풍동에서 우주로: 항공우주 조사를 위한 진공

괴팅겐 소재 독일항공우주센터(DLR)에서 과학자들은 Busch (부쉬) 진공 솔루션의 COBRA 스크류 진공펌프를 사용하여 유럽에서 가장 크고 가장 강력한 풍동에서 압축성 유체 역학 현상을 연구하고 있습니다. 목표는 미래의 항공우주 산업을 더 안전하고 효율적으로 만드는 것입니다.

길이가 80m가 넘는 두 개의 축적기 튜브가 건물 옆의 열린 공간을 지나 단단한 외벽을 통과하여 안쪽으로 들어갑니다. 괴팅겐에 소재한 DLR의 공기역학 및 유동 기술 연구소 주변에 들어서면 연구 시설의 거대한 규모가 한눈에 들어옵니다. 내부에는 부피가 50m³에 달하는 거대한 진공 탱크가 튜브에 연결되어 있습니다. 여기에서는 초음속 항공기의 성능을 적절하게 예측하는 데 필수적인 유체 역학 현상을 조사하기 위해 상세하고 근본적인 연구가 진행되고 있습니다. 미래의 항공우주선은 어떻게 하면 더 환경 친화적이고, 더 안전하며, 더 효율적일 수 있을까요? 그리고 초음속 비행의 정확한 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 설계 과정 중에 새로운 구성을 평가할 수 있는 방법은 무엇일까요? 과학자들은 튜브 풍동(wind tunnel)을 통해 이러한 질문과 그 밖의 많은 질문에 대한 답을 찾고 싶어 합니다.

발생하는 공기 응축을 방지하기 위해, 공기압축기는 강한 팽창과 그에 따른 냉각으로 인해 발생하는 초음속을 시뮬레이션하기 위해 가열되어야 합니다.
공기압축기는 퀵 액션 슬라이드 밸브를 통해 초음파 노즐에 연결됩니다. 측정 섹션은 끝 부분에 위치합니다. 이 섹션에서 실험이 수행됩니다. 측정 섹션의 끝 부분에는 진공 펌프가 연결된 진공 탱크가 있습니다. 측정 섹션과 진공 탱크 사이에 위치한 진공 슬라이드 밸브를 통해 필요에 따라 측정 섹션에 접근할 수 있습니다. 진공 탱크는 진공 펌프를 사용하여 비워집니다. Busch (부쉬) 진공 솔루션의 COBRA NX 스크류 진공펌프가 이 작업에 사용됩니다. 이 펌프는 진공 탱크에서 약 10~40mbar의 진공을 생성합니다. 공기압축기 내부에는 약 2~40bar의 압력이 있습니다.

테스트를 수행하기 위해, 테스트 모델은 이동식 모델 홀더를 사용하여 측정 섹션에 배치됩니다. 테스트 모델에는 항공기 모델, 센서 또는 재료 샘플이 포함됩니다. 퀵 슬라이드 밸브를 열면, 흐르는 희석 물결이 발생하여 공기압축기로 흘러 들어가 공기압축기 공기를 노즐 쪽으로 가속시킵니다. 공기압축기와 진공 탱크 사이의 차압과 특수한 형태의 초음파 노즐 덕분에 RWG 측정 섹션에서 초음파 흐름이 생성됩니다. 음속의 7배에 해당하는 마하 7의 속도를 달성할 수 있습니다. RWG에서는 최대 350~400밀리초의 측정 시간이 달성됩니다. 이 시간은 이 유형의 풍동에서 최고의 수치이며, 연구원들이 테스트 모델 주변의 흐름을 연구할 수 있는 충분한 시간입니다. 이 시간 동안 통계적으로 관련된 데이터 또는 이미지 시퀀스를 기록하여 신뢰할 수 있는 데이터 평균 및 분석이 가능합니다.

진공 덕분에 더욱 효율적인 테스트 가능
진공 기술은 가속뿐만 아니라 높은 유속을 늦추는 데도 중요합니다. 테스트 중에는 공기압축기의 공기가 진공 탱크에 모인 다음, 정상적인 주변 공기로 외부로 배출됩니다. 공기역학 및 유동 기술 연구소의 RWG 그룹 리더 겸 과학 감독 에리히 슐라인(Erich Schülein) 박사는 “진공 기술 덕분에 훨씬 더 효율적으로 테스트를 수행할 수 있습니다. 이 기능이 없다면, 공기압축기의 부스트 압력을 크게 높여야 할 뿐만 아니라, 초음파 노즐에서 필요한 압력 비율을 달성하기 위해 전체 시스템의 안정성과 테스트 기술에 대한 요구 사항도 크게 높아져야 합니다. 이를 위해 필요한 기술적 노력은 엄청날 것입니다. 진공 펌프가 우리를 대신해 이 작업을 수행합니다. 압력 및 진공 어큐뮬레이터를 함께 사용하면 압력 수준과 유동 계수(Reynolds number)를 쉽게 변경할 수 있습니다.”라고 설명합니다.

