[논문]액체로켓엔진 연료로서 액화천연가스 특성 평가

한풍규; 남궁혁준; 김경호

doi:10.5139/jksas.2004.32.3.066

액체로켓엔진 연료로서 액화천연가스 특성 평가
Evaluation on the Characteristics of Liquefied Natural Gas as a Fuel of Liquid Rocket Engine 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.32 no.3, 2004년, pp.66 - 73

한풍규 ((주)로템) , 남궁혁준 ((주)로템) , 김경호 ((주)로템)

초록
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탄화수소 계열의 액체로켓엔진용 연료로서의 액화천연가스의 특성을 성분 및 함량 분석, 냉각제로서의 특성과 엔진 성능 인자로서 특성속도와 비추력 관점에서 평가하였다. 액화천연가스내의 메탄의 함량이 연료로서의 특성을 결정짓는 주요한 인자이었으며, 재생냉각형 액체로켓엔진의 연료로 사용되기 위해서는 최소 90% 이상의 메탄 함량이 요구되는 것으로 판단된다. 한편, 예비 냉각에 의한 액화천연가스의 일부 성분의 응결이 예상되어 정상적인 엔진 작동을 방해하는 요소가 될 수 있다. 약 90%의 메탄 체적 함량을 가지는 액화천연가스의 액체로켓엔진의 작동 조건은 화학 당량비적 혼합비로 표준화한 추진제 혼합비로 0.75가 최적이었다.

Abstract ▼ AI-Helper

As a rocket propellent of hydrocarbon fuels, the characteristics of liquefied natural gas was evaluated with the viewpoint of the constituents and content, the cooling performance as a coolant, and characteristic velocity and specific impulse as parameters of the engine performance. Content of methane was a principal factor to determine the characteristics as a rocket propellant and more than 90% of it was needed as a fuel and coolant in the regenerative cooled liquid rocket engine. Some constituents of the liquefied natural gas can be frozen by the pre-cooling of the pipe lines, therefore they can be a factor disturbing the normal working of engine. In case the content of methane is around 90% in the liquefied natural gas, a normalized stoichiometric O/F mixture ratio of 0.75 is suggested for a nominal operation condition to get the maximum specific impulse and characteristic velocity.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 액체로켓엔진의 연료로서 액화천연가스의 특성을 액체메탄과의 비교 분석함으로써, 액체로켓엔진의 연료로서의 특성을 분석, 평가하기로 한다.
알려져 있다[4]. 본 논문에서는 액체로켓 엔진의 연료로서의 액화천연가스의 성분과 함량을 분석 평가하기 위하여, 국내에서 생산되어 로템에서 수행된 일련의 연소시험에서 사용된 액화천연가스의 성분을 연소시험마다 점화전에 천연가스와 액화천연가스의 샘플을 채취하여 열전도도 검출법을 이용하는-가스 크로마토그래피 (GC-14B, 시마쯔)로 구한 액화천연가스의 성분과 함량을 분석, 평가하였으며, 그 결과로서 Table 1 에는 각 시험 조건에서 구성 성분의 체적비를 나타내었다[4]. Table 1에서 사용된 기호로, C₁ 은메탄, C₂는 에탄, C₃는 프로판, IC₄는 ISO-부탄, C₄는 NEO-부탄, 02는 산소, 그리고 N₂는 질소이다.

가설 설정

엔진의 성능 분석을 위해 특성속도와 비추력을 구하기 위해 CEC₈₆[8] 을 이용하였는데, CEC₈₆은 연소실내에서의 연소 반응이 추진제 혼합비와는 무관하게 화학적으로 평형하다는 가정함으로, 특성속도와 비추력의 이론치는 Infinitely Fast Chemistry를 고려하여 계산되었다.

