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문제 정의
- 본 논문에서는 발사체의 추진제탱크를 모사하는 실험설비를 통해 극저온 추진제 배출 실험을 수행함으로써 얼리지의 가압에 필요한 가압가스의 요구량을 파악하였다. 실험을 통해 얼리지로 유입되는 가압가스의 온도조건 변화에 따른 가압가스 요구량의 변화와 얼리지 내부 온도분포를 측정하였다.
- 추진제탱크 얼리지 압력조건과 탱크 체적이 정해진 상태에서, 가압가스의 요구량은 발사체 비행 종료 시점의 얼리지 내부 온도 분포 혹은 평균 온도에 의해 결정된다. 따라서 각 실험조건에 있어서 추진제 배출 종료 시점의 얼리지 내부 온도분포를 비교해 보았다. Fig.
제안 방법
- 본 논문에서는 발사체의 추진제탱크를 모사하는 실험설비를 통해 극저온 추진제 배출 실험을 수행함으로써 얼리지의 가압에 필요한 가압가스의 요구량을 파악하였다. 실험을 통해 얼리지로 유입되는 가압가스의 온도조건 변화에 따른 가압가스 요구량의 변화와 얼리지 내부 온도분포를 측정하였다.
- 압력제어장치는 얼리지의 압력을 실험 조건에 맞게 제어하는 장치로서 솔레노이드밸브와 유로의 직경이 다른 오리피스의 조합으로 이루어져 있다(11). 가압배관에는 질량유량계와 온도센서를 설치하여 추진제탱크로 공급되는 가압가스의 유량과 탱크 입구에서의 온도를 측정하였다. 추진제 배출배관에는 오리피스를 장착하여 추진제의 배출유량을수동적으로 제어하였으며, 체적유량계를 설치하여 얼리지의 체적 변화를 간접적으로 측정할 수 있도록 하였다.
- 가압배관에는 질량유량계와 온도센서를 설치하여 추진제탱크로 공급되는 가압가스의 유량과 탱크 입구에서의 온도를 측정하였다. 추진제 배출배관에는 오리피스를 장착하여 추진제의 배출유량을수동적으로 제어하였으며, 체적유량계를 설치하여 얼리지의 체적 변화를 간접적으로 측정할 수 있도록 하였다.
- 디퓨저는 얼리지 내부로 유입되는 가압가스의 유속을 줄이고, 가압가스가 얼리지 내부에 고르게 분사될 수 있도록 하는 장치이다. 얼리지의 온도분포를 측정하기 위하여 추진제탱크 내부에 온도센서를 삽입하였다. 극저온 추진제와 고온의 가압가스에 의한 온도변화를 감지하기 위하여 열전대를 사용하였고, 실린더부에 탱크축 방향으로 20개를 설치하였다.
- 비응축성 가스를 사용하는 발사체 가압시스템의경우 일반적으로 극저온, 고압 상태로 저장된 가압가스를 엔진의 열교환기에서 고온으로 팽창시킨 후 추진제탱크로 공급하는 방식을 많이 사용한다. 본 실험에서는 등유버너에 의한 직접가열 방식을 사용하는 가열장치를 설치하여 가압가스 열교환기를 모사하였다.
- 극저온 추진제로는 안전을 고려하여 실제 추진제로 사용되는 액체산소 대신 액체질소를 사용하였고, 비응축성 가압가스로는 발사체와 동일하게 헬륨가스를 사용하였다. 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 실험변수로 하였고, 얼리지 압력, 추진제 배출유량, 추진제 배출시간은 동일하게 유지하고자 하였다. Table 2에 수행된 실험의 조건을 정리하였다.
- 실험은 추진제 충전, 가압배관의 예열, 추진제 탱크의 가압, 추진제 배출의 순서로 진행하였다. 실험설비에서 가압가스 가열장치와 추진제탱크 사이의 거리가 길고 1인치 배관으로 구성되어 있어, 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 실험조건에 맞추기 위하여 가압배관을 예열하였다.
- 실험은 추진제 충전, 가압배관의 예열, 추진제 탱크의 가압, 추진제 배출의 순서로 진행하였다. 실험설비에서 가압가스 가열장치와 추진제탱크 사이의 거리가 길고 1인치 배관으로 구성되어 있어, 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 실험조건에 맞추기 위하여 가압배관을 예열하였다. 가압가스의 온도를 실험조건에 맞추기 위하여 Fig.
