[논문]75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비 기본설계

임병직; 서성현; 김문기; 강동혁; 한영민; 최환석

[국내논문] 75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비 기본설계
Preliminary Design of Test Facility for 75-tonf-Class Liquid Rocket Engine Combustor 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.14 no.5 = no.60, 2010년, pp.84 - 91

임병직 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 서성현 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 김문기 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 강동혁 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 한영민 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 최환석 (한국항공우주연구원 연소기팀)

초록
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75톤급 액체로켓엔진의 성공적인 개발을 위해서는 각 구성품에 대한 다수의 시험이 수행되어야 하며 이러한 상황은 연소기에서도 동일하다. 하지만 한국항공우주연구원에서 운용 중인 시험설비는 75톤급 연소기를 정상 추력으로 수행하기에는 부족하다. 연소기 개발 시험에 착수하기 이전에 시험설비는 준비가 되어야 하기 때문에 시험설비의 구축이 급박하다. 본 논문에서는 이와 같은 필요성으로 수행한 75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비의 기본설계 내용을 기술한다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the successful development of 75-tonf-class liquid rocket engine, a plenty of tests on each engine component have to be performed and this is equally true for a combustor. However the test facility which is in operation at Korea Aerospace Research Institute lacks its capacity to perform fire tests of a 75 tonf class combustor at its nominal thrust. Since the test facility has to be ready prior to the start of development tests, it is very urgent to establish the test facility. The preliminary design of a test facility for a 75 tonf class combustor which was performed according to such a necessity is described in the paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

사용 예정인 소화설비의 매질은 이산화탄소, 소화약제(foam), 물, 가스질소 등 용도에 따라 다양하다. 또한 고압 질소가스를 다량으로 사용하기 때문에 질식 사고를 방지하기 위한 대기 중산소 농도를 감시하는 설비도 위험 구역마다 설치하고 산소 농도에 대한 정보가 제어실에서 확인 가능하도록 구성된다. 방송설비는 시험 준비 과정이나 시험과정에서 통신을 가능하게 하는 통신설비와 영상을 기록하는 영상설비가 포함된다.
본 논문에서는 설비에 대한 시급한 필요성에 따라 수행하였던 75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비에 대한 기본설계 결과를 제시한다.
본 논문은 75톤급 액체로켓엔진의 구성품인 연소기 개발에 필요한 시험설비의 기본설계 수행결과를 제시한 것으로 상세설계를 수행하기 위한 기본적인 설비배치 및 장비의 규격이 도출 되었으며 설비에 대한 운용개념을 정립할 수 있었다. 앞으로 상세설계를 통한 시험설비 구축을 진행하기 위해서는 설비에 대한 규격, 즉 개발 연소기에 대한 인증시험 조건과 설비 공동 활용 범위 등이 구체화되어야 한다.

