고성능 액체로켓엔진 연소장치의 연소실 내부에는 연소가 불안정해지는 현상이 발생한다. 연소 현상의 동적 특성이 예측 불가능한 방향으로 형성되는 경우가 발생하며, 연소가 비정상적으로 현상이 벌어지는 경우 연소 불안정이 발생한다. 연소 불안정 현상은 발생원인 혹은 특정 주파수에 따라 분류될 수 있으며, 연소 불안정 현상을 통해 관찰할 수 있는 물리적 현상에는 열 전달이 급격하게 증가하는 열 방출 섭동(heat release fluctuation)과 압력의 비정상적으로 과대한 섭동을 유발하는 압력 섭동(pressure fluctuation) 현상이 있다. 만약 두 현상이 결합되면 음향학적 공명이 발생하는 고주파 연소 불안정(high-frequency combustion instability) 현상이 발생하게 된다. 또한 고주파 연소 불안정 현상이 발생 시 최악의 경우에는 연소 장치가 수초 내로 파괴되는 상황이 발생한다. 연소장치가 지니는 연소 안정성에 관한 세부적인 이해를 위해서는 압력섭동뿐 아니라 열 발생 섭동의 이해도 요구된다. 일반적으로 압력섭동의 경우 압전 방식(piezoelectric)의 압력센서(pressure transducer)를 활용하여 압력 섭동을 계측을 진행하는 것이 보편적이다. 반면 열 발생 섭동 계측을 위한 부품은 부족한 실정이다. 때문에 화염 안정성의 정확한 이해를 위해서는 열 방출 섭동에 관한 데이터 계측과 분석이 요구된다. 화염에서 방출되는 열 방출율의 동적 변화를 계측과 이해를 위해 화염에서 발생하는 화학발광(chemiluminescence)을 활용하는 연구를 진행했다. 연료의 경우 액체로켓엔진의 연소에 사용되는 액체연료인 케로신(kerosene, Jet A-1)을 활용했다. 화학발광은 연소로부터 발생하는 열 에너지에 의해 고 에너지 상태(high energy state)로 여기(excited) 된 분자(molecules)들이 저 에너지 상태(low energy state)로 변화하며 방출하는 빛(light)을 의미한다. 탄화수소 계열의 연료와 공기의 연소 과정에서 화학발광을 야기하는 분자들로는 OH*, CH*, C2*, CO2*등이 존재하며 이러한 분자들이 에너지 상태를 바꾸면서(X* → X + hv) 자연 방출하는 빛(hv)은 각 분자마다 특정한 파장을 가지고 있으며 이를 화학발광이라 칭한다.
화염에서 생성되는 주요 화학발광을 활용하여 열 방출율의 변화를 감지하는 지표로 활용하기 위해 액체연료엔진의 연소 환경을 모사할 수 있는 연소기를 설계/제작 하였다. 활용된 연소기는 와류를 형성하여 화염을 형성하였고, 화염의 기본적인 물리적 특성을 파악하기 위해 형성되는 와류의 세기와 유입되는 연소 공기의 온도, 공기 유량 변화, 연료의 유량 변화 등 다양한 인자를 변화하여 화염의 특성을 파악하는 연구를 진행했다. 또한 화염의 화학발광 특성을 파악하기 위해 화염의 자발광 이미지를 촬영하여 화염의 특성을 파악/분석을 진행했다.
케로신 화염의 경우 방출 파장이 525-600 nm를 갖는 CO2*에 의한 발광(luminosity)가 매우 강하다. CO2*의 방출 특성은 연료 유량을 조절해 당량비를 변화한 결과에 비해 공기 유량을 조절해 당량비를 변화한 결과에서 더 큰 방출 특성을 갖는다. 화염 구조의 경우 와류의 정도에 매우 민감한 영향을 보였다. Swirl number 0.60의 경우 화염의 폭은 좁고 화염 길이는 길게 형성되는 반면 와류의 세기가 증가함에 따라 화염의 폭은 넓고 길이는 짧아지는 구조를 보였다. 전반적으로 OH*, CH*, C2* 라디칼은 와류의 세기에 의해 민감하게 반응한다. 특히 OH*와 CH* 화학발광 세기의 경우 당량비가 증가함에 따라 점차적으로 감소하는 경향을 보이며, 와류의 세기는 OH* 라디칼에 크게 영향을 미치지 않는다. 반면 CH* 라디칼과 C2* 라디칼의 방출 세기는 당량비와 와류의 세기 변화에 따라 큰 폭으로 변화하는 것을 확인하였다. 화염 특성을 파악하기 위해 화학발광 세기 비(chemiluminescence intensity ratio)의 형태로 데이터를 분석한 결과, OH*/CH* 화학발광 세기 비는 공기 유량을 조절에 의한 당량비 변화를 지시하기 적합하며, C2*/CH* 화학발광 세기 비는 연료 유량을 조절로 당량비의 변화를 지시하기에 적합하다.