[논문]극저온 추진제탱크 가압효율 계산

권오성; 김병훈; 길경섭; 한상엽

[국내논문] 극저온 추진제탱크 가압효율 계산
Calculation of pressurization efficiency of cryogenic propellant tank 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.12 no.2, 2013년, pp.83 - 90

권오성 (발사체추진제어팀) , 김병훈 (발사체추진제어팀) , 길경섭 (발사체추진제어팀) , 한상엽 (발사체추진제어팀)

초록
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극저온 추진제탱크에서의 추진제 배출 시험데이터와 해석 프로그램을 이용하여 극저온 추진제탱크 얼리지와 관련된 에너지 흐름을 파악하고 추진제탱크의 가압효율을 계산하였다. 얼리지와 관련된 에너지 항목을 결정하고 각 항목의 계산방법을 설명하였다. 탱크의 압력, 탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 달리한 세 가지 경우의 시험데이터를 사용하였는데, 시험조건 범위에서 가압효율은 13.9%~19.3%로서 상당히 낮게 나타났다. 탱크로 유입된 에너지 중 외부로 손실되는 에너지가 55.2%~67.6%였으며 이중 탱크 벽면을 통한 손실이 가장 큰 비중을 차지하였다. 탱크로 유입되는 가압가스의 온도가 같을 경우, 탱크 압력에 관계없이 각 에너지 항목의 상대적인 크기는 거의 동일하였다. 시험데이터를 이용하여 collapse factor를 계산하였고 열손실 비율과의 관계를 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the energy flows related to cryogenic propellant tank ullage were understood and pressurization efficiency of the tank was calculated using propellant feeding test data with the help of calculation program. The related energy flow terms and calculation method of each terms were described. Three test data of different tank pressure and incoming pressurant temperature were used. Under the test conditions, the pressurization efficiency was low in the range of 13.9%~19.3%. The proportion of energy loss to the incoming pressurant energy was in the range of 55.2%~67.6%. The energy loss to the propellant tank wall was the biggest one. If the temperature of incoming pressurant was the same, the rates of each energy flows to the incoming energy were almost the same regardless of the propellant tank pressure. The collapse factor of propellant tank was calculated using test data, and the relation of it to the heat loss rate was observed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

시험데이터와 해석 프로그램을 이용하여 식 1의 각 항목을 계산하였다. 세 가지 시험 조건에 대하여 각 항목의 크기는 서로 차이가 있었지만 변화 경향은 유사하였으므로 여기서는 case 1에 대해서만 자세히 살펴보기로 한다.
이에 열손실 계산은 기존에 작성된 가압가스 요구량 예측 프로그램의 온도 계산 결과를 사용하였다. 이 프로그램은 본 논문에서 사용하는 시험데이터를 입력하여 가압가스 요구량을 상당히 정확하게 맞춘 것이다. 가압가스와 탱크 벽면, 배플, 추진제 표면 사이의 열전달량 계산에 대한 설명은 참고문헌[4]에 자세히 기술되어 있다.
그러나 이는 추진제탱크를 단순하게 모델링하고 운용 조건을 임의로 가정하여 계산한 것으로서, 실제 시험 데이터를 이용하여 에너지 관점에서의 가압효율을 살펴본 것은 없다. 이에 본 논문에서는 추진제탱크의 압력, 가압가스의 온도를 달리한 세 가지 경우의 시험데이터를 통해 탱크 내부 에너지 흐름 및 가압효율을 계산해 보았다.

가설 설정

두 번째 가정은 얼리지 내부에 단일가스(헬륨)만이 존재한다는 것이다. 추진제탱크의 가압이 시작되기 전 얼리지 내부는 추진제 충전 과정에서 발생한 기화된 추진제로 차 있다.
배플로의 열손실, Q_b을 계산하는 식 5도 식 4와 유사하다. 식 6은 추진제 표면으로의 열손실, Q_s을 계산하는 식인데 이때 추진제 표면의 온도는 일정하다고 가정하였다. 마지막으로 계산된 각 항목 들을 이용하여 식 7과 같이 얼리지에 잔류하는 가압가스의 내부에너지, U를 계산하였다.
이때 두 가지 가정을 하였는데 그 중 하나는 탱크 벽면이나 추진제 표면에서의 추진제 증발 및 가압가스의 응축에 의한 질량전달을 무시한 것이다. 일반적으로 추진제탱크 내부에 장착된 가압가스 디퓨저에 의해 유입되는 가압가스의 속도가 저감되고 탱크 내부에 고르게 분사된다 [6,7].

