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문제 정의
- 추력기가 blow-down 모드로 작동되면 시간에 따라 추력이 감소하게 되므로 blow-down이 아닌 pressure-regulated 모드로 공급압력을 일정하게 유지시켜주는 것으로 하였다. 반응기의 특성속도 효율은 최소 90 % 이상을 목표로 하였다. 밸브, 인젝터, 촉매대에서의 압력 강하를 고려하여 촉매대를 통과한 챔버에서 압력은 18 bar로 설정하였다.
- 본 논문에서는 상용 발사체에 적용할 수 있는 과산화수소 단일추진제 추력기의 개발을 목표로 하였다. 현재 개발하는 추력기를 적용하고자 하는 발사체가 정해지거나 추력기 요구조건이 결정된 상황이 아니므로 일반적인 상용 발사체에서 사용하는 추력 수준을 고려하여 100, 250 N을 가지는 두 가지 추력기 시제형을 설계 및 성능평가 하는 것을 연구 목표로 하였다.
- 본 논문에서는 상용 발사체에 적용할 수 있는 과산화수소 단일추진제 추력기의 개발을 목표로 하였다. 현재 개발하는 추력기를 적용하고자 하는 발사체가 정해지거나 추력기 요구조건이 결정된 상황이 아니므로 일반적인 상용 발사체에서 사용하는 추력 수준을 고려하여 100, 250 N을 가지는 두 가지 추력기 시제형을 설계 및 성능평가 하는 것을 연구 목표로 하였다.
제안 방법
- 이후, 최적 형상 모델에서 생성가스 온도, 특성속도, 추력 및 비추력 측정을 함으로써 추력기 성능을 검증하였다. 90 % 농도 과산화수소의 단열분해온도는 1022 K, 이론 특성속도는 936 m/s이며 실제 측정된 온도 및 특성속도를 통해 반응기 특성을 살펴보고 이론 값에 도달하는 정도를 살펴봄으로써 반응기 설계의 타당성 여부를 판단하였다.
- 발사체 적용을 고려한 100, 250 N 급 고추력 과산화수소 단일추진제 추력기의 설계 및 성능 평가를 수행하였다. 개발 모델을 제작하여 반응기 내부 설계 형상 확정하고 연속 작동 모드에서의 성능을 검증한 후, 검증 모델을 제작하여 펄스 모드 성능 검증을 수행하였다. 현재 모델에서는 반응기 특성속도 효율 95%, 비추력은 sea level 조건에서 123 s로 측정되어, 진공조건에서 162 s로 예측된다.
- 노즐은 sea level 최적 팽창 조건에서 추력 측정을 수행하여 이론 비추력 대비 실제 비추력을 측정하였고 검증 모델에서는 노즐 면적비 50을 가지는 진공 노즐을 설계하여 진공 추력을 간접적인 방법으로 예측하는 것으로 하였다. 검증 모델의 추력기는 개발 모델에서 반응기 벽 두께를 최소화 하는 등 부피 및 무게를 줄인 모델이며 고온에 노출되는 반응기 설계의 적절성을 변형 및 파열과 같은 구조적인 측면에서 실험을 통해 검증하였다.
- 노즐은 sea level 최적 팽창 조건에서 추력 측정을 수행하여 이론 비추력 대비 실제 비추력을 측정하였고 검증 모델에서는 노즐 면적비 50을 가지는 진공 노즐을 설계하여 진공 추력을 간접적인 방법으로 예측하는 것으로 하였다. 검증 모델의 추력기는 개발 모델에서 반응기 벽 두께를 최소화 하는 등 부피 및 무게를 줄인 모델이며 고온에 노출되는 반응기 설계의 적절성을 변형 및 파열과 같은 구조적인 측면에서 실험을 통해 검증하였다.
- 발사체 적용을 고려한 100, 250 N 급 고추력 과산화수소 단일추진제 추력기의 설계 및 성능 평가를 수행하였다. 개발 모델을 제작하여 반응기 내부 설계 형상 확정하고 연속 작동 모드에서의 성능을 검증한 후, 검증 모델을 제작하여 펄스 모드 성능 검증을 수행하였다.
- 또한, 추진제의 기화온도가 밸브 시트의 파손을 야기하지 않는 150 ℃ 미만이므로 열차단관이 없이도 실제 반응시험에서는 문제되지 않았다. 이런 특성으로 인해 과산화수소 단일추진제 추력기에서는 열차단관의 중요성이 상대적으로 낮은 것으로 판단하여 밸브와 추력기 사이의 적정 간격을 실험을 통해 결정하였으며 별도의 해석적인 접근 방법 없이 열차단관을 설치하였다.
