1. Detonation Engine 에 대한 정의 및 연구배경
현재 대부분의 추진 시스템에서 사용하는 엔진들의 연소방식은 확산화염(diffusion flame) 과정을 따른다. 확산화염 과정은초속 수~수십 m/sec의 속도로 화염이 전파되며, 질량 및 온도의 확산에 의하여 연소 과정이 지배를 받는다. 이러한 확산화염 과정에서 폭발성 연소 혼합물 (즉, 연료 + 산화제)이 있는 곳을 화염 충격 파(combustion shock wave)가 지나게 된다면 파의 후방에서 연소에의한 열의 발생으로 압력, 밀도, 속도 그리고 에너지의 변화가 일어 난다. 이러한 영향은 전방에 지나 가는 화염 파에 영향을 미쳐 화염 파의 강도를 더 강하게 만든다. 만약, 우연히도 파의후방에 있는 화염이 전방의 충격 파를 따라 잡게 된다면 연소 파와 화염 파가 결합된 형태가 된다. 이러한 연소 파를 detonation 파 (detonation wave)라한다.
확산 화염이 초속 수~수십 m/sec의 속도로 이동 하는 것에 반하여 detonation은 수천 m/sec의 속도로 전파된다. Detonation 과정은확산 화염 과정에 비하여 더 급격한 연소 반응을 일으키며, 초음속 연소 파가 예 혼합된 반응 물질이 존재 영역으로 초속수천 m/sec의 속도로 전파 된다. 이러한 강한 충격 파와 연소 현상이 혼재된 반응 영역에서 detonation 파는 반응 물질을 압축시킴으로 해서 압력 및 온도등과 같은 상태 값들을 더 높게 만들게 된다. 이렇게 높아진 상태 값들은 반응 영역에서 반응 물질의 연소 현상을 더 쉽게 만들거나 또는더 촉진시키는 작용을한다. 특히 이러한 충격파와 연소 파의 결합으로 이루어진 detonation 연소 현상은 반응 물질의 압력이 평형상태에 도달하기에는 연소 시간이 충분하지 않으므로 해서정적 연소 과정으로 흔히 간주된다.
일반적으로 정적 연소 과정을 거치는 엔진은 정압 연소 과정을 거치는 엔진에 비하여 열역학적 효율이 더 높다. 이러한 장점으로 인하여 detonation 연소 현상을 이용한 추력을 만드는 엔진 연구가 주요 관심분야 중하나이다. Detonation은 현재의 항공 추진 기관에 비하여 10~20% 에너지 효율 향상을 가져올 수 있는 정적 연소 기반 항공우주 추진 기술로, 가연 혼합기 내에서 연소가 충격파를 발생시키고, 충격파가 점화를 일으키는 형태로 충격파와 연소파가결함된 형태의 연소 현상이다. 갱도 폭발 사고나 폭발물의 폭발 형상에서 주로 관찰 되어 물리 현상의 이론적 기반이 축적되었다. Detonation 추진 기관을 연소 현상으로 이용하고자 하는연구는 1950년대부터 여러 연구자들에 의하여 지속적으로 연구가수행되고 있었으나 실물연구로 진행되기 시작한것은 1990년대에 시작된 램가속기 (Ram Accelerator) 연구이후로 스크램제트 엔진의일종인 경사 detonation 파 엔진(ODWE), 램 가속기, 펄스 detonation 엔진(PDE) 그리고 최근의 회전 detonation 엔진 (Rotating Detonation Engine, RDE) 또는 연속 detonation 파 엔진(Continuous Detonation Wave Engine, CDWE) 연구를들 수 있다. 여기서 RDE와 CDWE는 같은 개념의 detonation 엔진을 부르는 명칭의 차이일 뿐이다.
여기서 PDE의 작동 메커니즘은 Fig. 1과 같다. 초기 단계에서 퍼지가스(Purge gas)를 이용하여 detonation 엔진 튜브 내의 연소 가스를 대기 중으로 밀어낸다. 퍼지 가스를 이용해서 연료 산화제가 섞일 수 있는 공간을 만들고, 엔진 내부에 연료와 산화제를 주입시킨다. 점화기(ignitor)를 이용해 점화 시키면 처음에는 deflagration으로 시작을 하여 튜브 안에서 detonation 현상으로 전이(DDT – Deflagration To Detonation)가 되면서 연소 가스가 detonation 튜브 밖으로 빠져 나가게 된다.