제안 방법

그림 7은 세 가지 시험 조건에 대하여 각 에너지 항목들의 비율을 비교한 것이다. 각 시험 조건의 초기 얼리지 상태, 시험 시간, 가압가스 온도, 탱크 압력이 서로 다르므로 에너지량은 비교하지 않았다. Case 1과 case 2를 보면 추진제 탱크로 유입되는 가압가스의 온도가 같을 경우, 탱크의 제어 압력이 다르더라도 각 에너지 항목의 비율은 거의 동일함을 알 수 있다.
추진제로 액체질소를, 가압가스로 헬륨을 사용하였다. 레귤레이터를 이용하여 추진제탱크의 압력을 조절하였고 별도의 열교환장치를 사용하여 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 제어하였다. 시험데이터에는 추진제탱크 내부 온도, 탱크 벽면 온도, 탱크 압력, 탱크로 유입되는 가압가스의 온도 및 질량유량, 배출되는 추진제의 체적유량이 포함된다.
나머지는 모두 열전달에 의한 손실로서 각각 탱크 벽면, 탱크 내부 슬로싱 방지용 배플, 추진제 표면과의 열전달율이다. 배플에 의한 에너지 손실량을 살펴보기 위하여 벽면 손실과 별도로 분리하였다.
추진제 배출에 의해 가압가스와 탱크 벽면 사이의 열전달 면적이 증가하고, 가압가스에 노출되는 배플의 개수가 늘어나며, 열전달계수가 변화하기 때문이다. 이에 열손실 계산은 기존에 작성된 가압가스 요구량 예측 프로그램의 온도 계산 결과를 사용하였다. 이 프로그램은 본 논문에서 사용하는 시험데이터를 입력하여 가압가스 요구량을 상당히 정확하게 맞춘 것이다.
가압가스에 노출된 추진제탱크 벽면과 얼리지 내부는 성층화된 온도분포를 가지고 있으므로 위치에 따라 온도가 다르고 또한 시간에 따라 온도가 변화한다. 이에 탱크 벽면과 얼리지를 탱크 축 방향을 따라 동일한 간격으로 나누고, 나누어진 얼리지 유한체적들과 이와 접하는 탱크 벽면들 사이의 열전달량을 먼저 계산하였다. 이를 모두 합산하면 특정 시점에서의 열전달율을 얻게 되고 다시 이를 추진제 배출 시간동안 적분하면 벽면으로의 총손실을 얻을 수 있다.
추진제탱크 내부로 유입된 가압가스 에너지의 흐름을 파악하기 위해 얼리지 영역을 제어체적으로 고려하고 에너지보존방정식을 적용한다.
추진제탱크의 압력, 탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 달리한 세 가지 경우의 시험데이터를 이용하여 극저온 추진제탱크의 가압효율을 계산하였다. 에너지 관점에서 본 가압효율은 시험 조건 범위에서 13.
먼저 탱크로 유입된 가압가스의 에너지 총량, E_g는 식 2를 이용하여 계산하였다. 탱크로 유입되기 직전의 가압가스 온도와 압력 조건에서의 엔탈피, h_g와 질량유량, m_g를 통해 에너지율을 구하고 이를 적분하였다. 다음으로 식 3을 통해 추진제를 밀어내는 데 소모된 일, W_p를 계산한다.
표 2에 세 가지 시험조건에 대하여 추진제 배출 종료 시점의 주요 에너지 항목의 비율과collapse factor를 종합하여 정리하였다. Collapse factor는 추진제탱크 내부 가압가스와 주변 사이의 열 및 물질전달이 없는 경우의 가압가스 필요 질량 대비 실제 유입된 가압가스의 질량비를 나타내는 것으로서, 시험 데이터를 이용한 collapse factor 계산 방법은 참고문헌[5]에 기술되어 있다.

