[논문]액체로켓 엔진 연소기 내피 스피닝 제작 공정 개발

이금오; 유철성; 허성찬; 최환석; 최윤호

doi:10.6108/kspe.2014.18.6.088

액체로켓 엔진 연소기 내피 스피닝 제작 공정 개발
Development of Spinning Process for Manufacturing Liquid Rocket Engine Thrust Chamber 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.18 no.6, 2014년, pp.88 - 95

이금오 (Combustion Chamber Team, Korea Aerospace Research Institute) , 유철성 (Combustion Chamber Team, Korea Aerospace Research Institute) , 허성찬 (Combustion Chamber Team, Korea Aerospace Research Institute) , 최환석 (Combustion Chamber Team, Korea Aerospace Research Institute) , 최윤호 (Research & Development 1 Team, Doowon Heavy Industry)

초록
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액체로켓 엔진 재생냉각챔버의 무게 감량을 위하여 내피에 스피닝 공정을 적용하였다. 스피닝 도중 실린더부와 노즐목부의 블랭크에 파손이 발생하였다. 이 문제를 극복하기 위해 맨드럴 및 블랭크 형상을 수정하였으며 이러한 수정을 통해 스피닝을 사용하여 내피를 제작할 수 있었다. 제작된 노즐목부 스피닝 시제품은 균열이나 네킹없이 성공적으로 벌징이 되어 연소기 제작에 적용할 수 있는 충분한 성형성을 확보한 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Spinning process to inner wall has been applied for reducing the weight of regenerative cooling chamber of liquid propellent rocket engine. The fractures of the blanks of cylinder part and nozzle throat part have been observed during spinning processes. In order to overcome the problem, the mandrel and the blank shape have been modified, and the inner wall was successfully manufactured through the modifications. The manufactured spinning prototype of nozzle throat part was successfully bulged without cracking and necking, and it was confirmed to secure sufficient formability necessary for fabricating thrust chamber.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 상단에 사용되는 소추력 엔진에 사용되는 작은 사이즈의 실린더부와 노즐목부 내피부를 스피닝 공정을 사용하여 제작하였을 때 발생하였던 문제와 해결방안에 대해서 기술하였다.

가설 설정

3) 블랭크가 미끄러지지 않도록 볼트로 고정한다.

