선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구를 위하여 가스메탄과 액체산소를 추진제로 사용하는 액체로켓엔진 인젝터를 설계하였다. 액체로켓엔진의 인젝터는 연료와 산화제를 연소실에 공급하는 역할을 수행하며, 산화제와 연료의 혼합과 미립화 정도를 결정하는 중요한 역할을 한다.
- 본 연구에서는 기체메탄/액체산소를 추진제로 사용하는 로켓엔진을 설계/제작하여 수류 실험과 연소 실험을 통하여 성능을 확인하였다. 인젝터는 동축 스월/전단형을 채택하였고, 설계 과정에서 Fluent를 이용한 유동 특성을 고려하여 분사기의 형상, 개수 및 분사기 포스트 길이의 최적 설계를 수행하였다.
- 본 연구에서는 액체메탄 엔진의 기초 연구로 가스메탄을 이용한 엔진을 설계/제작 및 실험을 수행하여, 엔진의 연소 성능 및 연소 안정성을 평가하였다. 액체메탄은 극저온/가연성 유체로 학교 차원에서는 취급이 어렵기 때문에, 선행 연구로 취급이 용이한 가스메탄을 사용하였다.
제안 방법
- 2의 매니폴드 및 인젝터 설계의 주요 변수들을 확정하고자 하였다.(8)기체 추진제인 경우 분사기 끝단에서 고른 유동 분포를 보이는 것이 중요하기 때문에, 기체 추진제 공급 매니폴드 내부의 연료 유입 오리피스의 수, 연료 유입 오리피스 후단 형상, 연료 인젝터 포스트 길이에 따른 수치해석을 통하여 최종 설계를 수행하였다. 연료 인젝터를 700,000개의 격자로 형상 설계하였고, 내부 유동은 3차원 정상 상태 압축성 유동으로 해석하였다.
- 10은 추가로 구축된 가스메탄 공급 설비의 구성을 보여준다.(9) 일반적인 액체로켓엔진 추진제 공급 설비 구축과 거의 유사한 방식으로 구성하였으며, 가스메탄의 가연성 특성 등을 고려하여 메탄 가스 누출 감지기 등을 추가로 구축하고 안전을 위하여 통풍이 잘 되도록 하였다. 또한 가스메탄은 가연성과 폭발성이 있기 때문에 초기 하드스타드(hardstart) 방지, 미연가스의 연소 및 연소실험 종료 시 배관 내 잔류추진제의 제거 목적으로 프로판 가스를 사용한 애프터버너를 장착하였다.
- 9와 같은 patternator를 사용하여 수행하였다.(9) 제작된 인젝터를 patternator에 장착하고 액체산소와 가스메탄 대신 모의 추진제인물과 기체질소를 각각 사용하여 실험을 수행하였고, 실험 결과를 바탕으로 인젝터의 분산각 및 혼합 특성을 확인하였다.
- 기본 설계를 완료한 후, 상세 설계 작업을 수행하기 전에 상용 프로그램인 Fluent를 이용하여 수치해석을 수행하여 Fig. 2의 매니폴드 및 인젝터 설계의 주요 변수들을 확정하고자 하였다.(8)기체 추진제인 경우 분사기 끝단에서 고른 유동 분포를 보이는 것이 중요하기 때문에, 기체 추진제 공급 매니폴드 내부의 연료 유입 오리피스의 수, 연료 유입 오리피스 후단 형상, 연료 인젝터 포스트 길이에 따른 수치해석을 통하여 최종 설계를 수행하였다.
- 새로운 추진제를 도입할 경우, 추진제 특성에 맞는 공급 설비 구축 및 엔진 설계 기술 확보가 필수적이다. 따라서, 본 연구에서는 일반적으로 새로운 축소형 액체로켓 엔진을 개발하는데 사용하는 Fig. 1의 개발 절차에 따라 메탄 엔진을 설계하고 실험적으로 검증하였다.
