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문제 정의
- 본 논문에서는 한국형발사체용 75톤급 액체로켓엔진 시스템 설계[4] 결과로 도출된 요구사항을 충족시키기 위한 연소기의 설계와 그 기술적 고려사항에 대하여 기술하였다.
- 한국형발사체(KSLV-II) 75톤급 액체로켓엔진 연소기 개발을 위한 설계 과정에서 해석적 기반을 활용한 기술적 검토사항에 대해 기술하였다. 액체로켓엔진 연소기는 열적, 구조적으로 열악한 조건에서 작동하며, 로켓엔진 연소기가 본질적으로 갖는 위험 요소인 연소불안정성을 극복하기 위해 엄격한 설계 기준과 이에 대한 검증을 요구한다.
가설 설정
- 배플 설계에서 배플의 축방향 길이는 중요한 설계 인자이지만 이전의 연구 결과를 바탕으로 초기 설계 단계에서는 연소실 직경의 10%로 가정하였다. 설계 초기 단계에 Fig.
제안 방법
- 계산은 연소기가 작동을 시작하면서 냉각유로에 압력이 가해지고 점화가 되어 온도와 압력이 급격히 상승하는 천이구간을 거쳐 정상 작동상태에 도달하고, 이후 연소가 종료되면서 온도와 압력이 작동 전 상태로 돌아가는 천이(transient) 해석으로 수행하였다. 계산에서 경계조건으로 필요한 연소가스 온도와 재생냉각 유로 내의 케로신 온도 및 벽면에서의 대류열전달 계수는 앞서 기술한 추력실 냉각해석 결과를 사용하였다. 계산에는 헤드부와 동일하게 MSC.
- 15와 같다. 계산은 연소기가 작동을 시작하면서 냉각유로에 압력이 가해지고 점화가 되어 온도와 압력이 급격히 상승하는 천이구간을 거쳐 정상 작동상태에 도달하고, 이후 연소가 종료되면서 온도와 압력이 작동 전 상태로 돌아가는 천이(transient) 해석으로 수행하였다. 계산에서 경계조건으로 필요한 연소가스 온도와 재생냉각 유로 내의 케로신 온도 및 벽면에서의 대류열전달 계수는 앞서 기술한 추력실 냉각해석 결과를 사용하였다.
- 본 논문에서 제시한 연소기 설계 과정 및 이에 수반되는 제반 해석적 검토 방법들은 30톤급 액체로켓 연소기 자력개발 과정에서 체계화되고 시험 결과와의 비교 등을 통해서 정확도의 개선 및 신뢰도의 향상이 이루어 진 것이다.
- 배플 설계에서 배플의 축방향 길이는 중요한 설계 인자이지만 이전의 연구 결과를 바탕으로 초기 설계 단계에서는 연소실 직경의 10%로 가정하였다. 설계 초기 단계에 Fig. 7에 도시한 것과 같이 단일 또는 이중 허브(hub)에 복수의 스포크(spoke)를 갖는 다양한 배플 형상을 검토하였다. 연소불안정 발생 가능성이 있는 1차 및 2차 접선방향 음향 모드(1T, 2T)의 공진주파수에 대해 배플이 설치되는 경우에 대한 감쇠인자비(damping factor ratio)를 Fig.
- 또한 제작과정 중에 수행하는 브레이징과 같은 고온 열처리에 의해 소재의 기계적, 물리적 성질이 변하므로 이러한 사항을 구조 설계에 반영하여야 한다. 연소기 헤드에서 두 개의 수직 분배기와 돔 커버를 연결하기 위해 용접을 적용하는데 구조해석 시 용접의 효과를 고려하기 위해 용접부의 용입 깊이와 용접 비드(bead)의 형상을 고려하여 모델링하고 해석을 수행하였다. 구조 해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 MSC.
- 연소기의 냉각방식은 연소압력과 임무 연소시간을 고려하여 재생냉각 방식으로 결정하였으며, 초기 점화는 강한 자발착화성을 가진 10~15%의 TEA(triethylaluminum)와 TEB(triethylborane)의 혼합물을 사용하여 높은 점화 신뢰성을 추구하였다.
