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[3월 연구실 인터뷰] 도형록 교수님 - 반응성 유동 실험실

작성자
MEch-SSENGER
작성일
2024-03-28
조회
1070

도형록 교수님 연구실 인터뷰

                                                                                                                                                                                                                                        도형록 교수님

 

Q1.간단한 연구실 소개와 연구 분야 소개 부탁드립니다.

저희 연구실은 반응성 유동 실험실이고, 크게 세 가지 연구 분야로 구성되어 있습니다. 첫 번째는 극초음속 비행체 분야입니다. 극초음속이라고 하면 마크 넘버가 5 이상이 되는 영역이라고 생각하시면 됩니다. 이런 극초음속으로 비행하는 비행체를 설계하고 극초음속을 낼 수 있는 엔진을 테스팅하는 연구를 진행하고 있습니다. 두 번째는 고압 연소 분야입니다. 로켓 엔진 등은 고압으로 뜨거운 기체를 만들어 필요로 하는 추진력을 얻습니다. 저희는 그런 엔진을 설계하고 테스트하는 연구를 하고 있습니다. 세 번째는 레이저 계측 분야입니다. 앞에서 말씀드린 극초음속과 고온고압 조건에서는 일반적인 센서를 통해 정량적인 측정을 하기에는 어려움이 많습니다. 그래서 저희는 레이저 계측 연구를 수행합니다. 레이저 계측을 한다는 뜻은 광자를 잘 제어해서 관심 영역의 분자들과 상호작용을 일으키고 그 결과로 나온 광자를 분석해서 분자들의 종류, 온도, 속도, 밀도 등의 성질을 파악한다는 것입니다. 이렇게 개발된 새로운 레이저 계측 기법들은 앞서 설명한 두 분야에서 직접 활용됩니다.

 

Q2.최근 진행하고 계신/진행하신 대표 연구에 대해 간략히 소개 부탁드립니다.

저희 분야는 연구 기간이 상당히 깁니다. 로켓 엔진이 개발된 지는 오래됐습니다. 예를 들어, 폰 브라운 박사가 2차 세계 대전 때 V2 로켓을 개발하고 이후 미국에 넘어가서 미국의 로켓 기술을 굉장히 많이 발전시켰습니다. 그럼에도 연구 기간의 텀이 길기 때문에 아직 로켓 쪽에서는 연구할 것들이 많이 남아 있습니다. 제가 연구하고 있는 가장 최신 엔진은 Scramjet 엔진입니다. 같은 Scramjet 엔진이라고 해도 지구 궤도 도달용 혹은 대기 중 초고속 비행용, 기타의 군사적 활용 등 다양한 목적에 따라 서로 다른 방향으로 개발되고 있습니다. 저희도 나름의 목적을 갖고 최신의 Scramjet 모델을 개발하는데 기여하고 있습니다.



<Scramjet 모델 예시>

최근에는 머신러닝을 활용한 연구들 또한 많이 진행하고 있습니다. 예를 들어, 비행체가 비행할 때 센서들을 계측 요구에 맞도록 많이 부착할 수는 없습니다. 그래서 최소한의 센서 계측 정보 입력만으로 높은 정확도를 갖는 최대한의 비행 환경 정보를 얻기 위한 실질적인 공학적 문제들의 해결이 필요합니다. 이때 머신러닝은 매우 유용한 툴이 됩니다. 또 다른 예시로는 미래 유동 예측 연구가 있습니다. 비행 중, 예상 밖의 충격파 구조가 발생하면 엔진이 작동을 멈출 수 있습니다. 그래서 과거와 현재의 계측 결과를 기반으로 미래의 유동 구조를 예측하는 것이 중요하고, 다양한 governing equation과 머신러닝 기법을 활용해서 높은 정확도로 앞으로 나타날 유동구조를 예측하는 연구도 시도하고 있습니다.

 

Q3.해당 연구를 진행하면서 가장 힘들었던 점과 이를 극복한 방법이 있다면 말씀 부탁드립니다.

