주요 연구 성과
- 한재흥 교수 연구실, 증산 냉각을 활용한 차세대 열보호 구조 기술 제시
- 관리자 |
- 2026-03-04 00:14:10|
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- 2026-03-04 00:14:10|
뉴스페이스(New space) 시대에서 기존 발사체와 비교하여 큰 비용 절감이 가능하고, 지속적인 임무 수행이 가능한 재사용 우주 비행체의 수요가 증가하고 있다. 재사용 우주 비행체가 대기권 재진입 과정에서 충격파로 인한 단열압축효과로 인해 동체 외부에 극심한 공력 가열이 발생한다. 이로 인해 높은 열유속 환경에서 구조물이 변형 및 파괴가 일어나지 않도록 열방호 기술 (TPS)이 필수적이다.
기존의 단열재나 삭마를 이용한 열방호 기술의 경우 주기적인 교체가 필요하며, 지구 재진입 후 수만 개의 열방호 타일들을 일일이 점검하고 보수하는 데 막대한 시간과 비용이 소모된다. 또한 타일 구조 사이의 틈새로 파고드는 열을 완벽히 차단하는 데 한계가 있다. 반면 증산 냉각은 냉매가 다공성 매질을 통해 구조물 표면에 얇은 보호막(Coolant film)을 형성하는 방식이다. 이러한 보호막은 극한의 열부하를 안정적으로 견딜 뿐만 아니라, 기존 타일 방식으로는 보호하기 어려웠던 구조적 틈새까지 빈틈없이 감싸 보호할 수 있다. 이러한 특성은 기체 손상 없는 완전한 재사용을 가능하게 하여, 차세대 우주 비행체의 경제성과 안전성을 동시에 확보할 핵심 기술로 주목받고 있다.
그러나 기존의 소결 금속이나 복합재료 기반 다공성 매질은 내부 기공 구조가 불규칙하여 냉매가 불균일하게 분포하는 한계가 있다. 특히 냉매가 기화하며 발생하는 '증기 막힘(Vapor Blockage)' 현상은 내부 유동 저항을 급격히 높여 유동 불안정성과 국부적인 과열을 야기하며 냉각 성능을 저하시키는 문제로 지적되어 왔다
기존 증산 냉각의 한계를 극복하기 위해, KAIST 항공우주공학과의 우주 구조 및 하드웨어 시스템 연구실 (지도교수 : 한재흥)에서는 3D 프린팅 기술로 제작된 격자 구조(Lattice structure)를 도입하였다. 또한 냉매 유체 온도를 조절하면서 온도가 증기 형성과 유동 불안정성에 미치는 영향을 면밀히 분석하였다. 이를 통해 그동안 정성적으로만 언급되어 온 ‘증기 막힘 현상’을 구조 및 유동 관점에서 명확히 해석하고, 안정적인 열방호 성능을 확보하기 위한 격자 구조 설계 및 운용 조건 기준을 제시하였다. 연구 결과, 구조와 냉매 온도의 적정 조건을 도출하여 증기 형성을 억제했을 때 냉각 효율이 최대 95%까지 향상됨을 입증하였다. 해당 성과는 향후 재사용 우주비행체 및 극초음속 비행체의 능동 열방호 시스템 설계에 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
본 연구 성과는 2026년도 Journal of Mechanical Science and Technology (JMST) 저널의 제 40권 2호에 게재되었고, 해당 호의 Editor’s Pick으로 선정되었다.
(좌) 증산냉각 개략도와 우주비행체에서 증산 냉각 기술이 사용되는 위치 (우) 격자 구조 형상과 냉매 온도 조절에 따른 냉각 성능 이미지
논문명 : Experimental investigation into the effect of coolant temperature on transpiration cooling in lattice structures
https://doi.org/10.1007/s12206-026-0158-4
기존의 단열재나 삭마를 이용한 열방호 기술의 경우 주기적인 교체가 필요하며, 지구 재진입 후 수만 개의 열방호 타일들을 일일이 점검하고 보수하는 데 막대한 시간과 비용이 소모된다. 또한 타일 구조 사이의 틈새로 파고드는 열을 완벽히 차단하는 데 한계가 있다. 반면 증산 냉각은 냉매가 다공성 매질을 통해 구조물 표면에 얇은 보호막(Coolant film)을 형성하는 방식이다. 이러한 보호막은 극한의 열부하를 안정적으로 견딜 뿐만 아니라, 기존 타일 방식으로는 보호하기 어려웠던 구조적 틈새까지 빈틈없이 감싸 보호할 수 있다. 이러한 특성은 기체 손상 없는 완전한 재사용을 가능하게 하여, 차세대 우주 비행체의 경제성과 안전성을 동시에 확보할 핵심 기술로 주목받고 있다.
그러나 기존의 소결 금속이나 복합재료 기반 다공성 매질은 내부 기공 구조가 불규칙하여 냉매가 불균일하게 분포하는 한계가 있다. 특히 냉매가 기화하며 발생하는 '증기 막힘(Vapor Blockage)' 현상은 내부 유동 저항을 급격히 높여 유동 불안정성과 국부적인 과열을 야기하며 냉각 성능을 저하시키는 문제로 지적되어 왔다
기존 증산 냉각의 한계를 극복하기 위해, KAIST 항공우주공학과의 우주 구조 및 하드웨어 시스템 연구실 (지도교수 : 한재흥)에서는 3D 프린팅 기술로 제작된 격자 구조(Lattice structure)를 도입하였다. 또한 냉매 유체 온도를 조절하면서 온도가 증기 형성과 유동 불안정성에 미치는 영향을 면밀히 분석하였다. 이를 통해 그동안 정성적으로만 언급되어 온 ‘증기 막힘 현상’을 구조 및 유동 관점에서 명확히 해석하고, 안정적인 열방호 성능을 확보하기 위한 격자 구조 설계 및 운용 조건 기준을 제시하였다. 연구 결과, 구조와 냉매 온도의 적정 조건을 도출하여 증기 형성을 억제했을 때 냉각 효율이 최대 95%까지 향상됨을 입증하였다. 해당 성과는 향후 재사용 우주비행체 및 극초음속 비행체의 능동 열방호 시스템 설계에 중요한 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
본 연구 성과는 2026년도 Journal of Mechanical Science and Technology (JMST) 저널의 제 40권 2호에 게재되었고, 해당 호의 Editor’s Pick으로 선정되었다.
(좌) 증산냉각 개략도와 우주비행체에서 증산 냉각 기술이 사용되는 위치 (우) 격자 구조 형상과 냉매 온도 조절에 따른 냉각 성능 이미지
논문명 : Experimental investigation into the effect of coolant temperature on transpiration cooling in lattice structures
https://doi.org/10.1007/s12206-026-0158-4