[논문]액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건

이광진; 임병직; 서성현; 한영민; 최환석

[국내논문] 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건
Sub-System Requirements of a Pressure-fed Hot-firing Test Facility for the Performance Assessment of a LRE Thrust Chamber 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.4 = no.65, 2011년, pp.94 - 102

이광진 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 임병직 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 서성현 (한밭대학교 기계공학부) , 한영민 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 최환석 (한국항공우주연구원 연소기팀)

초록
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액체산소와 케로신을 사용하는 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건에 대해 기술하였다. 본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시험장 구축과 운용 경험을 바탕으로 도출된 것이다. 따라서 본 논문은 대형 연소시험설비의 설계 및 시공을 위한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sub-system requirements of a pressure-fed hot-firing test facility for performance assessment of a Liquid Rocket Engine(LRE) thrust chamber using Liquid oxygen and kerosene were described. These requirements were based on the experience of construction and operation of the ground hot-firing test facility which was used for the development of the KSR-III and a 30 tonf-class LRE thrust chamber. So it is expected that this paper is used as a basic material and an itemized previous review statement for the design and construction of a large hot-firing test facility.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

현재 계획 중인 대형 연소시험설비는 고압가스를 이용한 추진제 가압방식으로 그 규격은 Table 2와 같다. 고압가스를 이용한 방법 외에 터보펌프를 이용한 추진제 공급 방식도 있으나 아직까지 국내 기술로 실용화된 터보펌프가 없기에 대형 연소기 성능평가용 시험설비를 가압식 방법으로 구축하고자 한다.
액체산소와 케로신을 사용하는 우주발사체용 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건에 대해 기술하였다. 가압식 연소시험설비는 추진제를 대상 연소기에 공급하기 위한 매질로 고압기체를 사용하기 때문에 설비 구축에 사용되는 많은 부품이 높은 안전성과 신뢰성을 요구한다.
하지만 미국의 경우를 비롯해 많은 나라에서 알 수 있듯이 구축된 대형 시험 설비는 그 나라 우주개발의 원동력으로 작용하여 우주를 향한 지속적인 도전을 가능하게 해준다. 이에 본 논문에서는 엔진 구성요소 중 연소기의 성능평가에 필요한 연소시험설비의 구성 요구조건을 제시하여 향후 구축하고자 하는 설비의 기초자료로 활용하고자 한다.

