[논문]스월 유동과 나선형 그레인에 의한 하이브리드 로켓 연료의 연소율 향상

황영춘; 이창진

doi:10.5139/jksas.2006.34.4.063

문제 정의

따라서 본 연구에서는 스월 유동과 나선형 형상의 연료를 동시에 사용하는 경우 어떤 상관관계를 유지하면서 연소율 증가를 얻을 수 있는가 에 관한 실험을 수행하였다. 연소율 중진에 나타나는 스월 효과를 얻기 위하여 두 종류의 인젝터와 두 종류의 나선형 연료를 동시에 조합하여 사용하였다.
그러므로 실제로켓에 스월 효과에 의한 연소율 증가를 적용한다면 연료의 입구 부분만 국부적으로 많이 연소하고 연소 후에도 많은 연료가 남는 문제가 발생한다. 본 연구에서는 이런 단점을 완화시키기 위해 인젝터 형상에 대한 연소 특성을 살펴보고 어떤 종류의 스월유동이 연소율 향상에 기여하는가에 관한 실험을 시도하였다.
하이브리드 로켓의 연료에 가공한 나선형 형상은 산화제가 흘러가는 동안 연료와의 접촉 시간과 연소면적을 증가시켜 연소율을 증진시키는 효과가 있다. 이번 연구에서는 두 종류의 나선형 그레인을 사용하였으며 나선형의 피치 값에 따른 연소 특성에 대해 연구하였다.

가설 설정

또한 기본형 연료의 연소면적에 비하여 피치6과 100인 연료의 연소면적은 모두 136-137% 증가되어 있음을 알 수 있다. 그러나 두 경우 거의 같은 크기의 연소면적의 증가가 있으므로 겉보기 물리적 차이는 없는 것으로 가정할 수 있다. 따라서 실험에 의하여 두 연료에서 관찰되는 연소율의 차이는 유동 특성과 그로 인한 열전달 특성의 차이에 의한 것으로 판단할 수 있다.
즉 피치6의 경우에 대략 6% 정도 향상된 연소율이 증가하였다. 앞서 언급한 대로 두 종류의 나선형 연료 사이의 연소면적 이 동일하다고 가정한다면 실험 결 과에서 보이는 연소율 차이는 연료 내부의 산화제 유동 특성의 변화에 의한 것임을 추정할 수 있다.

제안 방법

이러한 형상은 Yuasa 등이 사용한 방법이며 앞서 언급한 바와 같이 연료의 입구 쪽에 심한 불균형 연소를 발생시키는 단점이 존재한다. 두 번째 스월 인젝 터(Type II)는 첫 번째 인젝터와 크기 및 형상은 동일하지만, 산화제가 공급되는 포트가 수직 방향 에 대하여 30도의 각도를 갖도록 가공하였다. 이렇게 산화제를 공급하면 Type I 인젝터에 비하여 산화제가 연료의 축방향으로 많은 운동량을 갖도록 할 수 있다.
본 연구에서 실험조건은 산화제 유량은 15g/s를 기준으로 변화하였으며 실험시간 4초로 하였다. Fig.
앞에서 실험한 스월인젝터와 나선형 그레인을 동시에 적용할 경우의 연소율 향상에 관한 실험을 수행하였다. 인젝터와 나선형 그레인에 따라 다음과 같이 4가지 경우로 구분하였다.
따라서 본 연구에서는 스월 유동과 나선형 형상의 연료를 동시에 사용하는 경우 어떤 상관관계를 유지하면서 연소율 증가를 얻을 수 있는가 에 관한 실험을 수행하였다. 연소율 중진에 나타나는 스월 효과를 얻기 위하여 두 종류의 인젝터와 두 종류의 나선형 연료를 동시에 조합하여 사용하였다. 연구 결과는 연소율 증가를 최대로 하기 위한 산화제스월 유동과 나선형 연료의 조합에 관한 설계자료로 사용될 수 있을 것이다.
위의 4가지 경우에 대해서 실험을 실시하여 각 경우의 연소 특성을 살펴보고, 인젝터와 나선형 그레인의 최적조합에 대해 연구하였다. Table 4 는 각 경우에 따른 부피연소율을 나타낸 표이다.
하이브리드 로켓에서 공급되는 산화제에스월 유동을 적용하기 위해서 두 가지 형태의 인젝터를 설계하였다. 첫 번째 스월 인젝터fType I)는 산화제가 연료와 축-방향으로 정렬된 공급 포트의 접선 방향으로 공급되도록 설계하였다. 이러한 형상은 Yuasa 등이 사용한 방법이며 앞서 언급한 바와 같이 연료의 입구 쪽에 심한 불균형 연소를 발생시키는 단점이 존재한다.
하이브리드 로켓 연료의 연소율 향상을 위해서스월 유동을 이용한 방법과 나선형 그레인 방법의 두 가지 방법을 동시에 사용하여 연소율 증가가 최대가 되는 유동조건과 유동 특성에 대한 연구를 수행하였다. 스월유동을 적용하기 위해서 두 가지의 인젝터를 사용하였다.
하이브리드 로켓에서 공급되는 산화제에스월 유동을 적용하기 위해서 두 가지 형태의 인젝터를 설계하였다. 첫 번째 스월 인젝터fType I)는 산화제가 연료와 축-방향으로 정렬된 공급 포트의 접선 방향으로 공급되도록 설계하였다.