대상 데이터

본 논문에서는 기존에 추진제탱크 가압가스요 구량 예측 프로그램의 비교 검증을 위해 수행되었던 시험의 데이터를 사용하였다[4]. 시험은 항공우주연구원의 추진제공급시험설비(PTF)에서 수행되었다.
레귤레이터를 이용하여 추진제탱크의 압력을 조절하였고 별도의 열교환장치를 사용하여 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 제어하였다. 시험데이터에는 추진제탱크 내부 온도, 탱크 벽면 온도, 탱크 압력, 탱크로 유입되는 가압가스의 온도 및 질량유량, 배출되는 추진제의 체적유량이 포함된다. 추진제탱크 형상, 시험설비, 시험방법은 참고문헌[4,5]에 상세하게 설명되어 있으므로 본 논문에서는 기술하지 않는다.
배플로의 열손실률을 보면 특정 시간 간격으로 급격한 변화가 발생하는데 이는 배플의 형상 특성에 기인한 것이다. 시험에 사용된 추진제탱크의 배플은 얇은 판 형태로서 탱크 벽면에 비해 질량 대비 면적이 상당히 크다. 그러므로 추진제의 배출에 의해 각 배플이 얼리지에 노출될 때마다 가압가스의 열손실이 갑자기 증가하지만, 배플의 열용량이 작아 가압가스에 노출된 배플 온도가 빠르게 상승하므로 가압가스의 열손실이 금방 줄어들게 된다.
본 논문에서는 기존에 추진제탱크 가압가스요 구량 예측 프로그램의 비교 검증을 위해 수행되었던 시험의 데이터를 사용하였다[4]. 시험은 항공우주연구원의 추진제공급시험설비(PTF)에서 수행되었다. 추진제탱크는 3단형과학로켓(KSR-III) 개발 당시 사용했던 시험용 탱크로서 직경 1 m, 벽두께 16 mm, 내용적 2.
추진제로 액체질소를, 가압가스로 헬륨을 사용하였다. 레귤레이터를 이용하여 추진제탱크의 압력을 조절하였고 별도의 열교환장치를 사용하여 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 제어하였다.
시험은 항공우주연구원의 추진제공급시험설비(PTF)에서 수행되었다. 추진제탱크는 3단형과학로켓(KSR-III) 개발 당시 사용했던 시험용 탱크로서 직경 1 m, 벽두께 16 mm, 내용적 2.35 m³ 이다. 탱크 내부에는 가압가스 디퓨저, 슬로싱 방지용 배플이 설치되어 있다.