제안 방법

점화물질 저장 및 충전설비는 개발 대상 연소기의 초기점화 방식에 따라 강한 자발착화성 물질(triethylaluminum 15%+triethylborane 85%)을 사용해야 하기 때문에 물질안전보건자료에 근거한 안전성을 최우선으로 구성해야 한다. Fig. 7은 AkzoNobel사에서 시험용기에 metal alkyl을 충전하는 과정을 공개한 자료이며[7], 항우연에서도 metal alkyl을 충전하는 설비를 구축하여 지난 KSR-III 엔진에서부터 75톤급 액체로켓엔진 연소기의 저압 연소시험까지 안전사고 없이 점화용 용기에 충전작업을 수행하였다. Table 4는 위와 같은 설비 요구조건을 바탕으로 선정한 연소기 연소시험설비의 저장탱크용량을 나타낸 것이다.
소화 설비의 매질은 이산화탄소, 소화약제(foam), 물, 가스질소 등 용도에 맞게 설치하도록 한다. 미연가스, 질소 및 산소의 누설을 감지 하는 점검시스템을 현장에 설치하고 이를 통제실에서 확인할 수 있도록 한다. 연소시험 전후 시험장 주변의 상황을 감시하기 위한 영상 설비와 시험결과 분석을 위한 고화질 고속도 영상 설비는 구분하여 구축한다.
본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시험장의 구축과 운용 경험을 바탕으로 도출한 것이다. 따라서 본 논문에서 기술된 사항들은 향후 구축하고자 하는 한국형발사체급의 대형 액체로켓엔진 연소기용 연소시험설비의 설계 및 시공 과정에서 발생할 수 있는 문제들에 대한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
산화제 런탱크의 수량은 탱크의 크기, 충전 완료 후 가압을 위한 얼리지(ullage) 그리고 연소시험 후 산화제 잔류량 선정에 따라 달라질 수 있으므로 이들에 대한 결정이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 산화제 런탱크 크기를 3 ㎥ 용기로 선정하였고, 얼리지는 런탱크 체적의 5%, 잔류량은 런탱크 체적의 20%로 계산하여 런탱크 수량을 결정하였다. 산화제 런탱크에 저장된 추진제를 연소기에 공급하기 위해서는 Fig.
연료 런탱크의 수량은 탱크의 크기, 충전 완료후 가압을 위한 얼리지 그리고 연소시험 후 연료 잔류량 선정에 따라 달라질 수 있으므로 이들에 대한 결정이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 연료 런탱크 용기의 크기를 1.3 ㎥로 선정하였고, 얼리지는 런탱크 체적의 5%, 잔류량은 런탱크 체적의 20%로 계산하여 런탱크 수량을 결정하였다. 연료 런탱크에 저장된 추진제를 연소기에 공급하는 방법은 산화제 공급 방식과 같은 Fig.
특히 얼리지 내 온도는 산화제 런탱크의 디퓨져(diffuser) 설계에 따라 큰 차이를 보이게 된다. 본 논문에서는 이 온도를 150 K로 선정하였으며 런탱크의 운용 압력은 13.5 MPa로 선정하여 연소시험 중 필요한 고압질소의 최대 유량을 계산하였다. 그리고 이 유량 값을 기준으로 필요한 돔 레귤레이터의 Cv값을 결정하였다.
9는 추력 150톤급 연소기 시험이 가능하도록 기본설계 과정에서 그려진 고추력 테스트 스탠드의 모습으로, 75톤급 액체로켓엔진 연소기가 이동식 크레인에 연결되어 소음저감장치 위에 안착 되는 모습을 보여준다. 본 시험설비에는 Fig. 9와 같은 고추력 테스트 스탠드 외에 Fig. 1에서 제시한 것처럼 저추력 테스트 스탠드를 구성하여 한국형발사체용 연소기 및 가스발생기의 성능평가 시험을 수행하도록 한다. 추력 측정은 축방향 측정을 기본으로 하며 연소기 설치에 따른 추진제 배관의 구속 상태를 점검할 수 있도록 교정 장치의 탈부착을 고려한 설계가 되도록 한다.
산화제 설비는 가압식 연소시험설비 중 산화제 저장, 공급 및 배출 부분을 다루며 연소기 규격에 맞춰 134초 이상의 연소시험을 수행할 수 있는 용량으로 선정하였다. 산화제 저장설비는 자연 증발율을 낮게 유지하도록 단열구조 형태를 가지며 저장탱크 내 압력제어가 가능해야 한다.
그리고 이 유량 값을 기준으로 필요한 돔 레귤레이터의 Cv값을 결정하였다. 산화제 설비를 운용하는데 필요한 고압질소 용기의 수량은 용기의 크기와 고압질소 용기의 가용압력 범위에 따라 차이가 발생하는데, 본 논문에서는 1 ㎥로 선정하여 40 MPa로 충전한 후 22 MPa로 감압 될 때까지를 유용한 고압질소 압력으로 간주하였다. 단, 연소기 퍼지 및 자동밸브 구동용 고압질소 용기는 런탱크 가압용 고압질소 용기와 구분하여 10 MPa까지 사용하는 것으로 하였다.
소화 및 안전 설비는 연소시험 설비의 특성상 화재의 위험이 다른 설비보다 현저히 높기 때문에 체계적으로 작동하고 활용 될 수 있어야 한다. 소화 설비의 매질은 이산화탄소, 소화약제(foam), 물, 가스질소 등 용도에 맞게 설치하도록 한다. 미연가스, 질소 및 산소의 누설을 감지 하는 점검시스템을 현장에 설치하고 이를 통제실에서 확인할 수 있도록 한다.
고압 액체산소 펌프와 기화기의 용량은 고압질소 저장탱크의 압력이 15 MPa에서 40 MPa로 24시간 내에 가능하도록 구성한다. 액체질소 저장탱크의 용량은 산화제 설비 및 연료 설비를 운용하는데 필요한 기체질소의 양과 연료를 냉각하는데 필요한 액체질소의 양 그리고 얼리지 10%와 펌프 구동을 위해 필요한 잔류량 5%를 고려하여 선정한다.
연료 저장설비는 화재방지를 고려하여 설계하며, 연료 저장탱크에서 런탱크로 연료 충전 시 연료 온도를 조절할 수 있는 열교환기를 설치 운용하도록 한다. 연료 온도를 낮추기 위한 추가설비로 연료 저장탱크에 LN2를 공급하여 연료의 온도를 낮춘 후 질소를 de-saturation 시키는 장치를 구축하도록 한다. Fig.
연료 설비는 가압식 연소시험설비 중 연료 저장, 공급 및 배출 부분을 다루며 연소기 규격에 맞춰 134초 이상의 연소시험을 수행할 수 있는 용량으로 선정하였다. 연료 저장설비는 화재방지를 고려하여 설계하며, 연료 저장탱크에서 런탱크로 연료 충전 시 연료 온도를 조절할 수 있는 열교환기를 설치 운용하도록 한다. 연료 온도를 낮추기 위한 추가설비로 연료 저장탱크에 LN2를 공급하여 연료의 온도를 낮춘 후 질소를 de-saturation 시키는 장치를 구축하도록 한다.
미연가스, 질소 및 산소의 누설을 감지 하는 점검시스템을 현장에 설치하고 이를 통제실에서 확인할 수 있도록 한다. 연소시험 전후 시험장 주변의 상황을 감시하기 위한 영상 설비와 시험결과 분석을 위한 고화질 고속도 영상 설비는 구분하여 구축한다. 통신 설비는 시험장 현황 전파, 통제구역 전파, 통제실 연락 등을 고려한 전이중 방식으로 구축하도록 한다.
제어 설비의 구성은 디지털 입력, 디지털 출력, 아날로그 입력, 아날로그 출력, TTL(transistor-transistor logic) 입력, TTL 출력 등으로 이루어지며, 이것들의 채널수는 유공압 P&ID(pipe and instrument diagram)의 구성에 따라 결정된다. 제어 설비의 운용은 HMI(human machine interface)를 활용하여 설비 사용자가 시험장 상태를 쉽게 확인할 수 있도록 하며, 앞서 언급한 자동시퀀스 및 비상정지시퀀스 변경이 HMI 프로그램에서 가능하도록 구성한다. 또한 시험동과 종합제어계측동 간의 거리를 고려하여 HMI용 PC와 PLC간의 통신에 장애가 없도록 이중화된 광통신을 사용한다.
연소시험 전후 시험장 주변의 상황을 감시하기 위한 영상 설비와 시험결과 분석을 위한 고화질 고속도 영상 설비는 구분하여 구축한다. 통신 설비는 시험장 현황 전파, 통제구역 전파, 통제실 연락 등을 고려한 전이중 방식으로 구축하도록 한다.