- 연소기는 헤드부(mixing head)와 연소실부, 노즐부로 크게 구분되며, 연소실부와 노즐부는 냉각을 위해 사각 단면 형상으로 가공된 냉각유로를 갖는 내피(inner liner)와 구조적으로 이를 에워싸면서 지지하는 외피(outer jacket)의 이중벽 구조로 되어있다. 열유속이 큰 연소실과 노즐목부의 추가적인 냉각을 위해 연소실부 입구와 노즐목부 시작 지점에 막냉각 벨트(film-cooling belt)를 설치하였다.
- 연소기의 연료 및 산화제 입구에서부터 각각의 유동 경로를 거쳐 최종적으로 분사기를 통해 연소실로 공급되는 과정에서 유로 각 부분에서 압력 손실이 발생하게 된다. 이 값을 예측하여 설계에 반영하기 위하여 수력학 해석을 수행한다.
- 연소기의 추력실부는 고온의 연소가스에 노출되어 연소압을 받는 동시에 냉각 유로에도 높은 압력이 작용한다. 추력실의 전형적인 단면 형상은 Fig. 14와 같으며 연소기 작동환경에서 추력실의 구조적 건전성을 평가하기 위해 축 방향 위치 중 대표적 단면에 대해 열-구조해석을 수행하였다. 해석 지점은 연소가스의 온도가 가장 높은 지점, 냉각유로의 폭이 가장 넓은 지점, 열하중이 가장 큰 지점 등 열적, 기하학적 조건에서 구조적으로 가장 취약한 특성을 보이는 복수의 단면을 선정하였다.
- 연소실과 노즐의 재생냉각 유로 설계를 위해서는 열해석이 필요하며, 이를 위해 로켓엔진 연소기 전용 열해석 프로그램을 사용한다. 해석은 연소실과 노즐을 길이 방향으로 적절한 개수의 섹션으로 나누고 각 섹션에서 반경 방향으로 대류와 전도를 고려한 일차원 복합열전달을 수행한다. 연소실 벽면으로의 복사 열전달을 고려할 수 있으며, 연소실 내벽의 열차폐 코팅과 연소실에서의 막냉각 효과를 고려할 수 있다.
대상 데이터
- 75톤 연소기의 연소압력은 가스발생기 사이클을 채택한 해외 엔진 사례 및 국내 선행연구 경험을 고려하여 6.0 MPa로 선정하였다. 연소기 내부의 화학모델을 이동화학평형(shifting chemical equilibrium)으로 가정할 경우 Fig.
- 이러한 해석적 검토가 연소안정성 여부에 대한 절대적 기준을 제시하지는 못하지만 서로 다른 배플 형상에 대한 상대적 비교 관점에서는 설계에 유용한 정보를 제공해 준다. 실제 설계에는 B5 형상을 채택하였으며 설계된 배플 형상은 Fig. 3에나타낸 것과 같다. 배플의 주요 설계인자로서 유해 음향모드의 파장 길이 λ에 대한 배플에 의한 구획의 내부 길이 wmax의 비를 정의한다.
- 14와 같으며 연소기 작동환경에서 추력실의 구조적 건전성을 평가하기 위해 축 방향 위치 중 대표적 단면에 대해 열-구조해석을 수행하였다. 해석 지점은 연소가스의 온도가 가장 높은 지점, 냉각유로의 폭이 가장 넓은 지점, 열하중이 가장 큰 지점 등 열적, 기하학적 조건에서 구조적으로 가장 취약한 특성을 보이는 복수의 단면을 선정하였다. 냉각유로가 원주방향으로 반복성을 가지므로 Fig.
이론/모형
- 구조 해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 MSC.Marc®[13]를 사용하였다.
- 냉각 유로를 갖는 배플분사기의 설계를 위해 상용 해석 프로그램인 Fluent[11]를 사용하여 유로 내부의 대류열전달과 내부 몸체 및 외피에서의 열전도를 동시에 고려한 복합열전달 해석을 수행하였다[10]. 효율적인 계산을 위해 Fig.