- 따라서 추진제 및 생성가스가 촉매대를 통과하는 동안 압력 강하가 예측보다 크게 되면 추진제 공급압력 요구조건에서 설계 유량 보다 적은 추진제가 공급되어 설계 챔버압력을 형성시킬 수 없는 경우가 발생한다. 이런 특성을 고려하여 반응기 최적 형상 결정을 위해 서로 다른 형상의 반응기를 제작하여 시험함으로써 가장 적절한 반응기 크기 및 내부 형상을 결정하였다. 이후, 최적 형상 모델에서 생성가스 온도, 특성속도, 추력 및 비추력 측정을 함으로써 추력기 성능을 검증하였다.
- 추력기는 크게 인젝터를 포함하는 추진제 공급부와 추진제를 분해시키는 반응기 및 생성가스를 가속시키는 노즐부로 구성되며 추력기의 작동 특성상 반응기 설계가 가장 우선시 된다. 이에 설계 추력을 생성시키기 위해 도출된 추진제 유량을 완전히 분해시키기 위해 요구되는 촉매 반응기의 부피 및 형상(L/D)을 Fig. 1, 2의 접근 방법으로 결정하였다[13]. 반응기의 형상에 따라 추진제가 촉매대를 지나가는 유속이 결정되고 이는 촉매대 압력강하(Fig.
- 이런 특성을 고려하여 반응기 최적 형상 결정을 위해 서로 다른 형상의 반응기를 제작하여 시험함으로써 가장 적절한 반응기 크기 및 내부 형상을 결정하였다. 이후, 최적 형상 모델에서 생성가스 온도, 특성속도, 추력 및 비추력 측정을 함으로써 추력기 성능을 검증하였다. 90 % 농도 과산화수소의 단열분해온도는 1022 K, 이론 특성속도는 936 m/s이며 실제 측정된 온도 및 특성속도를 통해 반응기 특성을 살펴보고 이론 값에 도달하는 정도를 살펴봄으로써 반응기 설계의 타당성 여부를 판단하였다.
- 밸브, 인젝터, 촉매대에서의 압력 강하를 고려하여 촉매대를 통과한 챔버에서 압력은 18 bar로 설정하였다. 자세제어 시스템에서 사용하는 추력기의 주 작동 모드는 펄스 모드이므로 펄스 응답속도는 기존에 사용되고 있는 상용 하이드라진 추력기의 자료조사를 통해 이에 준하는 현실적인 수준으로 결정하였다. 단일추진제 추력기는 공급된 추진제가 촉매와 만나면서 분해되면서 생성가스를 만들고(Eq.
- 정상상태의 추력 및 비추력 특성은 밸브의 특성에 영향을 받지 않으나 펄스 응답특성은 밸브의 특성에 따라 차이를 보이게 되므로 정확한 응답성 측정을 위해 응답속도는 검증 모델에서 실제 추진제 밸브를 통합한 상태에서 측정하였으며 수차례 펄스를 통해 추진제 관 내부를 추진제로 완전히 채운 후, 추력기가 예열된 상태의 조건을 적용하였으며 펄스 시간은 1.0 s on/off로 주었다. 연속되는 밸브의 펄스 신호에 따른 챔버 압력의 측정 그래프 및 항목별 응답성 수치는 Fig.
- 최적 형상의 개발 모델에서 설계의 적절성을 검증한 후 개발 모델과 동일한 반응기 내부 형상을 가지면서 반응기 크기 및 무게를 최소화한 검증 모델을 설계 및 제작하였다(Fig. 6, 7). 추력기는 추진제 공급 밸브와 통합하였으며 검증 모델은 인젝터 수류 시험을 통해 개발 모델과 동일한 결과를 보이는지 일차적으로 확인한 후(Fig.
- 최종적으로 검증 모델에 밸브를 통합하여 밸브의 특성이 포함된 펄스 응답성을 측정함으로서 실제 추력기의 펄스 특성을 검증함으로써 추력기의 기본적인 특성을 일차적으로 검증하였다.