제안 방법

실린더부와 달리 노즐목부는 스피닝이 지속되는 동안 블랭크를 맨드럴의 중심부 쪽에서 지지 해주는 면적이 너무 작아(노즐목의 면적과 비슷하기 때문에 현 연소기에서는 매우 작은 지지면 적을 가지고 있음) 이 부위에서 스피닝 진행 도중 블랭크가 계속 파손되었다. 계속된 블랭크의 파손을 방지하고 성공적인 스피닝을 수행하기 위해서 Fig. 14에 나타낸 것과 같이 맨드럴과 블랭크를 동시에 수정하였다.
4와 비교했을 때 매우 우수하고 균질한 조직이 나타난 것들이 확인되었다. 노즐목 부가 벌징공정에 의한 대변형이 발생하였을 때 파손되지 않고 벌징이 가능한지 확인하기 위하여 스피닝 후 재결정 열처리한 노즐목부 스피닝 시제품을 가공하여 벌징시험을 수행하였다.
미끄러짐(slip) 현상을 방지하기 위해서 맨드럴 축에 키(key)를 삽입하는 방식을 사용하였으며 (Fig. 9), 키 삽입방식은 블랭크의 미끄러짐 방지에는 효과적이었으나, 키가 원주방향의 하중을 버티지 못하고 부러지는 현상이 발생하였다. 따라서 키를 삽입하여 블랭크의 미끄러짐을 방지하는 방식은 효과적이지 못한 것으로 판단되었으며, 맨드럴에 홀(hole)을 가공한 후 탭(tap)을내서 블랭크를 볼트로 고정하는 방식으로 블랭크의 미끄러짐을 방지하였다.
본 연소기 노즐목부 내피를 제작하기 위하여 실린더부 제작에 사용된 스피닝 장비를 사용하였으며, 미세한 결정립 크기를 가진 구리합금 블랭크를 제작하기 위해 실린더부와 마찬가지로 고온에서 단조 및 압연 등으로 제작하였다. 제작된 블랭크는 스피닝을 통해 큰 소성 변형이 발생하게 되는데, 이를 통하여 블랭크 내부 조직은 더욱 미세화된 조직으로 바뀌게 되어 매우 미세하면서도 균질한 조직을 가진 구리합금 노즐목부 내피를 제작할 수 있다.
스피닝 공정으로 제작된 노즐목부의 조직 미세화 정도를 측정하기 위해 Fig. 16과 같이 스피닝 후 재결정화 열처리를 거친 노즐목부 스피닝 제품의 조직사진을 촬영하였으며, 평균 결정립 크기를 EBSD(Electron BackScatter Diffraction)를사용하여 측정하였다(Fig. 17).
볼트 체결 방식은 키 체결방식에 비해 미끄러짐 현상을 방지하기 위한 충분한 하중을 지지하였으며, 제작 중 미끄러짐을 방지하여 접촉부위의 온도 상승이 나타나지 않았고, 최종 스피닝까지 제품의 파손없이 실린더부의 제작이 가능하였다. 실린더부 제작은 전단 스피닝(shear spinning)과 컨벤셔널 스피닝(conventional spinning)의 조합으로[7,8] 공정을 개발하였으며, 최종적으로 스피닝이 완료된 실린더 내피는 Fig. 11과 같이 제작을 완료하였다.
액체로켓 연소기 실린더부와 노즐목부 내피를 제작하기 위해 스피닝 공정을 적용하였으며, 스피닝 공정에서 발생하였던 블랭크의 파손을 방지하기 위해 맨드럴과 블랭크의 설계를 개선하였다. 연소기 실린더부와 노즐목부 스피닝 공정에서 블랭크와 맨드럴 사이의 미끄러짐 현상에 의한 온도상승으로 국부적으로 재료의 강도가 저하되어 그 결과로 블랭크에 파손이 발생된 것으로 분석되었으며, 이를 방지하기 위해 맨드럴 볼트체결, 모깎기, 블랭크 형상변경 등을 추가하였고, 이를 통해 실린더부 및 노즐목부 내피 시제품을 스피닝 공정으로 제작하는데 성공하였다.
액체로켓 연소기 실린더부와 노즐목부 내피를 제작하기 위해 스피닝 공정을 적용하였으며, 스피닝 공정에서 발생하였던 블랭크의 파손을 방지하기 위해 맨드럴과 블랭크의 설계를 개선하였다. 연소기 실린더부와 노즐목부 스피닝 공정에서 블랭크와 맨드럴 사이의 미끄러짐 현상에 의한 온도상승으로 국부적으로 재료의 강도가 저하되어 그 결과로 블랭크에 파손이 발생된 것으로 분석되었으며, 이를 방지하기 위해 맨드럴 볼트체결, 모깎기, 블랭크 형상변경 등을 추가하였고, 이를 통해 실린더부 및 노즐목부 내피 시제품을 스피닝 공정으로 제작하는데 성공하였다. 제작된 노즐목부 스피닝 시제품은 내부 조직크기가 균일하고 미세화된 상태로 제작이 되었으며, 균열이나 네킹없이 벌징이 되어 연소기 제작 공정에 적용할 수 있도록 충분한 성형성을 확보한 것을 확인하였다.

대상 데이터

연소기 실린더부 내피는 직경에 비해 길이가 긴원통형의 형태로 되어 있어 스피닝으로 제작하기는 매우 까다로운 형상이다. 이러한 연소실 실린더부를 제작하기 위하여 한국항공우주연구원의 발사체 탱크부 제작에 사용하는 스피닝 장비를 사용하였으며, 큰 소성변형을 가능하게 하기 위해 고온에서 단조 및 압연 등으로 제작하여 결정립 크기(grain size)가 균일하게 미세화된 구리합금 블랭크(blank)를 사용하였다.