대상 데이터

나선형 그레인에 의한 연소율 증가를 모색하기 위하여 피치6과 피치 100인 두 종류 연료를 사용하였다. 스월유동이 없는 인젝터를 사용하면 피치 6그레인에서는 강한 난류의 발생에 따른 연소율 향상을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 사용한 고체연료는 중공을 갖는 PMMA, 산화제는 기체 산소를 사용하였으며 실험장치와 실험방법에 과한 자세한 서술은 참고문헌 [7-8]에 잘 언급되어 있다. Fig.
피치값은 연료가 한 바퀴 회전할 때 축방향으로 전진하는 거리로 정의되며 본 실험에서는 피치6과 100인 나선형이 가공된 연료를 사용하였다. 각 피치를 갖는 연료의 물리적 특성은 표 3에 요약되어 있다.

성능/효과

그러나 두 종류의 인젝터 모두 연료 입구에 불균형을 이루는 과도한 연소가 진행되었다는 공통점이 나타났다. 비록 Type II 인젝터를 사용할 때 스월 효과가 연료의 안쪽으로 좀 더 진행하여 불균형 연소가 완화된 결과를 보여주고 있으나 실용 로켓에인젝터를 사용하기 위해서 이처럼 국부적으로 발생하는 연소 불균형은 반드시 해결하여야 하는 문제이다.
이 현상은 인젝터에 의해 발생한 스월 유동이 연료 벽면과의 마찰로 인해 연료 입구에서 급격히 선회 유동이 소멸되고 있음을 의미하며 이로 인하여 이 부분에서 열전달이 매우 향상되었음을 나타낸다. 두 개의 인젝터에 의한 연소율 증가를 살펴보면 Type II 인젝터를 적용했을 경우에 스월에 의한 연소율 증가가 Type I에 비하여 상대적으로 연료의 축방향으로 더 넓은 범위에서 이루어지고 있음을 확인할 수 있다.
그러나 이 정도의 충전율의 변화가 각 연료의 연소 특성을 근본적으로 변화한다고 판단하지 않는다. 또한 기본형 연료의 연소면적에 비하여 피치6과 100인 연료의 연소면적은 모두 136-137% 증가되어 있음을 알 수 있다. 그러나 두 경우 거의 같은 크기의 연소면적의 증가가 있으므로 겉보기 물리적 차이는 없는 것으로 가정할 수 있다.
나선형 그레인에 의한 연소율 증가를 모색하기 위하여 피치6과 피치 100인 두 종류 연료를 사용하였다. 스월유동이 없는 인젝터를 사용하면 피치 6그레인에서는 강한 난류의 발생에 따른 연소율 향상을 확인할 수 있었다. 그러나 피치 100그 레인에서는 상대적으로 약한 난류가 생성되어 피치 6에 비하여 적은 연소율 향상을 얻었다.
스월인젝터와 나선형 그레인을 동시에 적용하여 실험한 결과에 의하면, Type n 인젝터와 피치 100그레인를 적용할 경우에 연소율이 가장 높은 증가를 이루었다. 이 경우 연소율의 향상은 인젝터에서 발생한 스월 유동이 나선형 그레인을 통해 연료의 출구까지 유지되었기 때문인 것으로 판단된다.
스월유동을 적용하기 위해서 두 가지의 인젝터를 사용하였다. 실험 결과 30도의 각도를 갖는 인젝터（스월 수 3.71）에서 더 높은 연소율 증가를 나타내었다. 그러나 두 가지인젝터 모두에서 공통으로 연료 앞부분에서 연소가 집중적으로 발생하는 현상이 발생하였다.
[4-6], 또한 이창진[7-8] 등은 연료 포트의 내부 형상을 나선형으로 구성하여 산화제 유동의 스월이 연소율 증가에 기여하는 효과를 실험하였다. 실험 결과에 의하면 나선형 형상을 한 연료에서는 그렇지 않은 경우에 비하여 스월 효과가 연료의 끝까지 지속되는 것을 확인하였으며 이로 인하여 연소율이 15% 정도 더 향상되는 것을 확인하였다. 그러나 스월인젝터를 사용하는 방법과 나선형 형상의 연료를 사용하는 방법이 각각 연소율 향상에 기여할 수 있음은 확인하였으나 두 가지 방법을 동시에 사용하는 경우 스월 효과와 나선형 연료가 연소율 증진에 미치는 상호작용에 대하여 아직도 많은 부분에 대한 연구와 실험이 진행되어야 한다.
Table 3에 나타난 부피연소율은 스월인젝터 를 사용하지 않고 실험한 결과이다. 실험 결과에 의하면 피치6을 갖는 연료의 부피연소율은 기본 연료에 비하여 20%의 증가를 나타냈고, 피치 100은 14%의 증가를 나타내었다. 즉 피치6의 경우에 대략 6% 정도 향상된 연소율이 증가하였다.
7은 각 경우의 연소실 압력을 보여주고 있는 그림이다. 실험이 진행된 산화제 유속 범위에서 피치6을 갖는 연료의 연소율이 가장 높게 나타났으며 피치 100 연료의 연소율은 다소 낮은 값을 보여주고 있다.
그러나 나선형 그레인이 있는 경우 산화제와 접촉하는 연소면적이 모두 37% 정도 증가하였음에도 불구하고 연소율의 증가는 14~20%에 그치 는 것은 유동에 의한 다른 영향이 있음을 의미한다. 즉, 나선형 그레인을 지나면서 난류가 발생하고 난류에 의한 열전달이 증가되어 연소율이 향상되는 것으로 판단된다. 그러나 난류에 의한 열전달의 향상이 모든 영역에 걸쳐 발생하기보다 는 연소면적의 일부분에만 영향을 미치며 따라서 연소율의 증가는 연소면적의 증가에 의한 예상치보다 작은 값을 나타내게 된다.