- (9) 일반적인 액체로켓엔진 추진제 공급 설비 구축과 거의 유사한 방식으로 구성하였으며, 가스메탄의 가연성 특성 등을 고려하여 메탄 가스 누출 감지기 등을 추가로 구축하고 안전을 위하여 통풍이 잘 되도록 하였다. 또한 가스메탄은 가연성과 폭발성이 있기 때문에 초기 하드스타드(hardstart) 방지, 미연가스의 연소 및 연소실험 종료 시 배관 내 잔류추진제의 제거 목적으로 프로판 가스를 사용한 애프터버너를 장착하였다. 연소 실험 설비 구축 후, 수류 실험을 통해 검증된 인젝터와 연소실, 노즐을 결합하여 연소 실험을 수행하여 연소 성능을 확인하였다.
- 2는 기초 설계된 인젝터 헤드(매니폴드 및 추진제 입구 오리피스) 형상을 나타낸 것이다. 또한, 인젝터는 연료 인젝터와 산화제 인젝터 끝단이 동일하도록 설계하였다.
- 설계점 연소 실험 결과 추진제가 연소 시작 시점부터 종료 시점까지 안정적으로 공급되는 것을 확인하였고, 연소실 압력은 액체산소의 액상 공급 시점부터 안정적인 것을 확인하였다. 또한, 점화 및 소염 안정성도 확인하였다. 혼합비의 변화에 따라 연소 실험을 수행한 결과 O/F ratio가 약 2.
- 설계 및 제작된 인젝터의 제작성을 검토하고 분무 특성을 알아보기 위해서 수류 실험을 수행 하였다. 수류 실험은 선행 연구에서 사용한 동일한 장치인 Fig.
- 설계점 연소 실험을 통하여 안정성을 확인한 후, 설계 혼합비인 3.0을 기준으로 2.34 ~ 3.52까지 변화시켜가며 연소 실험을 수행하였으며, 각각의 혼합비에서 재현성을 위해 2회씩 실험을 수행하여 총 12회의 연소 실험을 수행하였다. 연소실험 중 계측된 추진제 유량과 혼합비를 연소 실험에 따라 Table 5에 정리하였다.
- 연소 실험은 안전을 위해 먼저 추진제 공급 실험 및 점화실험을 통하여 추진제 공급 및 점화 안정성을 확인하고, 설계 운영 조건에서의 연소실험을 통해 실제 추진제 공급 유량 및 시퀀스, 연소 안정성을 확인하였다. 설계점 연소 실험을 통하여 연소 안정성 확인 후, 혼합비(O/F ratio)를 변화시켜가며 연소실험을 수행하여 다양한 혼합비에 따른 연소 성능 및 연소효율을 분석하였다. 혼합비는 연소 성능을 비교하기 위해 총 추진제공급 유량을 일정하게 유지한 채, 연료와 산화제의 유량비를 변경하여 조절하였다.
- 제작된 엔진의 인젝터는 모의 추진제인 물과 가스 질소를 이용한 수류 실험을 통해 유량 분포 확인 결과 전반적으로 고른 분포를 보여 인젝터의 설계가 타당함을 검증하였다. 수류 실험을 통하여 확인된 인젝터의 운용 조건과 안정적인 연소를 고려하여 시퀀스를 선정하였으며, 선정된 시퀀스로 연소 실험을 수행하여 시퀀스의 검증 및 연소성능을 혼합비의 변화에 대하여 실험으로 고찰하였다.
- 특성 속도(Characteristics Velocity, C*)는 식 (4)와 같이 연소 실험 결과 값들을 이용하여 손쉽게 계산할 수 있기 때문에 연소 특성을 분석하는데 많이 사용된다. 압력과 유량값은 계측된 데이터를 사용하였고, 노즐목의 직경은 연소 실험 종료 후 현미경을 이용하여 측정한 값을 사용하여 특성 속도 값을 계산하였다.
- 앞서 유동의 균일성 측면에서 가장 우수하였던 CASE 1의 형상에서 인젝터 포스트 길이에 따른 유동 현상을 해석하였다. 인젝터 포스트 길이에 따라 산화제 인젝터 길이도 결정되기 때문에 유동 안정화가 되는 최소 길이 확인이 필요하였다.
- 연료 유입 오리피스의 개수가 유동에 미치는 영향을 알아보기 위하여, Fig. 3, 4와 같이 매니폴드 내부 연료 유입 오리피스의 개수를 4개, 6개로 하여 수치해석을 수행하였다. Fig.
