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논문 상세정보

500 N급 과산화수소/케로신 로켓엔진의 추진제 액적 분무와 증발을 고려한 연소 수치해석

Numerical Simulations on Combustion Considering Propellant Droplet Atomization and Evaporation of 500 N Class Hydrogen Peroxide / Kerosene Rocket Engine

초록

96% 과산화수소와 케로신을 추진제로 사용하는 500 N 급 로켓엔진에 대하여 추진제의 분무, 기화, 혼합, 연소를 포함하는 수치해석을 수행하였다. 1/6 조각의 연소실을 격자로 생성하였으며, 세 가지 종류의 액체상 추진제(케로신, 과산화수소, 물)가 속이 빈 콘 형태로 공급되는 분무를 모사하였고, Rosin-Rammler 함수에 따른 액적크기 분포를 가정하였으며, 연소 해석에는 와류소산모델을 사용하였다. 본 계산에서는 작은 연소실 크기, 그리고 과산화수소 및 물의 큰 잠열 및 비열로 인하여 평균 액적 크기 변화에 따라 큰 성능의 차이를 나타냈으며, 평균 액적 크기가 30 micron인 경우 가장 좋은 추진성능을 보여주었다.

Abstract

The numerical simulations on 500-N class rocket engine using 96% hydrogen peroxide and kerosene have been conducted, considering atomization, evaporation, mixing and combustion of its propellants. The grid containing 1/6 part of combustion chamber has been generated and it is assumed that 3 kinds of liquid-phase propellants (kerosene, hydrogen peroxide and water) were injected as hollow cone spray pattern, using Rosin-Rammler function for distribution of droplet diameter. For the calculation of combustion the eddy-dissipation model was applied. Owing to small size of combustion chamber and large specific heat / latent heat of hydrogen peroxide and water the propulsion characteristics were highly influenced by the size of droplet particles, and in this analysis the engine with droplet particles of 30 micron in average has shown the best propulsion performance.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
대형 우주발사체
대형 우주발사체에서 화학물질은 어떤 조합이 널리 사용되는가?
액체산소/액체수소, 액체산소/케로신, 사산화질소/UDMH 등의 조합이 가장 널리 사용

현재 대형 우주발사체에서는 액체산소/액체수소, 액체산소/케로신, 사산화질소/UDMH 등의 조합이 가장 널리 사용되고 있다. 이러한 조합은 우주발사체용으로서 추진성능 측면에서는 분명한 이점을 가지고 있으나, 극저온이거나 부식성, 혹은 독성을 가지고 있어 그 운용과 연구에는 많은 어려움을 보이고 있다.

로켓엔진 개발방향
최근의 로켓엔진 개발방향은 어떠한가?
성능 우선에서 탈피하여 저비용, 친환경을 지향하고 있다

이러한 조합은 우주발사체용으로서 추진성능 측면에서는 분명한 이점을 가지고 있으나, 극저온이거나 부식성, 혹은 독성을 가지고 있어 그 운용과 연구에는 많은 어려움을 보이고 있다. 또한 최근의 로켓엔진 개발방향은 성능 우선에서 탈피하여 저비용, 친환경을 지향하고 있다. 이러한 이유로 최근에는 일산화질소와 과산화수소를 로켓엔진의 산화제로 사용하는 연구가 여러 국가에서 소규모로 진행되고 있다.

로켓엔진의 추진제
로켓엔진의 추진제로 사용되는 연료와 산화제는 어떤 것이 있는가?
이원추진제 로켓엔진을 살펴보면 연료로는 수소계, 아민계, 하이드라진계, 탄화수소계, 암모니아계 등 매우 광범위한 종류의 화합물이 사용되었으나, 산화제로는 액체산소(LOx), 사산화질소(N2O4), 질산(HNO3), 과산화수소(H2O2), 일산화질소 (N2O) 등 매우 제한적인 종류의 화학물질만이 사용되어 왔다.

지금까지 로켓엔진의 추진제로는 다양한 종류의 화학물질이 사용되어져 왔다. 특히 이원추진제 로켓엔진을 살펴보면 연료로는 수소계, 아민계, 하이드라진계, 탄화수소계, 암모니아계 등 매우 광범위한 종류의 화합물이 사용되었으나, 산화제로는 액체산소(LOx), 사산화질소(N2O4), 질산(HNO3), 과산화수소(H2O2), 일산화질소 (N2O) 등 매우 제한적인 종류의 화학물질만이 사용되어 왔다.

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