일반적인 공기 흡입 추진기관이 마하수가 증가하면서 비 추력이 저감되는 반면, PDE는 지상조건에서부터 작동가능하며 높은 초음속 영역에서도 높은 비 추력을 얻을 수 있어 차세대 고속 추진기관으로써 큰 장점을 갖고 있어, 군용 추진기관으로써 연구가 되기 시작하였다. 지난 수 십년간 detonation 현상을 이용한 정적연소 형태의 추진기관 방식에 대한 많은 연구가 진행되어 왔으며, 미국에서는 2008년 PDE엔진을 이용한 항공기의 비행 시험에 성공하였고, 기술의 실용화 돤계에 돌입하고 있다.
이와는 대비되는 개념으로 RDE 또는 CDWE이 있다. 이 엔진은 연속적인 detonation 현상에 의하여 추력이 제공되는 엔진 개념이다. 이 개념은 일찍이 1960년대에Voistekhosvhii에 의하여 그 기본적인 개념이 제안 되었다. 이후 1966년에 Nicholls 등에 의하여 그들의 논문에 RDE의 proto-type(원형 개념)이 소개 되었다. 하지만, 이후 RDE에 관한 연구는 PDE연구에 비하여 그 기술개발 단계가 많이 뒤쳐져 있는 상태이다. 이는 일반적인 detonation 현상이 PDE엔진에서와 같이 연소 혼합물 쪽으로 detonation 파가 진행하는 것과는다르게 RDE엔진에서는 연소 혼합물의 유동 방향과 직교되게 전파된다. 따라서 이러한 detonation 파의 전파를 지속적으로 전파되게 유지시키는 기술에그 어려움이 있다. 이러한 이유로 최근까지 RDE는 그 기술적 진보가 PDE에 비하여 느렸지만, 최근에 러시아, 프랑스 폴란드, 싱가포로, 중국 그리고 미국과 같은 곳의 여러 연구 그룹에서 활발히 RDE에 대하여 연구가 진행되고 있으며, 가시적인 성과를이루고 있다. 최근 2012년 일본, Tsukuba에서 열린 IWDP2012(International Workshop on Detonation for Propulsion 2012)는이러한 경향을 잘 보여주고 있다.
한편, 지구 온난화 문제와 관련하여 기존 정압 연소 방식의 추진 기관에서는 1%의 효율 증대가 현실적으로 매우 어려운 반면, 또한 detonation 연소방식은 별도의 압축기 없이 압축 효과를 얻을 수 있으므로 연소실에서 압력을 증가시켜 열역학 사이클 효율을 얻을 수 있는 PGC (Pressure Gain Combustor, 승압연소기) 동력 장치로써 10~15% 효율 증대를 기대할 수 있어, 가스터빈 엔진등과 결합한 복합 동력 장치로써 최근더 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만, 우리나라에서는 여전히detonation 추진기관이나연소 방식에 대한 연구가 거의 실험실 수준의 연구에 머무르고 있다. 따라서 이에 대한 기반 기술 확보가 절실한 상황이다.
2. Detonation 연구의 역사
폭발로 인해 얻을 수 있는 에너지를 추진 장치에 이용하기 위한 시도는 지난 17세기 후반에서 18세기 초반으로 거슬러 올라간다고 알려져 있다. 특히, 이 분야에 있어서 Huygens와 Allen의 공헌이 주목할 만하다. 1729년 Allen은 jet에 의해 추진되는 배를 제안하였다. 이 배의 작동은 배 안에 장착된 화약의 폭발력을 이용하는 엔진에 기인한다. 이러한 기록 이전에는, 대게 화약은 포를 이용한 파괴적인 목적으로 사용되었다.