- 추력 측정은 LM 가이드 상에 추력기를 장착하여 추력이 작용하는 방향으로 자유도를 준 후, 로드셀을 이용하여 측정하였다. 추력 보정은 추진제 공급관에 실 매질을 채우고 시험하고자 하는 공급압력을 가하여 공급관의 강성을 실제 시험과 동일하게 만들어 준 상태에서 추력기 전/후방에 위치한 로드셀에서 측정되는 추력 값 차이를 측정함으로써 추진제 공급관, 각종 케이블, LM 가이드에서 작용하는 저항(약 2%)을 추력 측정값에 보정해 주는 방법을 사용하였다[17]. 추후, 높은 정밀도의 추력 측정을 위해서는 LM 가이드를 이용한 레일 식의 추력 측정 방법이 아닌 flexure를 적용한 추력 스탠드를 적용하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
- 추진제 설계유량에서 정상상태 특성을 검증하기 위해 연속작동 모드에서 추력, 압력, 비추력을 측정하였다. 추력 측정은 LM 가이드 상에 추력기를 장착하여 추력이 작용하는 방향으로 자유도를 준 후, 로드셀을 이용하여 측정하였다. 추력 보정은 추진제 공급관에 실 매질을 채우고 시험하고자 하는 공급압력을 가하여 공급관의 강성을 실제 시험과 동일하게 만들어 준 상태에서 추력기 전/후방에 위치한 로드셀에서 측정되는 추력 값 차이를 측정함으로써 추진제 공급관, 각종 케이블, LM 가이드에서 작용하는 저항(약 2%)을 추력 측정값에 보정해 주는 방법을 사용하였다[17].
- 6, 7). 추력기는 추진제 공급 밸브와 통합하였으며 검증 모델은 인젝터 수류 시험을 통해 개발 모델과 동일한 결과를 보이는지 일차적으로 확인한 후(Fig. 8), 반응기 벽 두께 설계를 포함하는 구조적인 설계의 적절성을 검증하기 위해 반응 시험을 추가적으로 수행하여 검증하는 절차를 거쳤다(Fig. 9).
- 추진제 농도는 90 %로 하여 100, 250 N을 낼 수 있는 추력기를 설정하였다. 추진제 공급 유량은 특성속도 및 비추력 손실을 10 % 정도 고려하여 결정하였으며, 추진제 공급압력은 일반적인 상용 하이드라진 추력기의 운용 조건을 고려하여 30 bar로 설정하였다. 추력기가 blow-down 모드로 작동되면 시간에 따라 추력이 감소하게 되므로 blow-down이 아닌 pressure-regulated 모드로 공급압력을 일정하게 유지시켜주는 것으로 하였다.
- 추력기 설계 요구조건은 Table 2와 같이 가상으로 설정하였다. 추진제 농도는 90 %로 하여 100, 250 N을 낼 수 있는 추력기를 설정하였다. 추진제 공급 유량은 특성속도 및 비추력 손실을 10 % 정도 고려하여 결정하였으며, 추진제 공급압력은 일반적인 상용 하이드라진 추력기의 운용 조건을 고려하여 30 bar로 설정하였다.
- 4 및 5에서 제시하였다. 추진제 설계유량에서 정상상태 특성을 검증하기 위해 연속작동 모드에서 추력, 압력, 비추력을 측정하였다. 추력 측정은 LM 가이드 상에 추력기를 장착하여 추력이 작용하는 방향으로 자유도를 준 후, 로드셀을 이용하여 측정하였다.
대상 데이터
- 검증 모델에서는 진공용 노즐을 설계하였으므로 실제 추력 측정은 진공 챔버를 통해 수행해야 하지만 현재 단계에서는 고유량을 소화할 수 있는 진공 챔버를 이용한 설비이용 등에 현실적인 제약이 있어 sea level 조건에서 측정된 개발 모델의 실험 데이터를 이용하여 진공 추력을 간단히 예측하는 것으로 하였다. 노즐 면적비에 따라 노즐 단면적에서 압력, 온도, 마하수, 추력계수, 비추력 등을 CEA 계산을 통한 결과는 Table 3과 같다.
- 1) 이 때 생성된 가스가 노즐을 통해 가속되면서 추력을 얻으므로 촉매의 역할이 매우 중요하다. 본 개발에서는 기 수행된 금속 및 금속 산화물 촉매의 반응 특성 결과를 참고 하여[6-11, 16] 최적 그레인 크기[12]를 가지는 금속 산화물 촉매를 적용하였다.