제안 방법

따라서 압력에 의한 압축성 효과만을 고려하면 1.2∼1.3배의 질량이 필요하지만 안정적인 연소시험을 위해 1.5배로 선정하여 설비 용량을 계산하였다(Eq. 8).
산화제 시험용기 진공단열 방식으로 구성되며 용량 계산에는 용기 충전최대량(90%), 와류 현상에 의한 가스 유입 방지를 위한 최소 잔류요구량(25%), 배관과 밸브 등 추진제 공급부 냉각을 위해 소모되는 양(5%)이 고려되어 용기 용량의 60%를 사용하는 것으로 용량을 계산하였다(Eq. 1). 산화제 저장용기는 역시 진공단열 방식이며 용기 충전최대량(90%), 최소 잔류요구량(10%), 추진제 공급부와 시험용기 냉각량, 산화제 시험 용기 충전량(시험용기 부피의 85%) 등을 고려하여 계산되었다(Eq.
1). 산화제 저장용기는 역시 진공단열 방식이며 용기 충전최대량(90%), 최소 잔류요구량(10%), 추진제 공급부와 시험용기 냉각량, 산화제 시험 용기 충전량(시험용기 부피의 85%) 등을 고려하여 계산되었다(Eq. 2). 시험용기의 냉각에 소모되는 액체산소의 양이 실제 시험 상황보다 많게 계산이 되는 것은 고압조건에서 작동하는 시험 용기 특성으로 인해 용기 질량이 늘어나고 고압 용기 제작한계에 의해 작은 부피의 용기(Eq.
산화제와 연료 가압 및 퍼지를 위해서 필요한 기체질소 저장용기 용량(Eq. 7, 8)에 맞춰서 기체 질소제조 펌프의 토출 유량과 기화기의 처리 용량이 16 시간 충전조건에 맞춰 결정되었다. 액체 질소 저장용기 용량은 산화제와 연료 시험용기 가압과 퍼지에 필요한 기체 질소를 1회 공급할 수 있는 규격과 최대 저장량(90%), 최소 잔류량 (10%), 필요에 의해 사용될 수 있는 연료 냉각용 량을 여분으로 설정(10 m³)하여 결정되었다(Eq.
방송설비는 시험 준비 과정이나 시험과정에서 통신을 가능하게 하는 통신설비와 영상을 기록하는 영상설비가 포함된다. 시험대와 제어실의 명확하고 원활한 의사소통을 통해 안전을 확보하고 불필요하거나 보고되지 않은 작업을 차단한다. 영상 및 주변감시를 위한 카메라는 20여개를 활용할 예정이며, 시험대에 설치되는 카메라는 고화질(HD급) 제품으로 활용하여 시험결과 분석 및 선명한 영상획득이 가능하도록 한다.
액체질소 저장용기, 기체질소 저장용기, 기체 질소제조 펌프와 기화기(Table 3)는 연소기 규격 (Table 4)에 맞는 연소시험을 270초 동안 수행하기 위해서 필요한 기체질소를 15 MPa에서 40 MPa까지 16 시간(2일)에 충전할 수 있는 펌프와 기화기의 용량을 선정한 것이다.
유사한 방식으로 연료 시험용기는 최대 충전량(90%), 최소 잔류요구량(25%), 가압후 배관내 기포제거 양(5%)을 고려하였다. 연료 저장용기는 연료의 재보충 작업에 따르는 번거로움을 해소하기 위해 2회 연소시험이 가능한 용량으로 시험용기 충전(시험용기의 85%), 설비 배관 충전량을 고려하여 선정되었다(Eq.
0배 정도로 더 크게 벌어질 것이다. 이와 같은 상황에서 안정적인 연소시험을 위해 안전율을 고려하고 30톤급 연소기 시험설비 운용 경험을 바탕으로 이상기체 계산결과의 5배 기체 질소가 필요한 것으로 규정하고 용량을 계산하였다. 여기에 추가적으로 시험용기와 연소기, 배관에 대한 퍼지 유량이 포함되어 연소시험 상황 에서 산화제 측에 필요한 기체 질소 용량이 계산된다(Eq.
이를 만족시키기 위해 기체질소 저장용기와 연료, 산화제 시험용기 사이에는 일정 수준 이상의 차압이 확보되어야 한다. 이와 같은 조건을 만족시키기 위해 기 운영 중인 30톤급 연소기 시험설비의 경험을 바탕으로 시험용기 가압압력의 1.3배 혹은 5.0 MPa 이상의 차압 중에서 큰 값을 연소시험 종료 시기체질소 저장탱크에 요구되는 최소 압력으로 규정한다. 이 조건에 따라 연소시험이 종료되는 시점에서 산화제와 연료 가압용 기체질소 저장 용기의 압력은 각각 18.

대상 데이터

시험대와 제어실의 명확하고 원활한 의사소통을 통해 안전을 확보하고 불필요하거나 보고되지 않은 작업을 차단한다. 영상 및 주변감시를 위한 카메라는 20여개를 활용할 예정이며, 시험대에 설치되는 카메라는 고화질(HD급) 제품으로 활용하여 시험결과 분석 및 선명한 영상획득이 가능하도록 한다.
계기의 작동과 정확한 데이터 기록을 위해 앰프가 기본적으로 시험대 가까운 곳에 설치되며 펌프와 같은 고전류 장비의 전원선과 분리하여 배선하고 접지도 적절히 구성되도록 한다. 측정되는 데이터는 크게 저주파와 고주파로 나눠질 수 있으며 각 데이터 간에 시간지연이 발생 하지 않도록 구성된다. 저주파로 측정되는 온도, 압력, 유량, 수위 등의 데이터는 채널수 350개, 최대 1 kHz의 주기로 측정가능하며 고주파로 측정되는 가속도, 압력섭동 등은 채널수 50개, 최대 100 kHz의 주기로 측정가능하다.

데이터처리

소음저감설비의 직경에 따른 유입 공기량과 냉각수 유량, 최종 배기가스 조성, 소음 수준(소음원 1m 위치) 등에 대한 계산은 연소가스 중화 반응 계산 프로그램(FAKEL)을 통해 이루어졌다. 연소가스 유입부와 확장부의 직경을 각각 3.

