국제학술지 International Journal of Thermal Sciences(JCR 상위 15.1%)논문 게재

극초음속 열보호 핵심기술 ‘분할 슬롯 필름 냉각’ 효과 입증

충격파및기체역학 실험실의 김익현 교수 연구팀이 최근 International Journal of Thermal Sciences에 게재한 논문을 통해, 극초음속 유동 환경에서 냉각 효율을 높이면서도 유동을 안정화할 수 있는 새로운 필름 냉각 구조의 효과를 입증했다. International Journal of Thermal Sciences는 열전달, 열유체, 에너지 변환 및 열관리 기술 분야의 주요 연구를 다루는 국제학술지로, 열과 유동이 결합된 복합 현상을 체계적으로 분석한 연구들이 활발히 발표되는 저널이다.

이번 연구 논문의 제목은 “Flow stabilization and cooling enhancement by split-slot film injection in hypersonic laminar boundary layers”로, 연구팀은 극초음속 비행체 표면에서 발생하는 높은 열부하를 보다 효과적으로 제어하기 위한 새로운 냉각 전략을 제시했다. 특히 기존의 단일 슬롯 필름 냉각 방식을 개선해, 하나의 냉각 슬롯을 두 개의 분사 경로로 나눈 분할 슬롯(split-slot) 필름 냉각 구조를 적용함으로써 냉각 성능과 유동 안정성을 동시에 높일 수 있음을 확인했다.

극초음속 비행 환경에서는 비행체가 대기와 강하게 상호작용하면서 표면에 매우 큰 열이 집중된다. 이러한 조건에서는 벽면을 보호하기 위한 냉각 기술이 필수적이지만, 기존 필름 냉각 방식은 냉각제 분사 과정에서 상류 방향의 박리영역이 형성되어 오히려 냉각제가 빠르게 혼합되고 냉각 효율이 저하되는 한계가 있었다. 연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 첫 번째 슬롯에서는 수직 방향으로, 두 번째 슬롯에서는 경사진 방향으로 냉각제를 분사하는 구조를 설계하고, 그 유동 특성과 열전달 특성을 정밀하게 비교·분석했다.

연구팀은 마하 8.2의 극초음속 유동 조건에서 수치해석을 수행했으며, 두 번째 슬롯의 기울기를 15도, 30도, 45도로 달리한 분할 슬롯 구조를 기존 단일 슬롯 방식과 비교했다. 그 결과, 분할 슬롯 구조는 모두 기존 방식보다 더 안정적인 유동장을 형성했으며, 특히 45도 조건에서 가장 우수한 성능을 보이는 것으로 나타났다. 이는 냉각제의 전체 유량을 증가시키지 않고도 구조 설계만으로 냉각 성능을 개선할 수 있음을 보여주는 결과다. 가장 주목할 만한 결과는 상류 박리영역의 현저한 감소이다. 분할 슬롯을 적용하면 첫 번째 슬롯에서의 분사 운동량이 완화되어 경계층 교란이 줄어들고, 이에 따라 상류 박리 영역도 크게 감소했다. 박리영역은 기존 구조에 비해 15도 조건에서 28.6%, 30도 조건에서 57.1%, 45도 조건에서 71.4% 감소한 것으로 확인됐다. 이는 냉각제가 불필요하게 상류 구간에서 소모되지 않고, 실제 열부하가 큰 하류 구간까지 보다 효과적으로 전달될 수 있음을 의미한다. 특히 이번 연구는 냉각 성능 향상뿐 아니라 유동 안정화와 냉각제 부착성 개선을 동시에 달성했다는 점에서 학술적·공학적 가치가 크다.

이번 연구는 극초음속 비행체, 재진입체, 고온 추진기관과 같이 극한 열환경에 노출되는 시스템의 열보호 설계에 중요한 시사점을 제공한다. 동일한 양의 냉각제를 사용하면서도 유동 교란을 줄이고 냉각 성능을 높일 수 있다면, 향후 극초음속 비행체의 열차폐 시스템, 고온 구조물 보호 기술, 차세대 능동 냉각 설계 등 다양한 분야로 확장될 가능성이 크다. 특히 단순히 냉각제를 더 많이 사용하는 방식이 아니라, 유동 구조를 정교하게 설계해 성능을 향상시키는 접근이라는 점에서 실용적 가치가 높다. 

본 연구는 충격파및기체역학 실험실의 Davoud 박사과정이 1저자로 김익현 교수가 교신저자로 참여하여 수행되었으며, 한국연구재단의 우수신진연구사업의 지원을 받아 진행되었다.

관련논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2026.110836