극초음속 비행체 연구는 시험과 분석에 많은 시간과 비용이 요구됩니다. 예를 들어, 마크 넘버 6의 비행 시험을 직접 수행하기에는 여러 어려움이 있어, 극초음속 풍동 내부에 비행체를 고정해두고 공기의 속도를 올리는 방식으로 실험을 진행합니다. 그런데 실제와 비슷한 환경을 조성하고 싶으면 수천 도 이상까지 공기를 가열한 뒤, 공기를 가속해야 합니다. 이렇게 공기를 가열하는 과정에서, 많게는 하루에 몇천만 원에 달하는 비용이 나옵니다. 그렇기에, 굉장히 제한된 사례들을 제한된 날짜에 실험할 수밖에 없다는 어려움이 있습니다. 이런 문제들을 극복하기 위해, 저희는 가능하면 시뮬레이션을 통해 설계를 미리 완성하고 실제에 가까운 테스트 결과를 얻고자 합니다.
그럼에도 불구하고, 검증을 위한 지상 및 비행 시험이 필수적이어서, 이를 위해 굉장히 광범위한 분야의 연구를 동시에 수행하여야 합니다. 예를 들어, 실제 비행과 지상 시험 간의 차이점을 분석하는 연구, 고속 비행 중 비행 환경을 정밀하게 계측하는 기술, 설계 최적화 기술 등의 연구도 필요합니다. 이런 이유로 여러 학교나 기관들과 함께 협력해서 연구를 진행하고 있습니다.

 

Q4.연구실에서 보유하고 있는 특별한 장치 또는 설비가 있다면 소개 부탁드립니다.

저희 연구실은 크게 3개의 층으로 구성되어서, 지하 1층은 hyper sonic test wind tunnel, 1층은 고압 combustion 시험 관련 장치, 2층은 고정밀 레이저 장치들을 보유하고 있습니다. 그중에서도, 지하 1층의 극초음속 비행체 실험 시설들과 Femto second laser가 특별한 장치일 것 같습니다.
먼저, 극초음속 비행체 실험 시설은 3번에서 말씀드린 것처럼, 비행체가 비행하는 실제와 비슷한 환경을 조성해 줄 수 있는 풍동이나 진공 탱크 등이 있습니다. 이 시설들을 통해 극초음속 비행체들의 테스트를 진행하고 있습니다.

<극초음속 비행체 실험 시설>

다음은 Femto second laser입니다. Femto는 10의 -15승을 의미하는데, femto second laser는 레이저 펄스의 지속시간 (duration) 이 femto초 단위로 발진되는 레이저를 뜻합니다. 꽤 비싼 가격대를 가지고 있는데, 작은 먼지도 작동에 영향을 줄 수 있기 때문에 굉장히 세심한 주의가 필요한 장비입니다.


<Femto Second Laser>

 

Q5.이 외에 하고 싶으신 말씀 부탁드립니다.

비행체는 연결된 것이 아무것도 없는 굉장히 독립적인 시스템입니다. 다시 말해, 특정한 미션을 주면 미션을 달성하기 위해 생기는 여러 가지 외란들을 스스로 극복하면서 비행해야 합니다. 그렇기에, 첨단 기술들이 집약된 분야라고 볼 수 있습니다. 그래서 처음 이 분야를 접하게 되면 상당이 많은 정보들에 의해 혼란스러울 수 있습니다.
하지만, 실제의 연구는 오히려 직관적인 부분들이 많이 있습니다. 예를 들어, 비행하는 물체의 움직임을 계산하는 것이 상당히 복잡하게 느껴지지만, 비행 역학을 잘 이해하면 생각보다 굉장히 정확한 예측 알고리즘을 만들 수 있습니다. 또한, 여러 분야의 최신 지식들을 조합하여 완전히 새로운 시스템들을 설계할 수 있고, 새로운 비행 시스템이 성공적으로 작동하게 됐을 때, 많은 보람과 즐거움을 느낄 수 있을 것입니다. 저는 이것이 우리 분야의 가장 큰 매력이라고 생각하고 저를 포함한 많은 공학자들이 이 분야의 연구를 계속하는 이유라고 생각합니다.

 

MEch-SSENGER 이상민, 이준하