[논문]과산화수소/케로신을 사용하는 액체로켓엔진의 촉매 점화기 설계에 관한 연구

채병찬; 이양석; 전준수; 고영성

과산화수소/케로신을 사용하는 액체로켓엔진의 촉매 점화기 설계에 관한 연구
A Study on Design of a Catalytic Ignitor for Liquid Rocket Engine using Hydrogen Peroxide and Kerosene 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.6 = no.67, 2011년, pp.56 - 62

채병찬 (LIG넥스원(주) 기계연구센터 2팀) , 이양석 (충남대학교 항공우주공학과) , 전준수 (충남대학교 항공우주공학과) , 고영성 (충남대학교 항공우주공학과)

초록
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본 연구에서는 과산화수소와 케로신을 사용하는 소형 이원추진제 액체로켓엔진의 점화원으로서, 과산화수소의 촉매 반응에 의한 고온의 분해 가스와 케로신의 자연 발화를 이용하는 촉매형 점화기에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 점화기를 설계하기 위해 열역학적 상용코드프로그램인 CEA를 사용하여 점화기 유량 및 혼합비를 선정하고 촉매형 점화기를 설계/제작하였으며, 점화 성공 및 지연 등을 판단하기 위한 가시화창과 분해 가스의 온도 분포를 파악하기 위한 열전대 장착이 가능한 연소실을 설계제작하였다. 분해 가스 유속을 결정하는 고정링(fixed ring)의 출구 면적 변화와 혼합비 변화에 따른 점화 성능 시험을 수행하였다. 결과적으로 쵸킹 면적보다 큰 출구 면적에서와 혼합비 6~8 사이에서 안정적인 점화 성능을 보임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study on design of a catalytic ignitor was performed to use an ignition source for a small bi-propellant liquid rocket engine which use hydrogen peroxide and kerosene as propellants. In the catalytic ignitor, hot gas of hydrogen peroxide which was decomposed by a catalyst induced autoignition of kerosene. Mass flow rate and O/F ratio for the ignitor were calculated by CEA code. A combustion chamber which had a quartz window and thermocouples was manufactured to determine whether the ignition is successful. Ignition performance was investigated according to exit area of fixed rings and mixture ratio. Results showed that reliable ignition performance was achieved at non-choking exit area of fixed ring and O/F ratio of 6~8.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 중 촉매 점화 방식은 타점화 방법과 다르게 별도의 전력이 필요하지 않고, 단순한 시스템으로 구성되어 인공위성 자세 제어용 추력기와 같이 소형 엔진에 사용하기에 유리하다. 따라서 본 연구에서는 촉매(catalyst) 점화 방식을 사용하는 점화기에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 과산화수소와 케로신을 사용하는 차세대 액체로켓엔진의 선행 개발을 위하여, 과산화수소/케로신 엔진의 점화를 위한 촉매형 점화기에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 향후 자세제어나 궤도전이용 엔진으로 사용될 수 있는 저추력급의 과산화수소와 케로신을 사용하는 이원 추진제 액체로켓 엔진의 점화기를 개발하기 위하여, 촉매와 반응한 고온의 과산화수소 분해가스에 케로신을 분사하여 자연 발화를 일으키는 촉매형 점화기를 설계/제작하였다. 분해된 고온의 가스의 유속을 결정하는 fixed ring 출구 면적이 쵸킹 면적보다 큰 경우에만 안정적인 점화가 일어남을 확인하였고, 혼합비 6~8 사이에서 안정적이고 신뢰성 있는 점화가 가능함을 확인하였다.
점화 시험에 앞서 fixed ring을 통과하는 고온 가스의 온도를 측정하였고, 시험에 사용한 농도 95%의 과산화수소는 이론적인 촉매 반응 가스의 온도가 882℃이다[2]. 연소실에 장착된 4개의 K type 열전대로부터 측정된 온도 분포를 통해 반응 균일성을 확인하고자 하였다.

