플라즈마와 레이저의 항공우주 응용은 지속적인 연구 지원으로 올해에도 민간, 군사 분야에서 만족할 만한 진전을 보여 주었다. 한가지 꼭 지적해야 할 사항은 국가의 예산 지원이 점점 항공우주분야에서 줄어짐으로 인해 미래의 불투명함이 느껴지고 있다는 것이다.
Plasmadynamics
일부 이온화 된 가스를 사용하여 외부 또는 내부 흐름의 제어에 관련된 가능성 있는 응용에 관한 연구에 수년간의 노력이 이루어져 왔다. thermal 이온화는 일어나지 않을 정도의 에너지를 가진 비평형 플라즈마를 유동 속에서 효율적으로 발생시키는 방법 연구가 이 연구의 중요한 점이다. 몇 가지의 발생방법이 제안되었고 고려되었으며 현재 실험실에서 나오는 방법 중 가장 좋은 것은 고압을 계속적으로 나노세컨드동안 방전시켜 플라즈마를 발생하는 것이다.
이 방법은 최초에 Moscow Institute of Physics and Tech 에서 개발되었으나 현재는 전 세계 연구소에서 이를 사용하여 대단한 발전을 이루고 있다. 계속적인 관련 실험으로 이제는 , 특히 오하이오 주립 대학에서, 고속 엔진 흐름에서의 다량의 점화기능에의 응용, 그리고 MHD 를 통한 Lorenz 힘을 발생시키기 위한, 비평형 플라즈마 발생이 효율적이 되어 가고 있다. 계속적인 R&D 비용이 주어진다면 앞으로 이것은 실용화가 될 것으로 보인다.
재돌입시 발생하는 플라즈마를 이용한 MHD 흐름 제어 연구도 이러한 플라즈마 응용의 하나이며 러시아, 유럽, 일본 그리고 미국의 연구진들이 국제적으로 이 개념을 현실화 하고 있으며 개념 실증 실험을 각 실험실에서 수행하고 있다. 예를 들어 Institute of High Temperature, Russian Academy of Sciences, LyTec on hypersonic airborne MHD systems 의 재돌입 비행체의 유동제어와 비행제어에 관한 합작 연구는 EOARD 의 지원을 받아 올해 및 내년에도 계속될 것이다.
<그림> 하나의 마그네틱 노즐 플라즈마 추진 실험에서 helicon plasma source를 사용하였다.
흐르는 극초음속 흐름에 MHD 발전기 모델을 달아서 1 kw 의 파워를 생산하는 실험이 풍동 안에서 성공적으로 이루어졌다. 이러한 연구는 또한 "MHD parachute effect" 라는 새로운 개념을 발견하는데 도움이 되었다. 이론적 연구를 통하면 이러한 방식은 대기권 재 돌입시 동압과 열전달의 최대크기를 거의 한 order를 줄이고 비행경로를 효과적으로 제어할 수 있다고 한다.
directed energy device 를 위한 항공기의 MHD 발전기 개발을 위한 연구가 AFRL 의 지원을 받아 산학 및 정부기관을 묶어 Hypersonic Vechicle electric Power system program 으로 진행되고 있다. 현재 연소를 통한 MHD APU 개념, 스크램제트와 발전기를 결합한 개념등 다양한 개념들의 실증을 위한 실험들이 진행되고 있다.
최근 테네시 대학의 Space Institute 에서는 potasium carbonate 를 이온화 seed 로 사용한 알루미늄이 들어간 JP 와 산소간 연소를 이용하여, 에너지가 강한 플라즈마를 발생하는 APU 실험을 하였다. 이 작은 실험실은 3.0 테슬라의 수퍼컨덕트형 자석을 사용하는데, 실험 목적은 퍼듀 대학에서 개발한 최신의 3차원 MHD 발전을 해석할 수 있는 코드 검증을 위한 자세한 연소실의 내부 정보, 플라즈마 흐름, 발전기의 성능등의 데이타를 제공하는 것이다. 스크램제트를 이용한 MHD 발전도 수퍼컨덕팅 자석을 사용하며 이번 가을에 United Technologies 의 스크램제트 실험실에서 이루어질 예정이다.