대상 데이터

2는 산화제 저장탱크에서 런탱크에 산화제를 충전하는 방식을 간략히 도시화한 것으로, 저장탱크 내 압력을 PID 제어로 상승시켜 공급하는 방법과 극저온 펌프를 이용하여 공급하는 방법을 보여준다. 산화제 저장탱크의 용량은 시험에 필요한 산화제 런탱크 및 배관 냉각 용량과 산화제 런탱크 및 배관 충전 용량 등을 고려하여 선정한다. 산화제 런탱크의 수량은 탱크의 크기, 충전 완료 후 가압을 위한 얼리지(ullage) 그리고 연소시험 후 산화제 잔류량 선정에 따라 달라질 수 있으므로 이들에 대한 결정이 선행되어야 한다.
연료 설비는 가압식 연소시험설비 중 연료 저장, 공급 및 배출 부분을 다루며 연소기 규격에 맞춰 134초 이상의 연소시험을 수행할 수 있는 용량으로 선정하였다. 연료 저장설비는 화재방지를 고려하여 설계하며, 연료 저장탱크에서 런탱크로 연료 충전 시 연료 온도를 조절할 수 있는 열교환기를 설치 운용하도록 한다.
5는 연료 저장탱크에서 런탱크로 공급되는 방식을 간략히 도시화한 것으로 펌프를 이용하여 충전을 하도록 하였다. 연료 저장탱크의 용량을 계산하기 위해서는 시험에 필요한 연료 런탱크 및 배관 충전 용량 등을 고려하여 선정한다. 연료 런탱크의 수량은 탱크의 크기, 충전 완료후 가압을 위한 얼리지 그리고 연소시험 후 연료 잔류량 선정에 따라 달라질 수 있으므로 이들에 대한 결정이 선행되어야 한다.