제안 방법

Ignitor body는 내부에 촉매가 채워지고 과산화수소가 유입되어 실제 과산화수소와 촉매 반응이 이루어지는 곳으로서, shower head 타입으로 설계하여 내부의 촉매와 공급된 과산화수소가 균일하게 접촉할 수 있도록 하였다. 상부 판에는 엔진 상부의 오리피스에 의해 공급되는 수평방향의 8개의 홀과 ignitor body 내부 공급 유로인 shower head 타입의 ∅1.
점화기는 주 추진제가 공급될 때 충분한 점화 에너지를 공급해야 하므로 점화 온도가 높은 것이 유리하며, 다양한 혼합비에서도 안정적인 점화 성능을 확보하는 것이 중요하다. 따라서 CEA code를 이용하여 과산화수소와 케로신의 혼합비(O/F)에 따른 화염온도 및 초기 과산화수소 온도변화에 따른 화염온도를 계산하였다[4]. Fig.
과산화수소와 촉매의 화학 반응을 통해 발생하는 반응 가스는 유속이 매우 빠르기 때문에, fixed ring 출구 면적에서 쵸킹이 발생 할 수 있다. 따라서 제작된 5개 구간의 fixed ring을 사용하여 점화시험을 수행하였고, 시험 운용 조건은 설계 혼합비 조건에서 과산화수소 5초 리드에 점화시간은 3초로 일정하게 유지하였다.
연소실 측면에 가시화창을 만들어 점화 시 발생하는 점화 지연 및 초기 화염 발생 지점을 확인할 수 있도록 설계 제작하였다. 또한 과산화수소-촉매 반응가스 온도와 연소실 내부 온도를 측정하기 위해 4개의 온도 센서 포트를 두도록 하였다. 그리고 가시화창은 석영 재질을 사용하여 점화 시 발생하는 고온 환경에서도 견딜 수 있도록 하였다.
5와 같이 연소실의 직경은 70mm, 길이는 107mm이다. 연소실 측면에 가시화창을 만들어 점화 시 발생하는 점화 지연 및 초기 화염 발생 지점을 확인할 수 있도록 설계 제작하였다. 또한 과산화수소-촉매 반응가스 온도와 연소실 내부 온도를 측정하기 위해 4개의 온도 센서 포트를 두도록 하였다.
따라서 촉매를 사용한 점화기를 설계할 경우, fixed ring 출구 면적을 쵸킹이 발생하지 않도록 하는 것이 매우 중요하다. 쵸킹 면적을 계산하기 위해 Table 2에서 보는바와 같이 CEA code를 통해 과산화수소와 촉매가 반응할 때 발생하는 고온 가스의 물성 값을 계산하였다[4]. 그리고 쵸킹 유량식 Eq.
따라서 케로신 분사기는 분무성능과 최적화된 크기가 모두 고려되어 설계되어야 한다. 케로신 분사기의 경우 요구되는 사양에 맞는 상용 분사기가 없기 때문에, 설계 차압과 유량에 맞추어 분산각과 미립화 성능이 우수하도록 Fig. 4와 같은 동축 스월형 분사기를 설계 제작하였다[7].
Table 5는 혼합비 변화에 따른 점화 시험 결과를 보여주고 있다. 혼합비는 설계 유량인 과산화수소 14 g/s로 고정하고 케로신 유량을 1.5~3 g/s 범위 내에서 변화시키면서 시험을 수행하였다. 이 때 케로신 유량을 1.

대상 데이터

32mm²으로 계산되었다. Fixed ring 출구 면적(즉 쵸킹 여부)에 따른 점화 성능을 파악하기 위하여 Table 3과 같이 5개 구간의 면적을 선정하여 설계 제작하였다.
과산화수소 분사기는 Fig. 3에서 보는바와 같이 크게 ignitor cap, ignitor body, fixed ring으로 총 3개의 부품으로 구성되어 있다. Ignitor cap은 점화기 내부로 유입되는 과산화수소가 외부로 새지 않도록 기밀 역할을 수행하기 위한 것으로서, cap 안쪽 부분에는 copper seal이 들어가도록 하였다.

성능/효과

이것은 혼합비가 작아질수록 연료보다 산화제 양이 상대적으로 작고, 그로 인해 점화에너지가 부족하여 점화지연과 실패가 나타난다고 볼 수 있다. 그러나 혼합비 변화에 따른 점화 시험을 통해 넓은 혼합비에서의 점화 영역이 존재한다는 것을 알 수 있었고, 혼합비 6에서 8사이에서 점화기를 운용하는 것이 가장 안정적이라고 판단된다.
본 연구에서는 향후 자세제어나 궤도전이용 엔진으로 사용될 수 있는 저추력급의 과산화수소와 케로신을 사용하는 이원 추진제 액체로켓 엔진의 점화기를 개발하기 위하여, 촉매와 반응한 고온의 과산화수소 분해가스에 케로신을 분사하여 자연 발화를 일으키는 촉매형 점화기를 설계/제작하였다. 분해된 고온의 가스의 유속을 결정하는 fixed ring 출구 면적이 쵸킹 면적보다 큰 경우에만 안정적인 점화가 일어남을 확인하였고, 혼합비 6~8 사이에서 안정적이고 신뢰성 있는 점화가 가능함을 확인하였다. 향후 fixed ring 출구 면적을 세분화하여 추가 연구를 지속적으로 수행하고, 열적/구조적으로 안전한 설계 구간을 선정하여 이원추진제 액체로켓엔진에 장착 시 장시간 연소가 가능하도록 촉매 점화기에 대한 연구를 추가적으로 수행할 예정이다.