- 해석에는 액체로켓 엔진 연소기의 음향안정성 평가에 적용할 목적으로 개발한 3차원 선형 음향해석 전용코드[8]을 사용하였다. 이 프로그램은 convected Helmholtz equation을 유한요소법으로 풀이한다.
- 6과 같이 초기각 θn과 출구각 θe을 변화시켜가며 추력 성능해석을 수행하여 θn-θe 평면에서 진공 비추력이 최대가 되는 지점을 찾으면 최적 노즐 형상을 결정할 수 있다. 추력성능 예측에는 이동화학평형을 고려한 비점성 압축성 유동해석을 적용하였다.
- 연소불안정을 제어하기 위한 수동제어기구로 가장 널리 쓰이는 것이 배플(baffle)이며, 75톤급 연소기 배플의 형상을 예비설계 단계에서 해석적으로 검토하였다[7]. 해석에는 액체로켓 엔진 연소기의 음향안정성 평가에 적용할 목적으로 개발한 3차원 선형 음향해석 전용코드[8]을 사용하였다. 이 프로그램은 convected Helmholtz equation을 유한요소법으로 풀이한다.
성능/효과
- 13에 나타내었다. 국부적인 영역을 제외하면 최대 응력이 재료의 항복 응력 이하로 나타나 구조적으로 안정한 것으로 평가되었다.
- 발사체시스템 요구사항에 따른 엔진시스템 절충설계 결과로 추진제 조합과 엔진 사이클, 시동방식 등의 주요 사항이 결정되고, 엔진시스템 성능 요구사항을 달성하기 위한 서브시스템 요구사항이 도출된다. 연소기 설계에 가장 중요한 성능 인자인 추력 및 비추력 요구사항은 한국형 발사체 1단용 75톤 엔진 연소기의 경우 진공 추력 74.
- 11에 나타내었다. 배플분사기 외벽에 가해지는 열유속을 7 MW/m2로 가정한 경우 냉각 유로를 지나면서 케로신의 평균 온도는 약 125 K 상승하였으며, 동합금 외벽 (w1)의 최대 온도는 소재가 기계적 강도를 유지하는 700 K 이하로 나타났다.
- 8에 나타내었다. 배플이 없는 경우(B0)에 비해 음향학적 감쇠 능력이 현저하게 상승함을 확인할 수 있으며, 배플의 개수가 가장 많은 B3, B5 형상이 음향학적 감쇠능력이 가장 뛰어난 것으로 나타났다. 이러한 해석적 검토가 연소안정성 여부에 대한 절대적 기준을 제시하지는 못하지만 서로 다른 배플 형상에 대한 상대적 비교 관점에서는 설계에 유용한 정보를 제공해 준다.
- 차압 계산에서 연료인 케로신의 밀도와 점성계수는 온도의 함수로 고려하여 냉각유로에서 온도 상승에 따른 케로신 물성치 변화를 고려할 수 있다. 수력학 해석 결과 설계점 작동 조건에서 연료 측 차압은 21 bar 정도로 예측되었다.
- 연소기의 연소압과 혼합비 등은 동일한 추진제를 사용하여 선행연구로 수행되었던 30톤급 연소기[2]와 동일하게 설정되었으며, 연소특성속도는 30톤급 연소기 개발 경험을 바탕으로 당시 설계 목표값 1,710 m/s보다 증가시킨 1,730 m/s로 설정하였다.
- 열-구조해석 결과 최대온도에서의 응력분포 및 연소기 작동 종료 후 잔류 소성변형률 분포로부터 실제 연소기 작동 조건에서 재생냉각 연소실 및 노즐부가 구조적으로 안전하게 설계되었음을 확인하였다.
- 해석 결과 연소가스와 접하는 연소실 벽면의 최대 온도는 640 K, 최대 열유속은 17.3 MW/m2 정도로 예측되었다.
후속연구
- 엄정한 설계기준 및 해석적 검토에 기반을 둔 연소기 설계는 향후 개발시험 과정에서 나타날 수 있는 문제들을 사전에 배제하여 설계 사이클을 단축시킴으로써 개발 일정 및 비용 측면에서 효율적인 개발을 가능하게 할 것으로 기대한다.
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