가스 detonation 이용에 대한 최초의 기록은 1870-1833년으로 거슬러 올라간다. 그 기간 동안 Berthelot와 Vieille(1887-1882), 그리고 Mallard와 Le Chatelier(1883)는 1.5 에서 2.5 km/s 사이의 속도로 전파되는 연소 형태를 발견하였다. 그 연소 형태는 가스가 고 폭 충전물(high-explosive charge)과 함께 점화될 때 발생했다. 이후, 긴 관에서 비폭발(nonexplosive) 방법에 의한(스파크 또는 개방 화염, spark or open flame) 가스 점화에서도 detonation 현상이 발견되었다. 이러한 조건에서는 화염은 긴 관을 따라 가속되고, detonation 시작 직전에 화염 속도의 진동이 발생하는 것이 발견되었다. 가장 인상 깊은 발견은 detonation 속도가 점화 원(ignition source), 관(tube)의 반지름, 폭발 혼합물의 조성과 관계가 있다는 것이다. Detonation의 가장 뚜렷한 특징은 전파하는 파(wave)에 있어서 높은 압력을 생성하는 기계적인 효과이다. Detonation 전파 메커니즘은 열의 분자 확산보다는 폭발 혼합물의 단열 팽창이 지배적이다. 이 당시 detonation에 대한 관심은 추진체로서의 이용 보다는 주로 탄광의 폭발 방지와 같은 안전 분야에 있었다.
이후 Rankine(1887), Hugoniot(1887), Mikhelson(1890,1893), Chapman(1889) 그리고 Jouguet(1904-05)에 의한 충격파 이론에 근거한 이론적 예측 기법이 제시되었다. 이들은 detonation 매개 변수(parameters)들의 이론적 예측을 위하여 1차원 질량(mass), 운동량(momentum) 그리고 에너지(energy)의 보존법칙을 적용하였다. 이들의 이론에 의하면 detonation 파는 순간적인 반응이 일어나는 반응영역(reaction front)이 함께하는 압력의 불연속면으로 고려되었다. 이 이론에 따르면 detonation 생성물에의 밀도(density)는 초기 혼합물 밀도의 거의 두 배에 가깝다. 정적 폭발 조건에 의한 상태 값들과 비교하여 온도는 10-20%, 압력은 2배 높게 나타난다. 입자의 속도는 detonation 속도의 절반에 이른다. Detonation 속도에 대한 이론적 예측은 관측된 실험과 유사하게 나타났다.
19세기 말에서 20세기 초에 detonation 실험과 해석에 있어서 큰 변화를 가져왔다. 기존의 갱(坑) 또는 탄광의 폭발 안전성 문제뿐만 아니라 풍선, 왕복 엔진 등의 새로운 기술에 대한 부분이 대두되었다. 세계 1차 대전 이후, 항공기와 자동차 엔진에서의 연소가 주목을 받게 되었다. Detonation의 시작과 전파에 대한 이해에 있어서 Dixon, Nernst, Crussard, Woodbury, Campbell, Bone, Frazer, Egerton, Payman, Laffite, Townsend, 그리고 Lewis 등의 연구가 있었다.
Detonation이 시작되기 위해서 요구되는 2개의 기본적인 조건들이 발견 되었다. (i) 폭발성 혼합물(explosive mixture)의 자연 발화가 가능한 충격파의 형성 그리고 (ii) 폭발 혼합물의 인접 영역에서 충격파를 재생산 할 수 있게 충분한 수준까지의 국소 에너지 방출률의 증가이다. 반응물의 자연 발화는 종종 가속하는 화염 앞에서 관측된다. 가속하는 화염은 폭발 파(blast wave)를 하류 유동(downstream)과 상부 유동(upstream)에 전파시킨다. 이전의 폭발 파는 detonation 되고 이후의 폭발 파는 ‘retonation(리토네이션)’이라 부른다. Detonation 파에 대하여 기체 역학과는 달리 분자적인 구조에 기초한 에너지 전달 모델에 대한 시도가 존재하였다. Lewis는 Hinshelwood와 Semenov의해 개발된 연쇄 반응(chain-branching reactions) 이론을 적용하였다. Lewis는 화학적 메커니즘을 detonation 파 앞에서 모델링 하였다. 이 모델에서는 detonation 파는 에너지 전달에 의해 전파된다. 자가 유지 반응 전파(self-sustained reaction propagation)를 하기에 충분한 에너지를 가진 활성 분자의 전파와 함께 detonation 생성물에서 반응하지 않은 예 혼합물까지 detonation 파는 전파된다. Detonation의 run-up 거리에 관련한 초기 혼합물의 압력과 온도, 튜브 길이 및 반지름 등에 대한 구체적인 실험 결과가 보고되었다. Detonation의 농도 한계(concentration limits)의 존재가 발표되었다. 1926년 Campbell과 Woodhead는 진동하는 속도 조건에서의 회전 detonation(spinning detonation) 전파를 발견하였다. 이 발견은 데토네이션 구조에 관한 다수의 연구에 초석이 된다.