후속연구

본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시험장의 구축과 운용 경험을 바탕으로 도출한 것이다. 따라서 본 논문에서 기술된 사항들은 향후 구축하고자 하는 한국형발사체급의 대형 액체로켓엔진 연소기용 연소시험설비의 설계 및 시공 과정에서 발생할 수 있는 문제들에 대한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
이 과정에서 기술검증을 위해 Table 1의 규격으로 총 3기의 시제가 제작되었고[6], 저압조건에서 일부 연소시험이 수행되었다[4]. 이에 기 제작된 기술검증용 시제의 특성을 파악하고, 한국형발사체의 개발 계획을 순조롭게 진행하기 위해서는 무엇보다 정격조건에서의 성능평가가 가능한 시험설비의 구축이 시급하며, 이를 활용한 연소기의 특성을 파악하여 현실 가능한 자료를 확보하는 것이 필요하다고 하겠다. 현재 계획 중인 대형 연소시험설비는 고압가스를 이용한 추진제 가압방식으로 그 규격은 Table 2와 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소화 및 안전 설비 중 소화설비의 매질은 어떻게 선택되어야 하는가?	소화 및 안전 설비는 연소시험 설비의 특성상 화재의 위험이 다른 설비보다 현저히 높기 때문에 체계적으로 작동하고 활용 될 수 있어야 한다. 소화 설비의 매질은 이산화탄소, 소화약제(foam), 물, 가스질소 등 용도에 맞게 설치하도록 한다. 미연가스, 질소 및 산소의 누설을 감지 하는 점검시스템을 현장에 설치하고 이를 통제실에서 확인할 수 있도록 한다.
	엔진 구동 사이클은 무엇을 일컫는 말인가?	우주발사체 추진기관의 핵심요소인 액체로켓 엔진은 구동 사이클에 따라 구성요소들의 규격이 달라진다. 엔진 구동 사이클은 추진제를 연소실로 공급하는 형태를 일컫는 말로 추진제의 종류 및 그 나라의 기술 수준에 따라 여러 가지 형태 중에서 하나를 선택하게 된다. 우주발사체 후발 주자로서 우리나라는 현재까지 개발된 엔진 구동 사이클 중에서 연료 과잉 가스발생기를 사용하는 개방식 터보펌프 사이클 방식의 엔진을 개발 중에 있다[1].
	액체로켓엔진을 설계 제작하기 위해 필수적인 것은 무엇인가?	액체로켓엔진을 설계 제작하는 것은 다양한 개념 하에 각기 다른 방식으로 수행할 수 있으나, 엔진의 성능과 신뢰도를 검증하여 비행용 모델로 적합한지 판단하기 위해서는 무엇보다 충분한 추진제를 공급하여 원하는 시험을 수행할 수 있는 설비의 보유가 필수적이다. 이러한 설비는 엔진을 구성하는 단품 및 시스템 시험에 따라 구분되는데 대표적으로 연소기 연소시험설비, 터보펌프 시험설비, 추진제 공급계 시험설비 그리고 엔진 시험설비 등으로 나눌 수 있다.

참고문헌 (8)

조원국, 박순영, 문윤완, 남창호, 김철웅, 설우석, "한국형발사체 액체로켓엔진시스템," 한국추진공학회지, 제14권, 제1호, 2010, pp.56-64

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George P. Sutton "History of Liquid Propellant Rocket Engine," Library of Flight Series, AIAA, 2006
강동혁, 임병직, 문일윤, 서성현, 한영민, 최환석, "액체로켓 연소기 지상연소시험설비 운영 및 관리 기술," 한국추진공학회지, 제11권, 제3호, 2007, pp.43-49

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이광진, 강동혁, 김문기, 안규복, 한영민, 최환석, "75톤급 액체로켓엔진 연소기의 저압조건에서 수행된 연소안정성 시험," 한국추진공학회지, 제14권, 제5호, 2010, pp.92-100

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한국형발사체(KSLV-II) 개발사업 예비타당성 조사보고서, 한국과학기술기획평가원, 2009
이광진, 김종규, 임병직, 서성현, 한영민, 유철성, 최환석, "75톤급 액체로켓엔진 연소기의 기술검증 시제 제작," 한국추진공학회 제33회 추계학술대회논문집, 2009, pp.608-612
AkzoNobel, "Organometallic Specialities," AkzoNobel Polymer Chemicals, 2008
Francisco Canabal, Abdelkader Frendi, "Study of the Ignition Overpressure Suppression Technique by Water Addition," Vol. 43, No. 4, Journal of spacecraft and rocket, 2006

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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