[논문]발사체 연소기용 산화제 개폐밸브의 핵심요소 기술 개발

김도형; 홍문근; 박재성; 이수용

doi:10.6108/kspe.2013.17.6.113

발사체 연소기용 산화제 개폐밸브의 핵심요소 기술 개발
Study for the Development of a Main Oxidizer Shut-off Valve for Liquid Rocket Engines 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.6, 2013년, pp.113 - 119

김도형 (Part#3 Aerospace R&D Center, Aerospace Division, Hanwha TechM) , 홍문근 (KSLV-II R&D Program Executive Office, Korea Aerospace Research Institute) , 박재성 (KSLV-II R&D Program Executive Office, Korea Aerospace Research Institute) , 이수용 (KSLV-II R&D Program Executive Office, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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발사체 연소기용 산화제 개폐밸브는 비교적 간단한 개폐 작동을 통해, 액체산소를 연소기에 공급 또는 차단한다. 고압, 고유량, 극저온의 액체산소를 운용 유체로 사용할 뿐만 아니라, 설계유량 대비 밸브 차압 또한 낮아야 하는 상당히 까다로운 개발요구조건을 가지고 있다. 본 논문에서는 현재 개발 중인 연소기용 산화제 개폐밸브의 밸브 과도 응답과 같은 기본적인 밸브 특성과 함께, 밸브 성능을 좌우하는 핵심 부분이라고 할 수 있는 밸브 공압 구동부 및 포핏/시트부의 개발 내용을 소개하였다. 밸브의 과도 응답 특성 해석 결과가 시험 측정결과와 매우 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 구동 공압부 및 포핏/시트부 구조해석을 통해 밸브 무빙파트의 접촉면 반발력과 마찰력을 정량적으로 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A main oxidizer shut-off valve (MOV) controls the supply of cryogenic liquid oxygen to the combustion chamber of liquid rocket engines by on/off operations. The main subjects to be introduced are not only the valve transient response during valve on/off procedures but also the characteristics of pneumatic and seat/poppet parts as core technologies in the development of the MOV, which is expected to be adopted for the Korea Space Launch Vehicle II. It is shown that the analytical prediction of the transient valve travel is in good agreement with experimental results. Friction and elastic forces on the valve moving part are quantitatively evaluated by structural analysis.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

밸브의 과도 특성 해석 결과가 시험 측정결과와 매우 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 구동 공압부 및 포핏/시트부 구조해석을 통해 접촉면 반발력 등 밸브 설계에 필요한 자료를 정량적으로 획득하였다. 또한 공압부 도금 재질별 특성과 시트 재질 강도 변화에 설계 내용을 간단히 소개하였다.
본 논문에서는 발사체 연소기용 산화제 개폐밸브의 개발과 관련하여 주요핵심기술이라고 판단되는, 밸브 행정과 연관된 밸브 과도 특성과 함께 공압부 및 시트부로 대표되는 구동 기밀부에 대한 개발 내용을 소개하고자 하였다. 밸브의 과도 특성 해석 결과가 시험 측정결과와 매우 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 구동 공압부 및 포핏/시트부 구조해석을 통해 접촉면 반발력 등 밸브 설계에 필요한 자료를 정량적으로 획득하였다.
유량계수, 밸브 전체의 구조적 안정성 등 다양한 다른 개발요구조건들이 있지만, 연소기용 산화제 개폐밸브 개발 내용을 소개하는 본 논문에서는 두 가지 부분에 대한 내용만을 우선 다루기로 한다. 이 두 가지는 현재까지의 개발 경험을 통해 연구 개발 난이도가 상대적으로 높다고 판단되는 부분으로써, 밸브의 과도 특성 해석과 구동 공압부 및 포핏/시트부 등 작동 기밀부의 구조해석이다.