- (8)기체 추진제인 경우 분사기 끝단에서 고른 유동 분포를 보이는 것이 중요하기 때문에, 기체 추진제 공급 매니폴드 내부의 연료 유입 오리피스의 수, 연료 유입 오리피스 후단 형상, 연료 인젝터 포스트 길이에 따른 수치해석을 통하여 최종 설계를 수행하였다. 연료 인젝터를 700,000개의 격자로 형상 설계하였고, 내부 유동은 3차원 정상 상태 압축성 유동으로 해석하였다. 벽면에서는 no slip 조건과 단열 가정을 통해 외부와의 열교환 효과를 배제하였다.
- 또한 가스메탄은 가연성과 폭발성이 있기 때문에 초기 하드스타드(hardstart) 방지, 미연가스의 연소 및 연소실험 종료 시 배관 내 잔류추진제의 제거 목적으로 프로판 가스를 사용한 애프터버너를 장착하였다. 연소 실험 설비 구축 후, 수류 실험을 통해 검증된 인젝터와 연소실, 노즐을 결합하여 연소 실험을 수행하여 연소 성능을 확인하였다. 연소 실험은 안전을 위해 먼저 추진제 공급 실험 및 점화실험을 통하여 추진제 공급 및 점화 안정성을 확인하고, 설계 운영 조건에서의 연소실험을 통해 실제 추진제 공급 유량 및 시퀀스, 연소 안정성을 확인하였다.
- 연소 실험 설비 구축 후, 수류 실험을 통해 검증된 인젝터와 연소실, 노즐을 결합하여 연소 실험을 수행하여 연소 성능을 확인하였다. 연소 실험은 안전을 위해 먼저 추진제 공급 실험 및 점화실험을 통하여 추진제 공급 및 점화 안정성을 확인하고, 설계 운영 조건에서의 연소실험을 통해 실제 추진제 공급 유량 및 시퀀스, 연소 안정성을 확인하였다. 설계점 연소 실험을 통하여 연소 안정성 확인 후, 혼합비(O/F ratio)를 변화시켜가며 연소실험을 수행하여 다양한 혼합비에 따른 연소 성능 및 연소효율을 분석하였다.
- 연소기의 안정성 확인을 위하여 설계점 연소실험을 수행하였다.(11) Table 4는 설계점인 혼합비 3.
- 6에서도 CASE 1을 제외한 나머지 CASE 모두에서 그 크기는 각각 다르지만 유동이 정체하는 구간이 존재하는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로 연료 유입 오리피스의 후단은 연료의 정체 현상이 가정 적은 CASE 1의 형태로 결정하였다.
- 본 연구에서는 기체메탄/액체산소를 추진제로 사용하는 로켓엔진을 설계/제작하여 수류 실험과 연소 실험을 통하여 성능을 확인하였다. 인젝터는 동축 스월/전단형을 채택하였고, 설계 과정에서 Fluent를 이용한 유동 특성을 고려하여 분사기의 형상, 개수 및 분사기 포스트 길이의 최적 설계를 수행하였다.
- 추진제의 유량 및 분무 특성을 확인하기 위하여 1bar부터 10bar까지 가압 압력을 변화시켜가며 유량을 측정하였다. 측정된 유량 값은 Fig.
- 설계점 연소 실험을 통하여 연소 안정성 확인 후, 혼합비(O/F ratio)를 변화시켜가며 연소실험을 수행하여 다양한 혼합비에 따른 연소 성능 및 연소효율을 분석하였다. 혼합비는 연소 성능을 비교하기 위해 총 추진제공급 유량을 일정하게 유지한 채, 연료와 산화제의 유량비를 변경하여 조절하였다. Fig.
대상 데이터
- 인젝터 포스트 길이에 따라 산화제 인젝터 길이도 결정되기 때문에 유동 안정화가 되는 최소 길이 확인이 필요하였다. Fig. 7은 수치해석 결과 중 속도장을 나타내며, 인젝터 포스트의 길이가 길어질 수록 유동의 분포가 고르게 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 20mm에서 안정화 되는 것을 확인하여 연료 인젝터 길이는 20mm로 선정하였다. Table 3은 수치해석을 바탕으로 최종 설계된 인젝터 사양이며, Fig.