후속연구

실험 결과에 의하면 나선형 형상을 한 연료에서는 그렇지 않은 경우에 비하여 스월 효과가 연료의 끝까지 지속되는 것을 확인하였으며 이로 인하여 연소율이 15% 정도 더 향상되는 것을 확인하였다. 그러나 스월인젝터를 사용하는 방법과 나선형 형상의 연료를 사용하는 방법이 각각 연소율 향상에 기여할 수 있음은 확인하였으나 두 가지 방법을 동시에 사용하는 경우 스월 효과와 나선형 연료가 연소율 증진에 미치는 상호작용에 대하여 아직도 많은 부분에 대한 연구와 실험이 진행되어야 한다.
향후 계획으로 연료 앞부분에서의 연소 현상을 완화시키면서 전체적으로 고르게 연소율 향상되도록 하는 인젝터에 대한 연구가 필요하다. 그리고 이러한 인젝터의 유동조건에 따른 최적의 나선형 그레인 형상을 찾는 연구도 필요하다.
이렇게 산화제를 공급하면 Type I 인젝터에 비하여 산화제가 연료의 축방향으로 많은 운동량을 갖도록 할 수 있다. 따라서 스월 효과가 연료의 입구에 집중되는 현상을 완화할 수 있을 것으로 기대하였다. Fig.
연소율 중진에 나타나는 스월 효과를 얻기 위하여 두 종류의 인젝터와 두 종류의 나선형 연료를 동시에 조합하여 사용하였다. 연구 결과는 연소율 증가를 최대로 하기 위한 산화제스월 유동과 나선형 연료의 조합에 관한 설계자료로 사용될 수 있을 것이다.
향후 계획으로 연료 앞부분에서의 연소 현상을 완화시키면서 전체적으로 고르게 연소율 향상되도록 하는 인젝터에 대한 연구가 필요하다. 그리고 이러한 인젝터의 유동조건에 따른 최적의 나선형 그레인 형상을 찾는 연구도 필요하다.

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