NASA Marshall 센터와의 협력으로 오스틴 텍사스 대학은 지난 해 강한 플라즈마 추진을 발생하는 실험에서 괄목할 만한 발전을 이루었다. 워싱턴 대학에서 개발한 washer stack plasma gun 을 사용하여 한 실험 결과, 마그네틱 노즐에서 성공적으로 플라즈마가 떨어지는 것을 보여 주었다. 중요한 것은 이러한 방식이 어떠한 마그네틱 노즐 모양에서도 플라즈마 추진에 응용될 수 있다는 점이다. 불행한 점은 근시적인 운용방침에 의해 이러한 긴 시간을 요하는 연구가 끊어졌다는 것이다. 이러한 일이 플라즈마 연구에만 한정된 것인지, 아니면 항공우주전반에 걸친 경향인지, 또는 잠깐 일어난 일인지, 아니면 계속적으로 일어날 것인지는 아직 판단이 안된다.
Lasers
항공우주분야에서 비행체에 싣고자 하는 고출력 레이저 분야에서 몇 가지의 괄목할 진전이 있었다. 화학적 산소 요오드 레이저 (COIL) 의 전기적 버전인 Electric Oxygen-Iodine 레이저 기술은 다음의 몇몇 연구소에서 보여지고 있다. 오하이오 주립대학과 Physical Sciences 에서의 laser gain, 그리고 Plasmatronics 에서의 high single-delta oxygen flux 이다.
이것들은 이 분야에서 이정표적 연구이며 다른 곳에서 얻은 결과들을 확인하는 것이다. 이러한 연구로서 COIL 에 대비한 전기적으로 수백에서 수천 와트의 고출력 레이저를 얻을 수 있는 실증기에 관심들이 생기게 되었다.
COIL 에 관련된 연구는 국제적으로 상승기류를 타고 있다. 스펙트로메터와 결합한 CFD 사용 연구는 이러한 분야에서의 mixing system, system 레벨에서의 성능해석등이 CFD 연구진에 의해 이뤄지고 있다. 이러한 CFD 도구들은 추력이나 공력분야의 사람들보다 COIL 분야의 사람들에게는 천천히 사용되고 있다. 그러나 이러한 CFD 도구들이 다른 곳에서 보여준 바와 같이 앞으로 미래에 COIL 연구에 충분히 응용되면 좋은 결과가 나타날 것으로 보여진다.
100 킬로와트짜리 반도체 레이저 발생 연구를 위해 Joint High Power Solid Laser Program 이 노드롭그루만과 텍스트론 시스템을 선정함으로서 이 분야에 새로운 이정표가 만들어 졌다. 이것은 그 이전에 이루어진 실험에서 고출력 반도체 레이저 개발에 중요한 장벽은 중요 소자의 냉각이며 이러한 것은 공학적으로 점차 해결될 수 있을 것이라는 판단에 의한 것이다.
<그림> 미 공군아카데미의 풍동실험에서 flat-mirrored laser beam director를 관측하고 있다.
100 킬로와트급의 반도체 레이저 개발은 군사용 레이저 사용에서의 새로운 이정표가 될 것이다. 군사용으로서의 화학적 레이저의 단점은 그 파장의 한계와 사용되는 화학물질의 저장, 이동등의 불편함들이다. 반면 반도체 레이저는 무게비 대 출력은 모자라나 그러한 파장의 한계가 적고 또한 저장 이동 등이 편리하다.
이러한 반도체 레이저의 응용은 군사용에 한정되는 것만 아니라 조만간 원격탐사, 통신, 추진등 다양한 항공우주분야에 응용될 수 있다.
항공광학 분야에서는 최근 압축성 흐름을 지나갈 때의 레이저의 간섭 문제를 제어할 수 있는 방법 연구에 중요 이정표를 만들었다. 노틀담 대학 사람들은 불규칙한 압축성 shear 흐름을 유동제어 하여 규칙적인 진동 흐름으로 변환할 수 있었다. 그리고 그에 따라 변형하는 거울을 사용하여 레이저를 그러한 진동 주기에 맞추어 제어할 수 있었다. 목표에 아주 정확하게 맞았을 때의 레이저 강도와 직접 도착한 레이저 강도를 비교하는 Strehl 수치는 0.4 에서 0.7 로 증가되었다.
이러한 연구는 특별히 항공기에 고출력 레이저를 실었을 때의 항공기 주변의 흐름을 제어하여 레이저를 정확하게 목표에 도달하게 하는데 중요하다. 일반적으로 레이저와 유동의 간섭효과에 관한 연구는 항공 광학자들의 공통적인 목표이기도 하다. AFRL과 Air Force Office of Scientific Research 는 이러한 연구 분야에 능동적으로 지원하여 항공광학과 관련된 난류 모델링, 관심 있는 레이저 모델, 그리고 이러한 두 분야의 상호 간섭 연구를 발전시키고 있다.
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