- 유동 해석 결과 연료 유입 오리피스의 개수가 4개일 경우 원형으로 표시한 것처럼 오리피스 후단에 유동의 정체점이 나타나지만, 오리피스의 개수가 6개일 경우 오리피스 후단에 정체점이 없이 비교적 고른 유동의 분포가 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 연료 유입부의 개수를 6개로 최종 선택하였다.
- 본 연구에서는 액체메탄 엔진의 기초 연구로 가스메탄을 이용한 엔진을 설계/제작 및 실험을 수행하여, 엔진의 연소 성능 및 연소 안정성을 평가하였다. 액체메탄은 극저온/가연성 유체로 학교 차원에서는 취급이 어렵기 때문에, 선행 연구로 취급이 용이한 가스메탄을 사용하였다. 이러한 가스메탄/액체산소 엔진은 저추력의 추력기로 활용이 가능할 것이며, 향후 국내에서 다단 연소 방식을 적용한 고성능 우주발사체 엔진 개발시 기체/액체 분사기의 기본 연구 자료로 활용될 수있을 것이다.
- 전술한 바와 같이 본 연구는 액체산소와 가스 메탄을 추진제로 사용하고 있다. 액체산소 공급 비는 선행 연구인 액체산소/케로신 연소기 연소실험에서 사용하던 설비를 사용하였다.(10) 하지만 가스메탄의 경우 본 연구를 위하여 새롭게 도입한 추진제로, 추가적으로 공급 설비 구축이 필요 하였다.
이론/모형
- Figure 19는 연소 안정성을 판단하기 위하여 혼합비에 따른 연소실 압력 섭동값을 계산한 결과를 보여준다. 압력 섭동 값은 표준 편차(standard deviation) 값을 이용하여 연소실 평균 압력대비 각각의 편차를 백분율로 나타내었다. 설계점인 혼합비 3.
- 유동에 대한 지배방정식은 Reynolds- averaged Navier-Stokes 방정식과 에너지 방정식으로 이뤄지며, 경계조건으로는 Pressure inlet, Pressure outlet을 지정하고, k-ε 난류 모델을 사용하였다.
성능/효과
- 0 에서의 연소 실험 결과를 정리한 것으로, 엔진 설계 조건과 유사하게 계측된 것을 확인할 수 있다. Fig. 15는 연소 실험 결과 그래프로, 산화제와 연료 유량이 모두 안정적으로 공급된 것을 확인할 수 있으며, 연소실 압력은 가스메탄이 공급된 후 약 1.5초 내에 안정적으로 형성되는 것을 확인하였다. 연소실 압력 안정화가 늦은 것은 극저온 산화제인 액체산소에 의한 영향으로, 연소실험 초기 공급 밸브와 인젝터 사이 배관이 충분히 냉각되지 않아 기체로 공급되어 나타난 현상으로 판단된다.
- 연소실 압력 안정화가 늦은 것은 극저온 산화제인 액체산소에 의한 영향으로, 연소실험 초기 공급 밸브와 인젝터 사이 배관이 충분히 냉각되지 않아 기체로 공급되어 나타난 현상으로 판단된다. 산화제 공급에 의한 배관 냉각이 충분히 이루어지고 완전한 액상으로 공급된 시점부터는 연소실 압력이 안정화 된 것을 확인할 수 있다. Fig.
- 이는 전단형 연료 분사기의 공급 안정성을 위하여 분사기 포스트가 길어졌고, 산화제 분사기 포스트는 연료 분사기 끝에 위치하기 때문에 설계치보다 10배 이상 늘어나게 되어 점성 효과에 의해 스월 효과가 감소되어 발생된 현상으로 판단된다. 산화제 분사기는 스월형이기 때문에 추진제의 분무 패턴을 확인하기 위하여, 인젝터 분사면 기준 45mm 하단에서 patternator를 이용하여 수류시험을 수행한 결과 Fig. 14와 같이 hollow cone 형태로 분무되는 것을 확인하였고, 최소 40g에서 최대 45g으로 유량이 계측되어 반경 방향으로 전체적인 유량의 편차가 적은 것으로 보아 유량밀도가 고르게 분포 되는 것을 확인하였다.
- 설계점 연소 실험 결과 추진제가 연소 시작 시점부터 종료 시점까지 안정적으로 공급되는 것을 확인하였고, 연소실 압력은 액체산소의 액상 공급 시점부터 안정적인 것을 확인하였다. 또한, 점화 및 소염 안정성도 확인하였다.