- 실험설비에서 가압가스 가열장치와 추진제탱크 사이의 거리가 길고 1인치 배관으로 구성되어 있어, 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 실험조건에 맞추기 위하여 가압배관을 예열하였다. 가압가스의 온도를 실험조건에 맞추기 위하여 Fig. 1의 개략도와 같이 가열장치를 거친 고온의 헬륨가스와 바이패스 배관을 거친 상온의 헬륨가스를 혼합하는 방식을 사용하였다. 각 배관에는 수동밸브를 장착하여 본 실험을 수행하기 전에 특정 온도조건을 맞출 수 있는 밸브의 개도를 미리 설정하였다.
- 각 배관에는 수동밸브를 장착하여 본 실험을 수행하기 전에 특정 온도조건을 맞출 수 있는 밸브의 개도를 미리 설정하였다. 추진제가 배출되는 동안 얼리지의 압력제어를 위하여 별도의 제어 프로그램으로 구동되는 솔레노이드밸브와 오리피스의 조합을 사용하였다. 추진제 공급배관의 종단밸브를 개방하여 추진제가 배출되기 시작하는 시점부터 종단밸브의 차단시점까지를 실험구간으로 설정하였다.
- 추진제가 배출되는 동안 얼리지의 압력제어를 위하여 별도의 제어 프로그램으로 구동되는 솔레노이드밸브와 오리피스의 조합을 사용하였다. 추진제 공급배관의 종단밸브를 개방하여 추진제가 배출되기 시작하는 시점부터 종단밸브의 차단시점까지를 실험구간으로 설정하였다.
- 실험결과 각 실험 조건에 대하여 얼리지의 압력이 동일하게 유지되지 못하였으므로, 가압가스의 온도변화에 따른 가압가스 요구량을 단순 비교할 수는 없다. 이에 이상기체 상태방정식과 collapse factor의 개념을 적용하여 가압가스 온도변화가 가압가스 요구량에 미치는 영향을 간접적으로 비교하였다. Collapse factor는 얼리지 내부로 유입된 가압가스와 추진제탱크 벽면, 추진제 표면 등 주변과의 열 및 물질전달이 없는 경우의 가압가스 필요질량 대비 실제 유입된 가압가스의 질량비를 나타낸다(8,9).
- Figure 6, 7은 각각 가압가스 온도조건이 273 K인 경우를 기준으로 하여, 가압가스 온도조건 373 K, 473 K 실험의 얼리지 압력과 가압가스의 질량유량을 비율로 나타낸 것이다. 동일한 가압가스를 사용하였고 얼리지의 팽창 체적이 동일하므로 이상기체 상태방정식, PV = mRT으로부터 각 실험결과의 최종 얼리지 압력비는 가압가스의 질량과 평균온도를 곱한 값의 비율과 같아야 한다. 373 K 온도조건의 실험인 경우 273 K 조건 대비 얼리지의 최종 압력이 94.
- Table 3은 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도조건에 따른 collapse factor를 비교한 것이다. 먼저 실험데이터를 이용하여 얼리지 내부에서 열 및 물질전달이 없는 이상적인 경우의 가압가스 요구량을 계산하였다. Pt,final은 130 초 시점에 있어서의 추진제탱크 얼리지의 압력이다.
- Pt,final은 130 초 시점에 있어서의 추진제탱크 얼리지의 압력이다. 얼리지는 추진제가 배출되는 체적유량과 동일한 비율로 팽창한다고 볼 수 있으므로, 얼리지가 팽창한 체적, Vt,final은 비교 구간에서 추진제의 체적유량 데이터를 적분하여 구하였다.
- 가압가스의 온도 및 질량유량이 시간에 따라 변화하였으므로, 식 (1)을 사용하여 평균값을 구하였다. 계산된 값들과 헬륨의 가스상수, 2077Nm/kgK를 사용하여 이상적인 경우의 가압가스 요구량, mideal을 계산하였다.
- 본 연구에서는 극저온 추진제탱크를 가압하여 추진제를 배출하는 실험을 수행하였고, 가압가스의 온도 조건에 따른 가압가스 요구량을 비교하였다. 각 실험 조건에서 얼리지의 압력을 동일하게 유지하지 못하였으므로, 이상기체 상태방정식과 collapse factor 개념을 적용하여 가압가스 요구량의 변화를 간접적으로 분석하였다.
- 본 연구에서는 극저온 추진제탱크를 가압하여 추진제를 배출하는 실험을 수행하였고, 가압가스의 온도 조건에 따른 가압가스 요구량을 비교하였다. 각 실험 조건에서 얼리지의 압력을 동일하게 유지하지 못하였으므로, 이상기체 상태방정식과 collapse factor 개념을 적용하여 가압가스 요구량의 변화를 간접적으로 분석하였다. 가압가스의 온도가 높아질수록 실질적인 요구량 자체는 감소하였으나, 얼리지 내부에서 열 및 물질전달이 없는 경우에 비해 그 감소량은 훨씬 작게 나타났다.