성능/효과

7, 8)에 맞춰서 기체 질소제조 펌프의 토출 유량과 기화기의 처리 용량이 16 시간 충전조건에 맞춰 결정되었다. 액체 질소 저장용기 용량은 산화제와 연료 시험용기 가압과 퍼지에 필요한 기체 질소를 1회 공급할 수 있는 규격과 최대 저장량(90%), 최소 잔류량 (10%), 필요에 의해 사용될 수 있는 연료 냉각용 량을 여분으로 설정(10 m³)하여 결정되었다(Eq. 9).
소음저감설비의 직경에 따른 유입 공기량과 냉각수 유량, 최종 배기가스 조성, 소음 수준(소음원 1m 위치) 등에 대한 계산은 연소가스 중화 반응 계산 프로그램(FAKEL)을 통해 이루어졌다. 연소가스 유입부와 확장부의 직경을 각각 3.5 m와 4.2 m로 선정하고 수행한 계산 결과에서 소음기 출구부 소음 수준이 최대 124 dB로 나타났으며 거리에 따른 소음감쇠 식(Eq. 10)에 따르면 100 m 위치에서는 76 dB, 200 m 위치에서는 70 dB로 소음은 복잡한 도로 수준(70 db)으로 충분히 감쇠시킬 수 있다.
또한 설비의 중복 투자에 따른 예산 낭비를 최대한 방지하고 개발 일정에 차질이 발생하지 않도록 하기 위해 엔진 및 서브시스템 시험설비에 대한 종합적 고려와 집적화도 필요한 상황이다. 이와 같이 기술적인 부분과 정책적인 부분에 대한 논의 결과로 75톤급 액체로켓엔진 관련 시험설비를 나로우주센터 내(Fig. 1의 ② 위치)에 구축하는 것으로 잠정적으로 결정되었다.

후속연구

또한 앞서 언급한 바와 같이 연소기, 터보펌프, 엔진 등의 시험설비 집적화와 설비 공유에 따라 변경될 가능성도 존재한다. 또한 고압용기와 기체질소 제조 기화기는 전체용량을 맞추기 위해 작은 용량을 가진 다수의 동일 장치를 설치하여야 하 는 상황으로 이에 대해서는 상세설계 단계에서 타 설비들에서 운영되고 있는 상용 물품에 대해 제작 및 수급 가능성, 운영 및 유지보수의 타당성 등이 추가로 검토될 예정이다.
앞으로 진행될 한국형발사체 개발사업은 미진한 부분에 대해서 기술력을 끌어올리고 실용화 시키는 중요한 단계가 될 것이다. 이러한 기술 중에서 가장 중요한 부분은 추진기관 혹은 로켓 엔진 기술이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	75톤급 연소기에 대한 시험에 대한 설비는 무엇을 활용하여 수행되었는가?	한국항공우주연구원(이하 항우연)에서는 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 개발시험을 항우연 원내 지상연소시험설비를 활용하여 수행하였으며[1] 동일한 설비를 이용하여 75톤급 연소기에 대한 시험이 작동성 확인 수준에서 수행되고 있다. 하지만 30톤급 연소기와 75톤급 연소기의 규격 차이와 유량 및 총 추진제 필요량 증가, 유량 증가 및 추진제 저장용량 증가로 인한 안전거리 확보 문제로 원내 지상연소시험설비를 활용해서는 75톤급 연소기의 정상추력 설계작동시간 연소시험이 불가능할 것으로 예측되고 있다.
	국내의 발사체 관련 기술은 무엇을 통하여 시작했다고 보는가?	국내의 발사체 관련 기술은 소형위성발사체 (KSLV-I) 개발 사업을 통해 발사체 선진국으로 진입하기 위한 중요한 이정표를 마련한 상태이다. 상단의 독자개발을 통해 획득한 기술력과 경험, 러시아와의 공동 작업을 통한 지상설비 구축, 검증 및 운용, 발사체와 지상설비가 연동되어 수행한 종합 인증시험의 요구조건 도출 및 시험절차 수립 등에 대한 체계적 업무수행 능력 확보 등 소형위성발사체 개발 사업을 통해 발사체 및 발사대에 대한 수많은 정보와 노하우를 습득하였다.
	한국형발사체 개발사업에서 가장 중요한 기술은 무엇인가?	앞으로 진행될 한국형발사체 개발사업은 미진한 부분에 대해서 기술력을 끌어올리고 실용화 시키는 중요한 단계가 될 것이다. 이러한 기술 중에서 가장 중요한 부분은 추진기관 혹은 로켓 엔진 기술이다. 사람들의 가장 큰 관심의 대상이고 다양한 논의가 진행되고 있으나 로켓엔진에 대해서는 독자개발을 목표로 하는 한국형발사체 개발사업이기 때문에 로켓엔진 개발에 필요한 여러 가지 기반설비들이 갖추어져야 한다.

참고문헌 (3)

한영민 외 6인, "30톤급 액체로켓엔진 연소기 재생냉각 연소시험결과," 제30회 한국추진공학회 춘계학술대회 논문집, 2008, pp.133-137.
강동혁 외 5인, "액체로켓 연소기 지상연소 시험설비 운영 및 관리 기술," 한국추진공학회지, 제11권, 제3호, 2007, pp.43-49

원문보기 상세보기
임병직 외 8인, "75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비 기본설계," 제33회 한국추진공학회 춘계학술대회 논문집, 2009, pp.353-358

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