- 압력 섭동 값은 표준 편차(standard deviation) 값을 이용하여 연소실 평균 압력대비 각각의 편차를 백분율로 나타내었다. 설계점인 혼합비 3.0 근처에서 가장 작은 값을 보였으며, O/F ratio가 증가할수록 점차 증가하는 경향을 보이고 있다. 일반적으로 연소실의 압력 섭동이 연소실 평균 압력 대비 5% 이내이면 안정적인 연소가 일어났다고 판단하게 되는데, 각각의 O/Fratio 변화에 대해 최소 1.
- 18은 실험을 통해 구한 특성속도를 설계점에서의 이론 특성 속도로 나누어, 특성 속도 효율을 나타낸 것으로, O/F ratio 변화에 대해 전반적으로 약 87~92% 사이의 연소 효율을 확인하였다. 위의 결과로 보아 설계/제작된 단일 분사기 엔진의 연소 성능이 양호한 것으로 판단된다.
- 4의 (a)는 4개의 오리피스, (b)는 6개의 오리피스를 각각 가지는 인젝터의 연료 유입 오리피스를 지나 인젝터를 통해 공급되는 유로 부분의 속도장을 나타내는 것으로, 연료 유입구로부터의 거리로 표시하였다. 유동 해석 결과 연료 유입 오리피스의 개수가 4개일 경우 원형으로 표시한 것처럼 오리피스 후단에 유동의 정체점이 나타나지만, 오리피스의 개수가 6개일 경우 오리피스 후단에 정체점이 없이 비교적 고른 유동의 분포가 나타나는 것을 확인하였다. 따라서 연료 유입부의 개수를 6개로 최종 선택하였다.
- 제작된 엔진의 인젝터는 모의 추진제인 물과 가스 질소를 이용한 수류 실험을 통해 유량 분포 확인 결과 전반적으로 고른 분포를 보여 인젝터의 설계가 타당함을 검증하였다. 수류 실험을 통하여 확인된 인젝터의 운용 조건과 안정적인 연소를 고려하여 시퀀스를 선정하였으며, 선정된 시퀀스로 연소 실험을 수행하여 시퀀스의 검증 및 연소성능을 혼합비의 변화에 대하여 실험으로 고찰하였다.
- 추진제의 유량 및 분무 특성을 확인하기 위하여 1bar부터 10bar까지 가압 압력을 변화시켜가며 유량을 측정하였다. 측정된 유량 값은 Fig. 12에서 보는 바와 같이 설계 유량 값보다 약간 작게 계측되었으나 공급 압력의 변화를 통해 설계 유량을 조절할 수 있으므로, 연소 실험을 수행하는 데는 문제가 없는 것으로 판단되었다. Fig.
- 또한, 점화 및 소염 안정성도 확인하였다. 혼합비의 변화에 따라 연소 실험을 수행한 결과 O/F ratio가 약 2.4~3.5 범위에서 연소효율은 약 89~92% 정도로 측정되었고, 연소실 내의 압력 섭동은 3% 내로 안정적인 연소가 이루어진 것을 확인되었다. 이와 같은 결과는 설계/제작된 엔진의 연소 성능 및 연소 안정성이 양호한 것을 보여준다.
후속연구
- 본 연구를 통하여 얻어진 기체메탄/액체산소를 추진제로 하는 액체로켓엔진 인젝터의 기초 설계및 실험 자료들은 추후 기체메탄을 사용하는 소형 추력기 개발 및 액체메탄을 추진제로 사용하는 엔진 개발의 기초 자료로 활용이 가능할 것으로 사료된다.
- 액체메탄은 극저온/가연성 유체로 학교 차원에서는 취급이 어렵기 때문에, 선행 연구로 취급이 용이한 가스메탄을 사용하였다. 이러한 가스메탄/액체산소 엔진은 저추력의 추력기로 활용이 가능할 것이며, 향후 국내에서 다단 연소 방식을 적용한 고성능 우주발사체 엔진 개발시 기체/액체 분사기의 기본 연구 자료로 활용될 수있을 것이다. 새로운 추진제를 도입할 경우, 추진제 특성에 맞는 공급 설비 구축 및 엔진 설계 기술 확보가 필수적이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.