1940-1950년 괄목할만한 detonation의 물리적인 이해가 진행되었다. 실험에 의해 구면 형태로의 화염이 detonation으로 천이(DDT - Deflagration to Detonation Transition됨이 Rakipova(1947) 그리고 Zel’dovich 와 Roslovsky(1947)에 의해 확인되었다. 구면 형태의 detonation 관측에 대한 최초의 출판은 Ferrie과 Manson에 의해 수행되었다고 알려져 있다. Schelkin(1944)은 detonation 전파속도, DDT시간과 거리가 벽면의 거칠기와 관계가 있음을 보고하였다. Detonation 관은 관 내부에 다양한 나선형의 철사를 삽입하여 넓은 범위에서의 DDT 거리와 시간을 제어하였다. Shchelkin는 열역학적 CJ 속도보다 느린 속도로도 detonation이 전파됨을 확인하였다. 이 현상은 detonation 한계 및 detonation 개시에 있어서 중요한 내용이다.
Zel’dovich(1940)는 detonation 파의 구조 이론을 개발하였고 detonation 가능성 한계(detonability limits) 이론을 개발하였다. 그의 이론의 주요 요점은 선두 충격 파(lead-shock wave)와 유한 속도 연소 화학반응(finite-rate combustion chemistry) 사이에 밀접한 결합이 필요하다는 것이다. 선두 충격파는 단열 압축 과정을 생성하고 연소되지 않은 폭발 혼합물을 가열한다. 특정 유도 시간 이후에 압축된 혼합물은 자연 발화한다. 그리고 방출된 에너지의 일 부분이 선두 충격파가 일정한 속도로 전파하도록 사용된다. 이 이론에 따르면, 관을 따라 전파하는 detonation 파의 구조와 속도는 선두 충격파 이전의 벽면에서 발생하는 화학 반응 시간과 운동량 및 에너지 전달, 열과 운동량의 손실에 영향을 받는다고 한다. 관의 직경과 공기의 농도 등에 지배를 받는 손실이 특정 수준에 이르면, 정상 상태의 detonation 전파가 불가능하다. 이는 선두 충격파와 화학 반응 면이 서로 분리되려 하기 때문이다. 이 연구 이후 von Neumann(1942) 과 Döering(1943) 등은 서로 독립된 detonation 파에 대한 유사한 모델을 개발하였다. 이 모델은 선두 충격파를 따르면서, 화학 반응 면으로 구성된 충격파와 화학 반응 면 사이에 유한-속도 화학반응(finite-rate chemistry)을 적용하였고, 현재 이 모델은 detonation Zel’dovich–Neumann–Döring (ZND) 모델로 알려져 있으며, 이 이론은 1D detonation 모델 해석에 있어서 중요한 이론이다.
이론적 이해에 의해 1940-1950년에 중요한 결과들을 획득하였다. 예를 들면 (i) 평면이 아닌 (실린더 또는 구형) detonation 파가 평면과 같이 일정한 속도로 전파된다. (ii) detonation 임계 촉발 에너지(critical initiation energy)는 에 비례한다. 이때, 는 충격파 이후의 반응 유도 시간(reaction induction time)이고, 는 형상 번호이다. 1은 평면, 2는 실린더, 3은 구 형태의 파(wave)이다. (iii) 기폭 장치(initiator)에 의해 생성되는 폭발 파(blast wave)의 특정한 반지름이 존재한다. 그것의 진폭은 기폭 장치에 의해 CJ detonation 의 값이 될 때까지 감소한다. 그리고 임계 반지름은 반응 비율과 detonation을 공급하는 입자의 최소 크기, 기폭 원(initiation source)의 임계 에너지(critical energy)에 의해 영향을 받는다. ZND 모델은 detonation의 농도 한계와 detonation이 시작되기 위한 관의 직경, 초기 압력과 온도, 화학적인 농도 등의 예측이 가능하게 한다.