가설 설정

축대칭 요소를 사용하며 시트와 포핏 간에는 hard contact, frictionless 접촉 조건을 부가하였다. 포핏은 강체요소로 가정하며 시트 소재의 소성변형에 따른 재료 비선형성을 고려하였다. 포핏을 해석 초기에 시트와 접촉시키고 아래 방향으로 설계된 0.

제안 방법

2번째 해석 시 시트 내부의 잔류 응력을 제거하지 않으면 반복에 따른 추가 소성 변형과 반발력 변화가 발생하지 않으므로 2번째 해석 초기에 잔류 응력을 제거하였다. 5회 반복 해석을 수행하여 포핏과 시트간의 간격과 반발력 변화를 계산하였다. 시트 두께 0.
2에 나타내었다. 공압부 구동가스로는 질소를 사용하였으며, 공압부 압력과 밸브 행정은 각각 Sensys사 압력센서와 RDP Electronics사의 변위측정기(ACT2000A모델)로 측정하였다. 한편, 시험의 편의성을 고려하여 운용유체가 없는 상황(F_h=0)에서 시험을 수행하였으며, 밸브 행정을 계산하기 위해 공압부 압력은 Eq.
A_e는 구동가스 공급라인의 오리피스 면적을 의미하며, P와 P_a는 각각 구동가스 공급압력과 공압부 내부압력을 나타낸다. 따라서 P와 P_a의 압력비 조건에 따라 구동가스의 질유량을 계산하였다.
시트의 소성 잔류 변형에 따라 초기 접촉하였던 포핏과 시트는 1회 해석 이후에 간격이 발생한다. 반복 작동에 따른 간격과 반발력 변화를 확인하기 위하여 해석 종료 시점의 변형형상을 기준으로 반복 해석을 수행하였다. 2번째 해석 시 시트 내부의 잔류 응력을 제거하지 않으면 반복에 따른 추가 소성 변형과 반발력 변화가 발생하지 않으므로 2번째 해석 초기에 잔류 응력을 제거하였다.
접촉면에서 기본적으로 기밀을 유지하여야 하며, 동시에 적절한 수준의 마찰력이 발생하여야 한다. 밸브 내벽 몸체에는 고강도 코팅을 적용하고, 콜러 및 피스톤 접촉면에는 기밀 및 윤활 성능이 우수한 금속을 코팅하는데, 일반적으로 적용되는 금, 아연, 니켈-보론의 세 가지 코팅 방법을 적용하여 기밀 및 작동성능을 확인하였다. 러시아 우주발사체용 액체로켓 엔진용 극저온 밸브의 몸체 소재로 널리 사용되고 있는 3X12HTMTPY와 유사한 기계적 특성을 가지면서, 국내에 수급 가능한 대표적인 소재로는 15-5PH (H1150-M)와 A-286 (AMS 5737) 등이 있다.
본 논문에서는 발사체 연소기용 산화제 개폐밸브의 개발과 관련하여 주요핵심기술이라고 판단되는, 밸브 행정과 연관된 밸브 과도 특성과 함께 공압부 및 시트부로 대표되는 구동 기밀부에 대한 개발 내용을 소개하고자 하였다. 밸브의 과도 특성 해석 결과가 시험 측정결과와 매우 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 구동 공압부 및 포핏/시트부 구조해석을 통해 접촉면 반발력 등 밸브 설계에 필요한 자료를 정량적으로 획득하였다. 또한 공압부 도금 재질별 특성과 시트 재질 강도 변화에 설계 내용을 간단히 소개하였다.
우선 콜러 및 피스톤 접촉에 의해 발생하는 마찰력 수준을 예측하기 위해 구조해석을 수행하였는데, 구조해석 모델은 Fig. 4와 같다. 축대칭 요소를 사용하였으며 부쉬와 피스톤 간에는 hard contact 조건을 부가하였고, 소성거동에 따른 재료 비선형성을 고려하였다.
6에서 시트부 해석에 사용된 구조해석 모델을 확인할 수 있으며, 고려된 시트의 재질은 07X21Γ7AH5와 XM-19이다. 축대칭 요소를 사용하며 시트와 포핏 간에는 hard contact, frictionless 접촉 조건을 부가하였다. 포핏은 강체요소로 가정하며 시트 소재의 소성변형에 따른 재료 비선형성을 고려하였다.
4와 같다. 축대칭 요소를 사용하였으며 부쉬와 피스톤 간에는 hard contact 조건을 부가하였고, 소성거동에 따른 재료 비선형성을 고려하였다. 피스톤 및 콜러를 고정하고 밸브 몸체인 부쉬를 강제 끼워 맞춤 수준까지 이동시키면서 콜러 및 피스톤 접촉에 의한 반발력 변화를 계산하였다.
포핏은 강체요소로 가정하며 시트 소재의 소성변형에 따른 재료 비선형성을 고려하였다. 포핏을 해석 초기에 시트와 접촉시키고 아래 방향으로 설계된 0.6 mm 변위 경계조건을 부가하여 반발력을 계산하였다. 시트의 소성 잔류 변형에 따라 초기 접촉하였던 포핏과 시트는 1회 해석 이후에 간격이 발생한다.
축대칭 요소를 사용하였으며 부쉬와 피스톤 간에는 hard contact 조건을 부가하였고, 소성거동에 따른 재료 비선형성을 고려하였다. 피스톤 및 콜러를 고정하고 밸브 몸체인 부쉬를 강제 끼워 맞춤 수준까지 이동시키면서 콜러 및 피스톤 접촉에 의한 반발력 변화를 계산하였다.

