The evaluation of thermal integrity of the sapphire optical window was conducted through numerical prediction and experimental confirmation approach under thermal environment of the scramjet intake wall. Step shaped optical window was selected as the geometry of the optical window for this study to be installed in the scramjet intake wall in a flush-mount method so as not to disturb the internal flow-field in the scramjet intake. The test model for the evaluation of the thermal integrity of the optical window was considered as assembly type of the optical window and support considering that the optical window is mounted in an optical sensor such as TDLAS and the optical window with the optical sensor is to be installed in the scramjet intake.
The numerical prediction for the evaluation of the thermal integrity of the optical window was performed through the finite element method using a commercial ANSYS transient thermal analysis and transient thermal-structural analysis. Through the finite element method, the temperature distribution, maximum temperature increment, and thermal stress were predicted under the heat flux condition corresponding to the scramjet intake wall. In addition, the principal stresses distribution was obtained using the calculated thermal stress, and the material failure occurrence was evaluated using the calculated principal stresses distribution and the material failure theory.
The experimental confirmation for the evaluation of the thermal integrity of the optical window was carried out using the electrical heater. Morphology studies were conducted to verify the thermal integrity of the optical window using a visual inspection, SEM, AFM and EDS analysis. The occurrence of the brittle material failure phenomena such as fracture, macro-crack, and micro-crack was investigated through visual inspection, SEM, AFM and EDS analysis, and EDS analysis was performed to analyze the chemical composition change on the heated surface of the optical window. Through the numerical prediction and experimental confirmation, it is found that the material failure of the optical window did not occur under the heat flux condition corresponding to the scramjet intake wall.
Application Studies of the sapphire optical window to TDLAS were additionally carried out using the blowdown tunnel with an electrical heater and the blow down tunnel with vitiating heater to experimentally investigate the occurrence of the optical window damage under the aerodynamic heating condition corresponding to the scramjet intake wall. It was experimentally confirmed that the sapphire optical window did not undergo material failure under the aero-heating condition.
스크램제트 흡입구 벽면에서 형성되는 열환경에서 사파이어 광학창의 구조적 건정성에 대한 평가가 수치해석적 예측과 실험적 검증을 통해 수행되었다. 광학창은 TDLAS와 같은 광학센서에 결착되어 스크램제트 흡입구에 장착되는 상황으로 고려하여, 장착되는 방식이 벽면과 수평을 이루면서 내부유동구조에 노출되어 스크램제트 흡입구 내부 유동을 방해하지 않도록 단형태의 광학창 형상으로 선정되었다. 광학창의 열적 건전성 평가를 위한 시험모델은 광학창이 스크램제트 흡입구에 금속의 지지대와 결착되는 것을 고려하여, 광학창과 지지대가 결합된 경우로 선정하였다.
광학창의 열적 건전성 평가를 위한 수치해석적 예측은 상용 ANSYS 천이 열분석 (transient thermal analysis)과 천이 열-구조분석 (transient thermal-structural analysis)을 통해 유한요소해석을 이용하여 수행되었다. 유한요소해석을 통해 광학창이 스크램제트 흡입구의 열유속에 준하는 열환경에 노출될 때 시간에 따른 광학창의 온도분포, 최대 온도 상승량, 그리고 열응력이 예측되었다. 또한 계산된 열응력을 통해 광학창의 주응력분포를 계산하였고, 계산된 주응력분포와 재료파괴이론 (material failure theory)에 기반하여 광학창 파손의 발생을 평가하였다.
실험적 검증의 경우 전기히터를 사용하여 스크램제트 흡입구 벽면에서 형성되는 열유속에 준하는 열환경에서 광학창의 구조적 건정성에 대한 평가가 수행되었다. 광학창의 열적건전성을 검증하기 위해 형태학적 분석 (morphology study)을 수행하였으며, 형태학적 분석은 육안검사, SEM 분석, AFM 분석, 그리고 EDS 분석을 통해 수행되었다. 육안검사, SEM 분석, 그리고 AFM 분석을 통해 각각 사파이어 광학창이 전기히터를 통한 가열 시험 후 가열면에서 취성재료의 재료파괴의 징후인 파단 (fracture), 거시적 균열 (macro-crack), 그리고 미시적 균열 (micro-crack)의 발생성을 확인하였다. 한편, EDS 분석을 통해 해당 가열면에서 발생하는 화학적 현상을 분석하기 위해 가열 전과 후의 가열면에서의 화학종을 분석하였다. 수치해석적 예측과 실험적 검증을 통해 스크램제트 흡입구에서 형성되는 열유속에 준하는 열환경에서 사파이어 광은 파손이 발생하지 않는 것이 확인되었다.
사파이어 광학창의 응용연구를 위해 사파이어 광학창을 TDLAS에 장착하여 스크램제트 흡입구 벽면의 공력가열 환경에서 파손이 발생하는지 실험적인 연구가 전기가열식 불어내기 풍동과 연소가열식 불어내기 풍동을 사용하여 추가적으로 수행되었다. 사파이어 광학창은 해당 지상시험 장비들의 공력가열 환경에서 파괴가 발생하지 않았음이 실험적으로 확인되었다.