- 정밀하지 못한 유량 측정은 비추력 측정 오차를 유발하게 되므로 본 실험에서는 정밀도 ±0.5 %를 지니는 코리올리 유량계(AW company, ACM600)를 사용하여 유량을 측정하였다.
성능/효과
- 마지막으로 제작된 검증 모델 추력기의 크기, 무게 등을 같은 급의 상용 하이드라진 추력기와 비교한 결과(Table 7) 매우 유사한 제원으로 설계되었는데 이는 촉매 반응기를 포함하는 추력기 설계 과정이 적절하였음을 간접적으로 뒷받침하는 것으로 판단할 수 있다. 특히, 현재 모델에서 추력기 및 밸브를 추가적으로 소형화한다면 같은 추력 급의 하이드라진 상용 추력기에 비해 비추력은 떨어지지만 크기와 무게 면에서는 이점으로 작용할 수 있을 것으로 기대되며 이는 비추력에 덜 민감한 분야인 발사체에서는 긍정적인 요소가 될 수 있다.
- 실험 결과 추진제가 흐르는 조건에서 추진제 공급압력(밸브 상류) 27 bar일 때 추진제가 159 g/s로 공급되었으며 96 %의 특성속도 효율 및 192 N의 추력이 측정되어 비추력은 sea level에서 이론 비추력인 131 s의 94 %인 123 s로 측정되었다. 설계 조건으로 주었던 반응기 특성속도 효율이 90 %를 상회함으로써 우선적으로 촉매 반응기의 설계가 적절히 이루어졌음을 확인하였다.
- 실험 결과 추진제가 흐르는 조건에서 추진제 공급압력(밸브 상류) 27 bar일 때 추진제가 159 g/s로 공급되었으며 96 %의 특성속도 효율 및 192 N의 추력이 측정되어 비추력은 sea level에서 이론 비추력인 131 s의 94 %인 123 s로 측정되었다. 설계 조건으로 주었던 반응기 특성속도 효율이 90 %를 상회함으로써 우선적으로 촉매 반응기의 설계가 적절히 이루어졌음을 확인하였다.
- 현재 사용하는 밸브는 신호에서부터 밸브의 완전한 개폐에 걸리는 시간이 20 ms 이내로서 밸브 특성 향상을 통해 응답 속도의 향상을 추가적으로 기대할 수 있는 수준이다. 응답 특성 재연성을 살펴보면 반복되는 펄스에서 응답성 항목별 표준 편차가 1 ms정도로 펄스 재연성이 높은 특성을 보였다. 100N 급에 비해 250 N 급 추력기의 응답성이 조금 느린 것은 상대적으로 큰 추진제 관 직경, 밸브와 인젝터 사이의 매니폴더 부피 증가 등으로 추력기의 크기가 증가하면서 동반되는 현상으로 파악된다.
- 11 및 Table 6에서 제시하였다. 응답성 측정 결과 설계한 두 가지 추력기는 항목별로 61, 77 ms (A+B 항목) 및 97, 113 ms (C 항목)로서 설계 요구조건을 만족하고 있으며 상용 하이드라진 추력기의 특성 범주 이내의 값을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 현재 사용하는 밸브는 신호에서부터 밸브의 완전한 개폐에 걸리는 시간이 20 ms 이내로서 밸브 특성 향상을 통해 응답 속도의 향상을 추가적으로 기대할 수 있는 수준이다.
후속연구
- 추가적인 연구로서 진공조건에서의 성능 검증 및 우주 인증 시험이 진행되어 개발이 완료될 경우 고추력 추력기의 국내외 활용 가능성은 높을 것으로 기대되며 향후 다양한 응용분야에서 비행 이력을 가질 수 있도록 다각적인 연구를 수행할 계획이다.
- 추력 보정은 추진제 공급관에 실 매질을 채우고 시험하고자 하는 공급압력을 가하여 공급관의 강성을 실제 시험과 동일하게 만들어 준 상태에서 추력기 전/후방에 위치한 로드셀에서 측정되는 추력 값 차이를 측정함으로써 추진제 공급관, 각종 케이블, LM 가이드에서 작용하는 저항(약 2%)을 추력 측정값에 보정해 주는 방법을 사용하였다[17]. 추후, 높은 정밀도의 추력 측정을 위해서는 LM 가이드를 이용한 레일 식의 추력 측정 방법이 아닌 flexure를 적용한 추력 스탠드를 적용하는 것이 유리할 것으로 판단된다.
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