대상 데이터

15-5PH는 극저온 취성이 높으나, 열팽창율이 작은 장점이 있는 반면 A-286은 반대로 열팽창율이 높으나, 극저온에서 취성이 낮은 장점을 지니고 있다. 세 가지 소재에 대해 피스톤 및 콜러 변형에 따른 반발력 해석을 수행하였으며, 금, 아연, 니켈-보론 코팅을 적용하여 기밀 및 작동 성능을 확인하기 위한 시험에서는 A-286를 피스톤과 콜러의 소재로 사용하였다.

성능/효과

1을 직접 이용하여 계산한 값과 시험을 통해 측정된 압력값을 각각 사용하였다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 밸브 행정 및 공압부압력에 대한 계산값이 측정된 시험 결과와 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 보다 정확한 밸브 행정 예측을 위해서는 밸브 행정 위치별 운용 유체에 의한 힘의 변화, 공압 및 코팅 조건에 따른 공압부 마찰력 해석, 그리고 시트와 포핏의 형태와 재질에 시트의 반발력 등 밸브 무빙파트에 작용하는 힘에 대한 보다 자세한 해석과 측정이 필요하다.
8 N/mm이다. 만약 시트 재질을 XM-19로 변경할 경우, 시트 두께를 0.5 mm로 수정함으로써 비슷한 수준의 반발력, 즉 5회 작동 후 반발력 1286 N을 얻을 수 있는 것으로 확인되었다.
아연 도금의 경우는 밸브의 작동 횟수가 증가하면서, 그리고 니켈-보론 도금은 밸브 초기 작동 구간에서 이러한 밸브 행정의 끼임 현상이 나타났다. 이와는 대조적으로 금도금을 적용한 공압부의 경우, 밸브 작동 횟수에 상관없이 다른 도금에 비해 상대적으로 매우 부드러운 밸브 행정을 보임으로써, 금속대 금속면에서의 기밀 및 윤활특성이 매우 우수하다는 것을 확인하였다.