이후 detonation은 실험과 이론적으로 3차원 해석이 필수적이며, 정상 생태에서의 해석은 평균값을 산출한다고 알려졌다. 그럼에도 불구하고 여전히 ZND모델은 물리적으로 잘 부합하고 이상적으로 실제 detonation의 이해에 도움이 된다. Voinov(1950)는 회전 detonation의 구체적인 관찰에 근거하여 선두 충격파 전방의 횡단 파(transverse wave)를 관찰하였다. Voitsekhovsky(1957) 그리고 Denisov 와 Troshin(1959)는 multi-head 또는 multi-cell (다중 셀) detonation을 발견하였다. 그리고 충격파, 횡 방향으로 진행하는 횡단 충격파 그리고 반응 전면에 생성되는 detonation 총 3개의 파 형상에서 유동 패턴을 분석하였다. 그리고 이 3개의 파가 충돌하면서 유동 패턴을 변화시켰다. 실제 detonation 파의 불안전성과 3차원적 구조는 1D ZND detonation 모델의 시작과 전파, 평균온도를 사용한 Arrhenius kinetics의 검증에 대한 의문점을 제공한다. 직접 촬영한 사진과 그을음 막 자취는 다음과 같은 사실을 보여준다. CJ detonation과 초기 detonation 핵(kernel)에서 나타나는 물고기 비늘 형태의 셀 구조는 혼합물이 충격파 전면에 나타나는 고온 지점 이전에 연소됨을 의미한다. 이때의 온도는 평균 온도보다 높게 나타난다.
이전 연구 결과에 기인하여 1950년도 이후 Strehlow(1963)와 Urtiev(1966)등에 의하여 다양한 spinning mode 와 multi-cell mode detonation 모델이 제시되었다. 진단법의 유효성에 대한 발달과 공간과 시간 정확도의 발달, 컴퓨팅 자원의 발달 등에 의해 1960년대 이후, Saytsev(1962)와 Vermeer(1972)등의 노력으로 detonation 연구에 대한 상당한 진보가 이루어졌다. 무엇보다도 중요시 되었던 것은 반사된 충격파 이후의 연소 과정 가시화와 충격파에 의해 유도되는 ‘strong’ 과 ‘weak’로 구분되는 2개의 다른 연소 과정에 대한 발견이다. 충격파에 의해 압축된 가스의 연소 지연이 없는 급격한 체적변화를 동반하는 점화가 사진 기술의 발달로 확인 되었다. 이를 강한 점화(strong ignition)라 한다. 반대로 약한 점화(weak ignition)는 충격파에 의해 가스가 압축된다. 그러나 발열 중심(exothermic centers)이 관찰되는 이 조건에서는 연소 면이 가속되고, 때로는 이 연소 면은 detonation 속도로 가속된다. 강한 점화가 detonation 관련이 있음은 명백하다. 그러나 점화 과정은 여전히 몇몇 조건에 있어서 유동 구조에 지배적이다. 선두 충격파 뒤의 점화 면이 불규칙적임을 규명한 실험이 존재한다. 이러한 실험 결과는 multi-cell detonation의 불규칙적인 그을음 막 기록과 상응한다. 충격파 이후 발생하는 약한 음파 또는 준 음파 전파의 충돌과 그에 따른 영향으로 발생하는 유동 매개 변수들의 변화에 의해 점화 지연 변동이 발생한다. 흥미롭게도 이러한 섭동은 400K가 넘지 않는 낮은 온도의 과 유도 파(overdriven waves)에서도 나타난다. 1D와 2D 조건에서, 실제 동역학적 반응을 고려한 가상의 모든 파들은 불안전하며 회전(spinning) 또는 다중 셀(multi-cell) 구조를 가지며 이를 예측하기 위한 Zaidel(1961), Erpenbeck(1962), Fickett(1966), Taki(1981), Oran(1980), Markov(1980) 그리고 Borissov(1991)등에 의하여 다양한 연구가 진행되었다.