제안 방법

L1은 에탄, 프로판과 부탄의 함량이 크게 증가함에 따라 메탄의 체적 함량이 다른 조건에 크게 못 미치는 경우로서 비정상 (Abnormal) 조건으로 분류하였다.
액체로켓엔진의 연료로서 액화천연가스의 사용 가능성을 분석하기 위하여, 성분 및 함량, 열역학적 성질과 재생 냉각 특성, 추력 10톤급 모델 연소기에 대한 특성속도와 비추력을 액체 메탄과 비교 평가하기로 한다.
탄화수소 계열의 액체로켓엔진용 연료로서의액화천연가스의 특성을 성분 및 함량 분석, 냉각제로서의 특성과 엔진 성능 인자로서 특성속도와비추력 관점에서 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
분석하는데 사용하였다. 특히 엔진 성능을 계량화하기 위해서, Fig. 6과 같이 혼합기, 점화기, 연소실과 노즐로 모듈화로 개발된 시험용 엔진을 기준으로 하였으며, 시험용 엔진의 주요 제원은 Table 2와 같다[6][7].

대상 데이터

본 논문에서는 액체로켓 엔진의 연료로서의 액화천연가스의 성분과 함량을 분석 평가하기 위하여, 국내에서 생산되어 로템에서 수행된 일련의 연소시험에서 사용된 액화천연가스의 성분을 연소시험마다 점화전에 천연가스와 액화천연가스의 샘플을 채취하여 열전도도 검출법을 이용하는-가스 크로마토그래피 (GC-14B, 시마쯔)로 구한 액화천연가스의 성분과 함량을 분석, 평가하였으며, 그 결과로서 Table 1 에는 각 시험 조건에서 구성 성분의 체적비를 나타내었다[4]. Table 1에서 사용된 기호로, C₁ 은메탄, C₂는 에탄, C₃는 프로판, IC₄는 ISO-부탄, C₄는 NEO-부탄, 02는 산소, 그리고 N₂는 질소이다.

성능/효과

따라서 액화천연가스의 화학조성에서 메탄의 함량이 감소하는 경우에는 특성속도가 Fig. 7(a)와 같이 혼합물의 특성 속도보다도 더욱 작아지면서, 액체로켓엔진 연료로서의 사용에 부적합해지는 것을 알 수 있었다.
1) 액화천연가스내의 메탄의 함량이 연료로서의 특성을 결정짓는 주요한 인자이었으며, 재생냉각형 액체로켓엔진의 연료로 사용되기 위해서는 최소 90% 수준의 메탄 함량이 요구된다.
2) 액화천연가스의 작동 온도 범위내에서 큰 밀도 변화를 고려하여 큰 형상비의 냉각 채널을 도입하여야 한다.
3) 메탄 체적함량 90% 수준의 액화천연가스의냉각성능은 액체메탄보다 떨어지며, 예비 냉각등에 의한 190-부탄 이상의 탄소수를 가지는 성분의 응결에 의한 엔진의 비정상 작동의 가능성에 주의하여야 한다.
4) 90% 수준의 메탄 체적 함량을 가지는 액화천연가스의 액체로켓엔진의 최적 작동 조건은 특성 속도와 비추력 관점에서 화학 당량비적 혼합비로 표준화한 추진제 혼합비로 0.75이다.
75에서 최대 비추력이 나타났으며, 탄소수가 증가할수록 최대 비추력을 보여주는 혼합비가 감소하고 있으며, 최대 비추력도 감소하고 있다. 따라서, 액화천연가스의 비추력은 액체메탄에 비해 작을 것으로 예상되며, 특히 메탄의 함량이 감소할수록, 비추력의 감소는 커질 것으로 예상된다.
이것은이론적 해석에서는 Infinitely Fast Chemistry를고려한 화학평형 조건을 다루었으나, 실제의 분무과정에서는 연료의 초기 유입온도가 증가함에따라 초기 엔탈피가 증가하면서 연료의 비체적도증가하며, 이에 따라 분사기에서의 유출 속도도증가하게 된다. 본 시험용 엔진에 사용된 분사기는, 연료와 산화제의 속도비가 분사기의 성능의주요한 인자로 알려져 있는 전단동축형으로서, 연료의 초기 엔탈피가 증가할수록 속도비가 커지게 됨에 따라 미립화와 혼합효율이 증가하여 전제적으로 연소효율이 우수해지며, 특성속도도 증가시키는 영향을 미친 것으로 판단된다.
하지만, 분사기에 분무 되어 연소에 이르는 실제의 과정은 Infinitely Fast Chemistry와는 차이가 있으며, 실제 액화천연가스를 연료로 한 연소시험에서 구한 특성 속도 실험치를 보면, 이론치와 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 액체메탄을 이용한 연소시험을 수행되지 않았으나, 액체 메탄의 실험 치는 정상적 인 화학조성 의 액 화천 연 가스와는 큰 차이를 보이지 않을 것으로 판단된다. L1 의 특성 속도가 다른 시험 조건에 비해 매우 작게 나타난 것은 낮은 추진제 혼합비에 의한 것으로, Table 1에서와 같이 전체 성분 조성에서 메탄의 함량이 몰비로는 약 72.
없는 것으로 나타났다. 하지만, 분사기에 분무 되어 연소에 이르는 실제의 과정은 Infinitely Fast Chemistry와는 차이가 있으며, 실제 액화천연가스를 연료로 한 연소시험에서 구한 특성 속도 실험치를 보면, 이론치와 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 액체메탄을 이용한 연소시험을 수행되지 않았으나, 액체 메탄의 실험 치는 정상적 인 화학조성 의 액 화천 연 가스와는 큰 차이를 보이지 않을 것으로 판단된다.