후속연구

산업용 극저온 개폐밸브와는 달리, 매우 높은 수준의 개발요구조건이 요구되는 발사체용 산화제 개폐밸브를 개발하기 위해서는 각종 재질, 구조, 수력학 등 다양한 공학적 측면에서의 치밀한 접근이 필수적인 부분이라 할 수 있다. 지금까지 개발 내용을 견고한 토대로 하여, 아직 부족한 부분들에 대한 보다 면밀한 공학적 접근과 해석, 그리고 시험 검증을 통해 연소기용 산화제 개폐밸브의 성공적인 개발을 기대한다.
2에서 볼 수 있듯이, 밸브 행정 및 공압부압력에 대한 계산값이 측정된 시험 결과와 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 한편, 보다 정확한 밸브 행정 예측을 위해서는 밸브 행정 위치별 운용 유체에 의한 힘의 변화, 공압 및 코팅 조건에 따른 공압부 마찰력 해석, 그리고 시트와 포핏의 형태와 재질에 시트의 반발력 등 밸브 무빙파트에 작용하는 힘에 대한 보다 자세한 해석과 측정이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	발사체 연소기용 산화제 개폐밸브는 어떤 요구조건을 갖고 있는가?	발사체 연소기용 산화제 개폐밸브는 비교적 간단한 개폐 작동을 통해, 액체산소를 연소기에 공급 또는 차단한다. 고압, 고유량, 극저온의 액체산소를 운용 유체로 사용할 뿐만 아니라, 설계유량 대비 밸브 차압 또한 낮아야 하는 상당히 까다로운 개발요구조건을 가지고 있다. 본 논문에서는 현재 개발 중인 연소기용 산화제 개폐밸브의 밸브 과도 응답과 같은 기본적인 밸브 특성과 함께, 밸브 성능을 좌우하는 핵심 부분이라고 할 수 있는 밸브 공압 구동부 및 포핏/시트부의 개발 내용을 소개하였다.
	발사체 연소기용 산화제 개폐밸브는 어떻게 액체산소를 연소기에 공급 또는 차단하는가?	발사체 연소기용 산화제 개폐밸브는 비교적 간단한 개폐 작동을 통해, 액체산소를 연소기에 공급 또는 차단한다. 고압, 고유량, 극저온의 액체산소를 운용 유체로 사용할 뿐만 아니라, 설계유량 대비 밸브 차압 또한 낮아야 하는 상당히 까다로운 개발요구조건을 가지고 있다.
	밸브 무빙파트의 작동 기밀부란?	밸브 무빙파트의 작동 기밀부는 로드의 양쪽 끝부분으로 이해할 수 있는데, 한 쪽 끝부분은 공압에 의해 작동하는 공압부로써 콜러와 피스톤이 밸브 몸체와 강제 끼워 맞춤에 의해 금속대 금속 접촉을 하며, 다른 한 쪽 끝부분은 시트와 접촉하면서 밸브의 실제적인 개폐를 결정짓는 포핏이다. 해당 부분들은 Fig.

참고문헌 (5)

Park, H., Bae, Y., Jang, K., Lee, S., Hong, M. and Lee, S.Y., "Development of a Main Oxidizer Shut-off Valve for Liquid Rocket Engine," 60th International Astronautical Congress, Daejeon, Korea, Oct. 2-9, 2009.
Jeon, J., Hong, M., Kim, H. and Lee, S.Y., "A Study on the Force Balance of a Main Oxidizer shutoff Valve," Journal of the Korean Society of Aeronautical & Space Sciences, Vol. 37, No. 8, pp. 812-818, 2009.

원문보기 상세보기
Hong, M., "Study on the Improvement in Cv of a Main Oxidizer shut-off Valve," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 8, No. 2, pp. 140-148, 2009.
Bae, Y., Kim, D., Hong, M., Lee, S.Y. and Jang, K., "Study on the Performance Improvement of a Main Oxidizer shut-off Valve," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 63-72, 2010.
Lee, H. and Hong, M., "On the Valve Travel of a Main Oxidizer Shut-off Valve," 5th International Symposium on Fluid Machinery and Fluids Engineering, Jeju, Korea, Oct. 24-27, 2012.

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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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