Oppenheim은 일련의 정밀한 사진 촬영에 관한 연구를 수행하였다. 이와 같은 연구에서는 매끄러운 벽면의 관내에서, detonation의 시작과 DDT를 관측하였다. 화염 혀(flame tongues)의 빠른 분출과 충격파에 의해 유도되는 화염의 충돌에 의한 화염 브러쉬(flame brush) 근처에서 detonation 핵의 형태, 접촉면의 단절로 인한 충격파의 반사 그리고 관의 벽면을 가시화 하였다. 거친 관내에서의 화염 가속(flame acceleration), detonation 전파, DDT는 Babkin(1960) 과 Kozatchenk(1960)에 의해 처음으로 가시화 되었다. 매끈한 벽면과 거친 벽면의 detonation 구조는 다르게 나타났다. 거친 관내에서는 반사된 충격파 이후 나타나는 국소적 고온이 거친 표면에 의해 발생하기 때문에 혼합물의 점화가 가능하다. 1차원 모델에서 이와 같은 결과를 확인할 수 있다. 거친 벽면에서의 detonation은 높은 안전성과 넓은 범위의 농도 한계를 가진다. 그러나 실험적 관측에서는 매끈한 표면에서의 detonation과 비교하여 낮은 속도 영역의 다소 좁은 농도 한계(concentration limits)를 나타낸다.[28,29] 또한 거친 벽면에서는 파 속도의 다소 큰 섭동과 detonation 파의 회복이 전체적으로 나타났으나 매끄러운 표면에서는 낮은 한계를 보인다. 이와 같은 결과는 거친 벽면에서 나타나는 화학적 반응에 의한 파의 3차원적 거동에 대한 명백한 증거가 된다.
“넓은 공간 또는 제한이 없는 공간에서 혼합물이 좁은 관내로 흐를 때, 좁은 관내에서의 detonation 거동은 어떠한가?”에 대한 의문은 detonation과 관련한 여러 의문들 중에서 중요한 질문이 된다. 이러한 질문에 대한 해답은 큰 공간에서 관으로 흐르는 최적의 detonation 개시(initiation)에 대한 정보를 제공한다. 왜냐하면 혼합물은 넓은 공간에 비해 좁은 관에서 detonation 개시가 쉽기 때문이다. 면적이 증가하는 덕트(duct)에서 detonation 천이에 대한 연구는 1956년 이후, 체계적으로 진행되었다. 관내에서 넓은 공간으로의 detonation 전파에 대한 가시화는 1964년 Mitrofanov와 Soloukhin에 의해 최초로 수행되었다.
전 세계적으로 다양한 연료 조건에서 detonation 가능성에 대한 다수의 실험치를 획득하기 위한 연구가 있었다. 이들 연구로부터 detonation 유도, 천이, 전파에 대하여 잘 정리된 실험 결과를 기반으로 중요한 경험적 방법이 도출되었다. 물고기의 비늘과 같은 detonation 셀 크기의 특성이 발견되었다. 이러한 특성은 대표적인 매개 변수로서 혼합물에 따른 detonation 가능성에 대한 등급으로 나타낼 수 있다. 이때 큰 셀 구조의 detonation 혼합물에 덜 민감하게 나타났다. 초기 압력, 온도, 혼합물의 조성, 관의 반지름이 셀 크기의 함수임을 확인하였다. 셀 크기는 관에서 큰 공간으로 팽창하는 detonation 천이, 관의 직경, detonation 시작에 필요한 에너지와 직접적인 관련이 있다.1950년대 이후 다양한 물질이과 산화제가 혼합된 기체, 액체 스프레이, 필름 또는 고체 연료의 사용에 대한 관심이 고조되었다. 산업 분야에서의 안전성과 군사적인 목적에서의 detonation 연료에 대한 연구가 실험적, 이론적 방법으로 수행되었다. Detonation 가능성은 탄화수소 연료 계열에서는 연료 증기의 농도가 중요한 요인임을 확인하였다.
화염 발달의 진행을 통한 detonation 개시 메커니즘의 이해가 주목할 만하다. 2개의 중요한 개시 메커니즘이 존재한다. 하나는 Oppenheim의 개념으로 예-detonation (pre-detonation) 지점 폭발에 의해 발생하는 detonation 거품(bubbles)이다. 나머지 하나는 Zel’dovich(1970)가 제시한 detonation 시작의 ‘구배(gradient)’ 메커니즘이다. Lee(1978)와 그의 동료들은 이 두 메커니즘을 접목시켜 다소 복합적인 개념에 관한 연구를 실시하였다. 그 연구에서는 SWACER(shock wave amplification through coherent energy release)를 발표하였다. Oppenheim의 개념에서는 자연 점화 조건에서는 충격파에 의해 압축된 가스가 몇 개의 폭발 중심(exothermic centers)에서 폭발하고 그 결과로 구형의 폭발 파가 생성됨을 암시하였다. 폭발 파의 충돌로 생긴 detonation 핵의 시작이 detonation을 생성한다.