대상 데이터
- 얼리지의 온도분포를 측정하기 위하여 추진제탱크 내부에 온도센서를 삽입하였다. 극저온 추진제와 고온의 가압가스에 의한 온도변화를 감지하기 위하여 열전대를 사용하였고, 실린더부에 탱크축 방향으로 20개를 설치하였다. 추진제탱크 외피의 온도변화를 측정하기 위하여 10개의 부착식 RTD 온도센서를 설치하였다.
- 극저온 추진제와 고온의 가압가스에 의한 온도변화를 감지하기 위하여 열전대를 사용하였고, 실린더부에 탱크축 방향으로 20개를 설치하였다. 추진제탱크 외피의 온도변화를 측정하기 위하여 10개의 부착식 RTD 온도센서를 설치하였다. 탱크 내부에는 발사체 추진제탱크를 모사하기 위하여 anti-sloshing baffle이 장착되어 있으며, 상부 돔 (dome)에는 얼리지 압력측정을 위한 압력센서를 부착하였다.
- 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 조절하기 위하여 가압가스 가열장치를 사용하였다. 비응축성 가스를 사용하는 발사체 가압시스템의경우 일반적으로 극저온, 고압 상태로 저장된 가압가스를 엔진의 열교환기에서 고온으로 팽창시킨 후 추진제탱크로 공급하는 방식을 많이 사용한다.
- 극저온 추진제로는 안전을 고려하여 실제 추진제로 사용되는 액체산소 대신 액체질소를 사용하였고, 비응축성 가압가스로는 발사체와 동일하게 헬륨가스를 사용하였다. 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 실험변수로 하였고, 얼리지 압력, 추진제 배출유량, 추진제 배출시간은 동일하게 유지하고자 하였다.
성능/효과
- 가압가스의 온도는 실험이 진행되는 동안 계속 증가하였으나 평균값은 비교적 실험조건을 잘 만족하였다. 그러나, 추진제가 배출되는 동안 얼리지의 압력제어가 조건에 맞게 이루어지지 않아, 실험 초기에는 얼리지 압력의 요동이 심하였고 시간이 경과함에 따라 4.
- 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도가 높아질수록 collapse factor의 값이 커졌는데, 이것은 얼리지 내부에서 가압가스와 주변과의 열 및 물질전달이 없는 이상적인 경우에 비해 실제 가압가스 요구량이 더 많아진다는 것을 의미한다. 상온의 추진제를 상온의 가스로 가압하는 경우를 이상적인 가압가스의 요구량으로 볼 때, 극저온 추진제를 고온의 가스로 가압하는 경우 본 연구의 실험조건에 대하여 약 2~3배의 가압가스를 더 필요로 함을 알 수 있다. 가압가스의 유입에 의해 추진제탱크로 공급된 에너지 대비 추진제를 배출하는 데 사용된 압력일 (PdVwork)의 비를 얼리지의 가압효율로 보았을 때, collapse factor가 높다는 것은 동일한 일을 수행함에 있어 더 많은 에너지가 필요하다는 것이므로 가압효율이 낮아지게 된다.
- 8은 130초가 경과한 시점에서 가압가스 온도 조건에 따른 얼리지 내부 온도분포를 비교한 것이다. 탱크로 유입되는 가압가스의 온도가 높아질수록 얼리지 내부의 온도도 높게 유지되었으나 얼리지 하부로 갈수록 온도가 더 급격하게 감소하였다. 이는 가압가스의 온도가 높을수록 주변과의 큰 온도차에 의해 더 많은 에너지를 빼앗기기 때문이다.
- 얼리지 내부 온도는 전체적으로 성층화된 온도분포를 지니면서 점차 증가하였다. 추진제 배출 초기에는 온도 변화가 급격하였으나, 시간이 경과함에 따라 내부 온도 분포는 안정화되어 전체적으로 증가하는 경향을 보여주었다. 탱크로 유입되는 가압가스의 온도 조건이 373 K, 273 K 인 경우에는 얼리지 상부의 온도에만 차이가 있을 뿐 전체적으로 유사한 온도변화 경향을 나타내었다.
- 각 실험 조건에서 얼리지의 압력을 동일하게 유지하지 못하였으므로, 이상기체 상태방정식과 collapse factor 개념을 적용하여 가압가스 요구량의 변화를 간접적으로 분석하였다. 가압가스의 온도가 높아질수록 실질적인 요구량 자체는 감소하였으나, 얼리지 내부에서 열 및 물질전달이 없는 경우에 비해 그 감소량은 훨씬 작게 나타났다. 실험의 가압가스 온도범위에 있어서 collapse factor는 2.
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