후속연구

7(a)는 액화천연가스의 구성성분별 특성 속도를 나타내었는데, 탄소수가 증가할수록 특성 속도가 감소하고 있으며, 최대 특성속도를 나타내는 추진제 혼합비도 감소하고 있다. 따라서, 액화천연가스 내에서 메탄을 제외한 다른 성분의 함량 증가는 엔진의 비추력을 감소시키는 영향을 미치므로, 액화천연가스내의 메탄 함량을 높게 유지하거나, 메탄 함량이 높은 액화천연가스가 액체 메탄을 대신하는 연료로서 적합할 것이다.
1과 같이 수소는 물론 다른추진제에 비해서도 경제적이다. 특히, 메탄의 체적 함량이 90%수준인 경우에는 액화천연가스의열역학적 성질과 냉각 성능을 비롯한 여러 특성들이 메탄과 매우 유사하므로, 액체로켓엔진 연료로서의 액체 메탄의 장점을 그대로 보유하면서, 액체 메탄을 대신하여 액체로켓엔진의 연료로 사용 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (8)

Kalmykov, G. P., Lebedinsky, Y. V., ？"Some Aspects of Development of New-Generation Economical Enviromentally-Friendly Engine for Promising Injection Systems," 47th International Astronautical Congress, IAF-96- S.1.04, Oct., Beijing, China, 1996.
KaImykov, G. P., Mossolov, S.V., "Liquid Rocket Engines working on Oxygen+Methane for Space Transportation Systems of XXI Century (on the Results of Scientific and Experimental Studies), IAF-00-S.2.10, Brazil, 2000.
http://yarchive.net/space/index.htmI, "Rocket Fuel".
한풍규,이성웅,남궁혁준,김경호,"액화천연가스를 연료로 하는 액체로켓엔진의 성능해석", 한국항공우주학회 논문집 제출, 2003.
M.L. Huber, NIST Thermophysical Properties of Hydrocarbon Mixtures Database, February 2003.
장행수,한풍규,조용호, "액체로켓엔진 성능의 재생냉각 효과," 한국항공우주학회 추계학술대회, 2002.
장행수,한풍규, "액화천연가스를 연료로 하는 액체로켓엔진에서의 재생냉각 특성에 관한 연구", 한국추진공학회 춘계학술대회, 2002.
Gordon,S., McBride, B., J., Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Application, NASA Ref. Pub. 1311, Jun., 1996.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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