괴팅겐에 위치한 튜브 풍동은 1968년부터 로터리 베인 진공 펌프와 함께 사용되어 왔습니다. 2021년, 이 튜브 풍동을 교체할 시점이 되었습니다. Busch (부쉬)는 입찰에 성공하여 통해 이 계약을 체결했습니다. Busch (부쉬)의 전문가들은 적합한 솔루션을 찾기 위해 시스템 선택 및 치수 측정에 대한 전문 지식을 제공했습니다. 건식 COBRA NX를 통해 솔루션을 신속하게 찾을 수 있었습니다.

RWG의 기술 관리자 카르스텐 파이퍼(Karsten Pfeiffer)는 “우리에게 있어서, 튜브 풍동에서 생성된 흐름이 깨끗해야 하기 때문에, 사용되는 진공 펌프가 신뢰할 수 있는 성능을 발휘하는 것이 매우 중요합니다. 테스트는 여러 번 수행되는 경우가 많으며, 조건이 항상 재현 가능해야 한다는 점이 중요합니다. 따라서 흐름을 방해하는 요소가 없어야 합니다."라고 설명합니다. COBRA 성능도 매우 긍정적인 인상을 남겼습니다. Busch (부쉬)의 스크류 진공펌프는 기존 로터리 베인 펌프에 비해 진공 탱크를 2배 더 빠르게 비웁니다. 탱크에서 가장 일반적으로 요구되는 50mbar의 압력은 이제 30분이 아닌 15분 만에 도달할 수 있습니다. 이 짧은 가동 시간은 공장의 에너지 소비에 매우 긍정적인 영향을 미칩니다. 또한, 인버터는 진공 펌프의 회전 속도를 필요한 압력 조건에 맞게 조정합니다.

연구소의 직원들도 새로운 진공 솔루션에 만족하고 있습니다. 이전에는 오래된 진공 펌프에서 발생하는 높은 소음과 진동 때문에 테스트 중에는 플랜트 바로 위 소재 작업실을 사용할 수 없었습니다. COBRA는 조용하게 작동하고 진동이 적기 때문에 이 문제는 더 이상 문제가 되지 않습니다. "약간의 윙윙거리는 소리 외에는 아무 소리도 들리지 않습니다."라고 파이퍼는 웃으며 말합니다. 또 다른 주요 이점은 오일프리 작동입니다. "과거에는 정기적으로 직접 작업을 하고 오일을 교체해야 했으며, 그 결과 더러워진 옷도 갈아입어야 했습니다. 이제는 더 이상 그럴 필요가 없습니다. 유지보수는 유지보수 계약의 일환으로 Busch (부쉬) 서비스 기술자가 수행합니다. 펌프를 켜기만 하면 작동이 시작됩니다."라고 파이퍼는 기쁜 듯이 말합니다.

기술 발전을 위한 청정 진공
Busch (부쉬)의 신뢰할 수 있는 진공 솔루션은 RWG의 실험 성공에 핵심적인 역할을 하며 기술 발전을 지원합니다. DLR은 현재와 미래의 임무를 위한 기술을 개발하고 개선하기 위해 항공우주 산업에 종사하는 기업들이 기초 연구 결과를 이용할 수 있도록 하고 있습니다. 괴팅겐 소재 과학자들은 또한 NASA, ESA 및 기타 DLR 사이트와 같은 국제 조직과 긴밀히 협력하여 글로벌 연구 프로젝트를 진행하고 있습니다. 예를 들어, 과거에는 NASA와 ESA를 대신하여 괴팅겐 Ludwieg Tube Wind Tunnel에서 X-38 우주선의 모형을 테스트했습니다. 이 우주선은 비상 시 ISS 우주 비행사들을 지구로 데려올 수 있는 승무원 귀환 차량(CRV)으로 설계되었습니다. 이 유형의 우주선은 지구 대기에 진입할 때 엄청난 열과 기계적 부하를 견뎌야 합니다. 이러한 조건은 튜브 풍동에서 가능한 한 정확하게 재현되었습니다.

"수력학이 비약적으로 발전했음에도 불구하고 난류 흐름의 많은 현상은 여전히 적절하고 정확하게 예측할 수 없습니다. 저희 연구실에서는 기존 모델을 개선하고 새로운 수치 계산 방법을 개발하는 데 도움이 되는 중요한 검증 데이터베이스를 구축하고 있습니다. 이것이 바로 이 연구 시설의 실제 목적이라고 생각합니다."라고 Schülein은 말합니다. Busch (부쉬)의 진공 기술은 이 연구의 중요한 부분입니다.