Zel’dovich의 ‘구배’ 메커니즘은 다음과 같은 내용을 암시한다. 충격파에 의해 압축된 가스의 자연 점화는 지연 점화가 최소가 되는 지점에서 시작한다. 이후, 압축가스는 점화 지연이 길어지는 방향 즉, 점화 지연의 구배 벡터 방향으로 전진한다. SWACER 개념은 다음과 같다. 충격파에 의해 압축된 혼합물의 국부적인 작은 폭발은 구배 메커니즘과 같이 증폭된 폭발 파를 만든다. 이러한 모든 개념은 차이가 거의 없다. 실제로 detonation 핵에서의 detonation 시작은 압축 파와 발열 반응이 결합된 Zel’dovich의 메커니즘에 기인하고 있다. 그렇지 않으면, 화염은 결코 혼합물의 자연 발화를 발생 시킬 수 있는 충격파를 생성할 만큼 가속되지 않는다. 한편, 실험에서 보여진 바와 같이, detonation의 시작은 혼합물 전체에서 발생하지 않기 때문에 열 점(hot spot)에서의 자연 점화 개념이 보다 물리적인 현상을 규명하기에 적합하다. 따라서 폭발 중심에서의 국부적인 폭발을 고려한 모든 개념은 충격파에 의한 가스 압축을 생성한다. Zel’dovich 개념은 정형화 되지 못한다. 왜냐하면 그의 개념은 폭발 중심 내에서의 반응의 전개는 detonation 방법에 대한 기원과 열 점 발달에 관하여 완벽하게 물리적으로 설명하지만, 국소 폭발에 의해 생성되는 폭발 파의 강도에 대한 설명이 부족하다.
연소 방법에는 크게 비 예 혼합 연소 (Non premixed combustion)과 예 혼합 연소(Premixed combustion) 으로 나누어진다. 확산 화염(diffusion flame)이 비 예 혼합 연소에서 화염이 발산하는 형태를 말한다면 Deflagration과 detonation은 예 혼합 물 연소에서의 화염의 전파 상태에 따라 다시 구분된다. 예 혼합 화염 연소에서도 다시 폭발(explosion), deflagration, detonation 으로 구분 될 수 있다. 폭발(explostion)은 뜻 그대로 화학 반응이 예 혼합된 가스의 폭발과 관련이 있다. 하지만 폭발 물 사이로 연소 파(combustion wave)가 지날 필요는 없다. 반면에 detonation과 deflagration은 이러한 폭발 사이로 연소 파가 존재한다. 이 둘을 다시 구분하면 연소 반응 물 사이를 지나는 연소 파의 속도가 아음속(subsonic)이면 deflagration, 초음속 이면 detonation 으로 구분한다.
하지만 역사적으로 연소에 대한 2가지 기본적인 형태로 구분하여 하나는 확산화염 (diffusion flame)이고 하나는 detonation 으로 부른다. 이런 2가지 연소 형태는 인류의 활동에 있어서 다양하게 그리고 널리 활용되고 있다. 상대적으로 느린 화염(slow flame)은 추진, 에너지, 소재와 화학 기술에 널리 사용된 반면 detonation은 기본적으로 군사적 목적으로 활용되었다. 이와 같은 결과는 detonation과 관련한 물리학과 화학은 지속적으로 발전하여 건설적인 목적으로 인류의 생활에 도움이 되는 방향으로 발전해 왔다. Detonation은 화학적 에너지가 운동에너지로 전환되는 열역학적 효율적 관점에서는 매우 매력적인 현상이다. Detonation의 장점이 잘 활용될 수 있다면, 연소 가스에 의한 오염, 제조와 운영비용, 연료 소비의 관점에서 있어서 큰 효과가 있을 것으로 기대된다. 따라서 이러한 관점에서의 향후 연구가 필요하다.