후속연구

그러나 각각의 소요 임무에 따른 여러 가지 형태의 액체로켓엔진 시스템의 개발을 연구소나 산업체 차원에서 선행으로 진행하기에는 무리가 있다. 따라서 학계에서 각각의 소요 임무에 맞는 새로운 추진제 조합에 따른 체계적인 선행 연구를 통하여, 향후 국내에서 소요되는 차세대 액체로켓엔진 시스템의 개발을 위한 초석을 마련하는 것이 필요하다.
그러나 현재까지 국내에서 개발하고 있는 액체로켓엔진 시스템은 케로신-액체산소를 사용하는 액체로켓엔진 시스템 외에 메탄-액체산소 액체로켓엔진 시스템이 일부 기업에서 연구되고 있는 것이 거의 전부인 상태이다. 하지만 향후 국내에서 개발해야 할 고성능 발사체의 경우 현재 대부분의 대형 우주 발사체에서 사용하고 있는 staged combustion cycle의 액체로켓엔진 시스템의 개발이 필요함과 동시에, 상단 엔진이나 자세 제어, 궤도 진입 등의 각각의 소요 임무에 따른 새로운 형태의 로켓엔진 시스템의 개발이 요구된다. 그러나 각각의 소요 임무에 따른 여러 가지 형태의 액체로켓엔진 시스템의 개발을 연구소나 산업체 차원에서 선행으로 진행하기에는 무리가 있다.
분해된 고온의 가스의 유속을 결정하는 fixed ring 출구 면적이 쵸킹 면적보다 큰 경우에만 안정적인 점화가 일어남을 확인하였고, 혼합비 6~8 사이에서 안정적이고 신뢰성 있는 점화가 가능함을 확인하였다. 향후 fixed ring 출구 면적을 세분화하여 추가 연구를 지속적으로 수행하고, 열적/구조적으로 안전한 설계 구간을 선정하여 이원추진제 액체로켓엔진에 장착 시 장시간 연소가 가능하도록 촉매 점화기에 대한 연구를 추가적으로 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자세제어나 RCS 용으로 사용하기 위한 엔진은 무엇이 중요한가?	자세제어나 RCS 용으로 사용하기 위한 엔진들은 재점화 성능이 우수해야 하며, 점화기의 무게 등을 최소화하는 것이 매우 중요하다. 과산화수소와 케로신을 추진제로 사용하는 이원추진제 로켓 엔진의 점화방법으로는 electro spark, glow plug, catalyst 등 다양한 방법으로 연구가 수행되고 있다[3].
	친환경 차세대 추진제로서 관심을 받고 있는 추진제는 무엇이 있는가?	현재 친환경 차세대 추진제로서 관심을 받고 있는 추진제는 크게 과산화수소(H2O2, Hydrogen Peroxide)와 메탄이 있으며, 이 중 과산화수소는 고밀도, mono-propellant 특성, non-cryogenic, 저독성 및 취급의 용이성 등으로 인하여 항공우주 추진기관이나 동력 시스템에 널리 적용된 오랜 역사를 가지고 있다[1-3]. 그러나 2차 세계대전 이후 Shell 405라는 하이드라진 촉매가 개발 되면서 상대적으로 고성능이며 장기간 저장성이 우수한 하이드라진으로 대체되면서 과산화수소의 사용이 현격히 감소되었으며, 이원추진제로서도 보다 고성능인 액체산소 및 사산화질소로 대체되었다.
	과산화수소 분사기의 부품중 ignitor cap은 어떤 역할을 수행하는가?	3에서 보는바와 같이 크게 ignitor cap, ignitor body, fixed ring으로 총 3개의 부품으로 구성되어 있다. Ignitor cap은 점화기 내부로 유입되는 과산화수소가 외부로 새지 않도록 기밀 역할을 수행하기 위한 것으로서, cap 안쪽 부분에는 copper seal이 들어가도록 하였다. 또한 cap 중앙 부분에 케로신 분사기를 고정할 수 있도록 하였다.

참고문헌 (7)

M. Ventura, and P. Mullens, (General Kinetics, LLC) "The Use of Hydrogen Peroxide for Propulsion and Power, 35th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1999, AIAA-1999-2880
하성업, 권민찬, 서견수, 한상엽, "발사체 추진제로서 과산화수소의 과거와 미래전망," 한국항공우주학회지, 제37권, 제7호, 2009, pp.717-728

원문보기 상세보기
김선진, 이양석, 고영성, "친환경 추진제인 과산화수소와 액체메탄의 활용역사와 연구 동향," 한국추진공학회지, 제14권, 제3호, 2010, pp.46-58
NASA Lewis research center, "CEA(chemical equilibrium with applications"
김보연, 이양석, 김근철, 고영성, 김유, 김선진, "과산화수소/케로신 단일 인젝터 설계 및 혼합비에 따른 연소특성," 한국추진공학회 춘계학술대회, 2010, pp.81-84
이양석, 전준수, 황오식, 고영성, 김유, 김선진, "친환경 추진제를 이용한 200N급 엔진의 설계 및 성능에 관한 연구," 군사과학기술학회지, 제13권, 제6호, 2010, pp.1180-1187
L. Bayvel and Z. Orzechowski, Liquid atomization, Taylor & Francis, 1993

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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