성능/효과

그러나 본 논문의 가압효율은 크기가 작고 탱크 벽면 두께가 두꺼운 3단형 과학로켓 개발시험용 탱크에 대한 계산 결과이므로, 실제 크기와 두께를 가지는 추진제탱크에 비해 가압효율이 낮은 것으로 보인다. 한국형발사체(KSLV-II)급의 추진제탱크에 대하여 운용조건을 임의로 달리 하면서 가압효율을 계산한 기존 자료[3]에서는 탱크 벽면 손실이 약 30~50%, 얼리지 내부 잔류에너지가 약 30~40%, 가압효율이 약 20~30%로서 본 논문의 결과보다 가압효율이 좀 더 높게 나왔다.
5이다. 본 논문의 시험데이터를 이용한 계산에서는 1.32~1.36의 범위로서 이론값보다 다소 낮기는 하지만 거의 일정한 값을 보여주고 있다.
세 가지 경로의 가압가스 열손실 중 탱크 벽면으로의 손실률이 가장 컸고 얼리지 팽창에 따른 탱크 벽면과의 열전달면적 증가에 의해 시간이 경과할수록 손실률은 증가하였다.
시험조건은 시험설비의 운용능력 범위 내에서 임의로 선정되었으며 case 1을 기준으로 하여 case 2는 추진제탱크의 조절 압력이 다른 경우이고 case 3은 탱크로 유입되는 가압가스의 온도가 다른 경우이다. 표 1의 조건은 공칭 조건으로서 실제 시험에서는 레귤레이터가 추진제탱크 압력을 일정하게 유지해 주지 못하여 시간이 경과할수록 탱크 압력이 감소하였고, 이와 더불어 배출되는 추진제 체적유량도 감소하였다. 탱크로 유입되는 헬륨의 온도는 일정하게 유지되었는데, 열교환장치를 사용한 case 3의 경우에도 400±10 K 범위를 유지하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	많이 사용되는 추진제탱크 가압시스템 방식은 무엇인가?	이때 엔진 터보펌프의 흡입압력 조건을 맞춰주면서 추진제를 밀어내기 위해 추진 제탱크의 가압이 필요하다. 추진제탱크 가압시스템은 여러 방식이 있겠으나, 별도의 탱크에 저장된 불활성 가스를 엔진 열교환기를 통해 온도를 높인 후 추진제탱크로 공급하는 방식이 많이 사용된다. 극저온 추진제탱크인 경우 탱크로 유입된 상온 혹은 고온의 가압가스는 탱크 벽면이나 추진제 표면과의 열전달에 의해 온도가 감소하고 이로 인해 추진제탱크의 압력이 감소하게 된다.
	에너지 관점에서의 극저온 추진제탱크의 효율은 어떻게 구하는가?	이와 별도로 추진제탱크 내부 얼리지(ullage, 가압가스가 차지하는 공간)를 제어체적으로 삼고 에너지의 흐름을 분석하면 에너지 관점에서 본 극저온 추진제탱크의 효율을 계산할 수 있다. 추진 제탱크로 유입된 가압가스 에너지의 일부는 추진제를 밀어내는 일을 하고, 일부는 탱크 벽면, 추진제 표면과의 열전달을 통해 손실되며 나머지는 탱크 내부에 잔류한다. 이때 추진제탱크로 유입된 에너지 대비 추진제를 밀어내는 데 소모된 일의 비율이 추진제탱크의 가압효율이 된다.
	액체추진기관 발사체의 추진제 공급시스템은 어떤 일을 하는가?	액체추진기관 발사체의 추진제 공급시스템은 추진제탱크에 저장된 추진제를 엔진으로 공급하는 역할을 한다. 이때 엔진 터보펌프의 흡입압력 조건을 맞춰주면서 추진제를 밀어내기 위해 추진 제탱크의 가압이 필요하다.

참고문헌 (10)

M. Epstein and R. E. Anderson, "An equation for the Prediction of Cryogenic Pressurant Requirements for Axisymmetric Propellant Tanks", Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 13, Plenum, New York, 1968, pp.207-214
권오성, 조남경, 조인현, "추진제탱크 얼리지해석을 위한 기본모델", 항공우주기술, 제9권, 제1호, 2010, pp.125-132
권오성, 한상엽, 조인현, "운용조건 변화에 따른 추진제탱크 가압가스 요구량 예측", 항공우주기술, 제10권, 제1호, 2011, pp.54-62
O. S. Kwon, B. H. Kim, G. S. Kil, I. H. Cho, Y. S. Ko, "Modeling the Prediction of Helium Mass Requirement for Propellant Tank Pressurization", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 49, No. 6, 2012, pp.1150-1158

상세보기
권오성, 김병훈, 조인현, 고영성, "가압가스 온도에 따른 극저온 추진제탱크 가압가스 요구량", 한국항공우주학회지, 제38권, 제12호, 2010, pp.1202-1208

원문보기 상세보기
권오성, 한상엽, 권기정, 정용갑, "추진제탱크가압용 인젝터 출구에서의 유동가시화 및 해석", 한국항공우주학회지, 제38권, 제1호, 2010, pp.73-79

원문보기 상세보기
Richard L. DeWitt, Robert J. Stochl, William R. Johnson, "Experimental Evaluation of Pressurant Gas Injectors during the Pressurized Discharge of Liquid Hydrogen", NASA TN D-3458, 1966
M. E. Nein, J. F. Thompson, "Experimental and Analytical Studies of Cryogenic Propellant Tank Pressurant Requirements", NASA TN D-3177, 1966
N. T. Van Dresar, "Pressurization of Cryogens: A Review of Current Technology and its Applicability to Low-Gravity Conditions", AIAA-92-3061, 28th Joint Propulsion Conference and Exhibit, 1992
William H. Roudebush, "An Analysis of the Problem of Tank Pressurization during Outflow", NASA TN D-2585, 1965

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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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