[논문]KSR-III 로켓 추진기관 연소시험

강선일; 권오성; 이정호; 김영한; 하성업; 조광래

문제 정의

본 논문에 기술한 3단형 과학로켓(Korean Sounding Rocket Ⅲ, 이하 KSR-Ⅲ)과학 관측을 목적으로 순수 국내 기술로 개발된 로켓으로, 액체추진 방식을 채용하였으며, 2002년 11월 28일 발사에 성공하였다. 본 논문에서는 KSR-m 개발과정의 일환으로 수행된 추진기관 종합시험 설비(Propulsion Test Article Ⅱ, 이하 PTA-n)시험 중 연소시험의 과정 및 결과를 위주로 기술하고자 한다.

제안 방법

10차 연소시험은 KSR-m Rocket의 1단 종합 검증을 위해 비행용 기체와 동일한 단 인증 시험용 기체를 활용하여 연소시험을 수행하였다. 10차 연소시험을 위해서 시험 설비를 일부 변경하였으며 그 내역은 다음과 같다.
9차 시험은 TVC 성능 확인을 위해 연소시험 중엔 진 김발링을 실시하였다. 엔진 김발링을 위해서 다음과 같은 설비 변경을 실시하였다.
KSR-ni Rocket 개발 기간 중 PTA-II 시험설비 를 활용하여 다양한 시험을 실시하였다. 수행된 시험의 종류 및 시험 수량은 다음 표 2, 표 3과 같다.
9차 연소시험부터는 비행시험에 사용될 엔진이 적용되었다. 배플 또한 내열재료를 사용하여 고온 및 고속 유동 환경하에서 일정 시간 이상 형상을 유지할 수 있도록 변경하였다. 그 결과 그림 13과 같이 53초 이상의 연소 지속시간을 유지할 수 있었으며, 이는 KSR-Ⅲ Rocket의 요구 조건을 만족시키는 결과이다.
축 방향 진동은 엔진 중심축 선상의 김발 마운트에 장착한 고주파 진동 계측 센서를 통해 계측하였다. 센서는 2개 (Vcxl, Vcx2)를 장착하였고 각각 비상 정지 신호 발 생과 신호 표시 및 저장용으로 사용하였다. 그림 6과 그림 7은 3차 시험의 결과이다.
점화, 소화 및 purge의 절차 등은 기존의 시험과 동일하게 유지되었다. 연소 시간은 공급이 가능한 최 대시간으로 여겨지는 57초로 설정하였으며 시험 시간 20초에서 시험 시간 43초까지 김발에 의한 TVC를 수행하였다.
이를 위해 연소실 내에 배플을 장착하는 방식을 도 입하였다. 연소실 내에 배플을 설치함으로써 불안정 연소 현상이 어떻게 제어되는가, 그리고 배플을 어떠한 형태로 설치하는가 하는 문제는 타 논문 〔牌에서 많이 다루었으므로 본 논문에서는 생략한다. 결론부터 말하자면 배플을 도입함으로써 불안정 연소 현상은 제어되었으며, 배플이 제 형상을 유지하는 한 불안 정 연소 현상은 나타나지 않았다.
2단계에서는 1단계 연소시험의 결과로 도출된 문제점 즉, 불안정 연 소현상의 제어 필요를 해결하는 것에 중점을 두었다. 이를 위해 연소실 내에 배플을 장착하는 방식을 도 입하였다. 연소실 내에 배플을 설치함으로써 불안정 연소 현상이 어떻게 제어되는가, 그리고 배플을 어떠한 형태로 설치하는가 하는 문제는 타 논문 〔牌에서 많이 다루었으므로 본 논문에서는 생략한다.
다음은 축 방향 진동(Vex) 계측 자료이다. 축 방향 진동은 엔진 중심축 선상의 김발 마운트에 장착한 고주파 진동 계측 센서를 통해 계측하였다. 센서는 2개 (Vcxl, Vcx2)를 장착하였고 각각 비상 정지 신호 발 생과 신호 표시 및 저장용으로 사용하였다.
한국 최초의 액체추진방식 로켓인 KSR-Ⅲ의 개발 과정에 있어 최종 검증단계인 PTA-H 시험에서는 총 80여 회의 다양한 시험과 10차례의 연소시험을 수행하였다. 10회의 연소시험을 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 논문에 기술한 3단형 과학로켓(Korean Sounding Rocket Ⅲ, 이하 KSR-Ⅲ)과학 관측을 목적으로 순수 국내 기술로 개발된 로켓으로, 액체추진 방식을 채용하였으며, 2002년 11월 28일 발사에 성공하였다. 본 논문에서는 KSR-m 개발과정의 일환으로 수행된 추진기관 종합시험 설비(Propulsion Test Article Ⅱ, 이하 PTA-n)시험 중 연소시험의 과정 및 결과를 위주로 기술하고자 한다.

성능/효과

앞서 언급한 바와 같이 8차 연소시험은 비상 정지로 종료되었으며, 이것은 배플의 형상 변화에 의한 것으로 보인다. 8차 시험 후 엔진 상태와 초기 상태를 비교해 본 결과 배플의 블레이드 부분이 하나 내지 두 개 정도 완전 손상될 때까지 불안정 연 소현상의 제어 특성을 유지하고 있다는 것을 알 수 있다.
연소실 내에 배플을 설치함으로써 불안정 연소 현상이 어떻게 제어되는가, 그리고 배플을 어떠한 형태로 설치하는가 하는 문제는 타 논문 〔牌에서 많이 다루었으므로 본 논문에서는 생략한다. 결론부터 말하자면 배플을 도입함으로써 불안정 연소 현상은 제어되었으며, 배플이 제 형상을 유지하는 한 불안 정 연소 현상은 나타나지 않았다. 따라서 최종적으로 KSR-ni 로켓의 임무 시간 동안 연소시험 수행이 가 능하였다.
배플 또한 내열재료를 사용하여 고온 및 고속 유동 환경하에서 일정 시간 이상 형상을 유지할 수 있도록 변경하였다. 그 결과 그림 13과 같이 53초 이상의 연소 지속시간을 유지할 수 있었으며, 이는 KSR-Ⅲ Rocket의 요구 조건을 만족시키는 결과이다.
연소 시간의 경우 공급 계 설계 최대 공급 시간인 57초를 목표로 했으나, 54초간 연소된 것으로 계측되었다. 그러나 KSR-Ⅲ 의 연소 지속시간이 53초이므로 임무완수에는 문제가 없을 것으로 판단하였고, 비행시험을 통해 검증되었다.
결론부터 말하자면 배플을 도입함으로써 불안정 연소 현상은 제어되었으며, 배플이 제 형상을 유지하는 한 불안 정 연소 현상은 나타나지 않았다. 따라서 최종적으로 KSR-ni 로켓의 임무 시간 동안 연소시험 수행이 가 능하였다.
표 4의 분류에 따르면 1단계 연소시험(1차 시험 ~ 4차 시험)은 불안정 연소 현상과의 싸움이었다. 총 4차 례 시험을 실시하였으나 시험 설비 이상으로 Main 연소에 실패한 1차 연소시험을 제외한 모든 시험에서 불안정 연소 현상이 나타났다. 항공우주연구원 자체 엔진 시험시설인 ReTF에서 수행한 각종 연소시험의 결과 다음과 같이 불안정 연소에 의한 비상 정지 판단 기준을 설정하였다.

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