성능/효과

Figs. 16, 17에서 측정된 결정립 크기도 약 10-14 ㎛정도로 매우 미세화 되었음을 알 수 있었으며 Fig. 4와 비교했을 때 매우 우수하고 균질한 조직이 나타난 것들이 확인되었다. 노즐목 부가 벌징공정에 의한 대변형이 발생하였을 때 파손되지 않고 벌징이 가능한지 확인하기 위하여 스피닝 후 재결정 열처리한 노즐목부 스피닝 시제품을 가공하여 벌징시험을 수행하였다.
9), 키 삽입방식은 블랭크의 미끄러짐 방지에는 효과적이었으나, 키가 원주방향의 하중을 버티지 못하고 부러지는 현상이 발생하였다. 따라서 키를 삽입하여 블랭크의 미끄러짐을 방지하는 방식은 효과적이지 못한 것으로 판단되었으며, 맨드럴에 홀(hole)을 가공한 후 탭(tap)을내서 블랭크를 볼트로 고정하는 방식으로 블랭크의 미끄러짐을 방지하였다.
변형되었음을 알 수 있으며, 기존의 제품과 같이 균열이나 오렌지필(orange peel), 네킹 없이 벌징 공정이 완료되었다. 본 결과로부터 노즐목부 스피닝 제품은 실제 연소기의 내피에 사용할 수 있도록 충분한 성형성을 확보한 것을 확인할 수 있었으며, 향후 제작되는 연소기에 적용할 수 있는 공정이라는 것을 확인할 수 있었다.
변형되었음을 알 수 있으며, 기존의 제품과 같이 균열이나 오렌지필(orange peel), 네킹 없이 벌징 공정이 완료되었다. 본 결과로부터 노즐목부 스피닝 제품은 실제 연소기의 내피에 사용할 수 있도록 충분한 성형성을 확보한 것을 확인할 수 있었으며, 향후 제작되는 연소기에 적용할 수 있는 공정이라는 것을 확인할 수 있었다.
10은 맨드럴에 블랭크를 볼트로 고정시킨 후 제작한 스피닝 시제품을 보여주고 있다. 볼트 체결 방식은 키 체결방식에 비해 미끄러짐 현상을 방지하기 위한 충분한 하중을 지지하였으며, 제작 중 미끄러짐을 방지하여 접촉부위의 온도 상승이 나타나지 않았고, 최종 스피닝까지 제품의 파손없이 실린더부의 제작이 가능하였다. 실린더부 제작은 전단 스피닝(shear spinning)과 컨벤셔널 스피닝(conventional spinning)의 조합으로[7,8] 공정을 개발하였으며, 최종적으로 스피닝이 완료된 실린더 내피는 Fig.
위에 언급한 스피닝 공정 개선을 통하여 Fig. 15와 같이 연소기 노즐목부의 스피닝을 성공적으로 수행할 수 있었으며, 제작된 제품의 가공을 통해 실제 연소기에 사용할 수 있도록 가공여유 까지 포함된 수준으로 제작을 완료하였다.
연소기 실린더부와 노즐목부 스피닝 공정에서 블랭크와 맨드럴 사이의 미끄러짐 현상에 의한 온도상승으로 국부적으로 재료의 강도가 저하되어 그 결과로 블랭크에 파손이 발생된 것으로 분석되었으며, 이를 방지하기 위해 맨드럴 볼트체결, 모깎기, 블랭크 형상변경 등을 추가하였고, 이를 통해 실린더부 및 노즐목부 내피 시제품을 스피닝 공정으로 제작하는데 성공하였다. 제작된 노즐목부 스피닝 시제품은 내부 조직크기가 균일하고 미세화된 상태로 제작이 되었으며, 균열이나 네킹없이 벌징이 되어 연소기 제작 공정에 적용할 수 있도록 충분한 성형성을 확보한 것을 확인하였다.
이러한 파손은 일반적으로 스피닝 공정중에 반경 방향(radial)으로 인장응력이 발생하면서 생기는 균열의 형태이다 [7]. 파손원인을 분석하였을　때, 롤러가 블랭크에 하중을 가하여 스피닝이 진행되는 동안 주축에서 회전력을 가하는 맨드럴과 소성변형이 일어나고 있는 블랭크 사이에서 미끄러짐이 발생하였으며, 이로 인해서 접촉부위의 온도가 상승하여 연질의 크롬-구리합금의 강도가 상대적으로 저하되어 네킹 발생 후 파손되는 현상으로 판단 되었다. 연소기 성형에 사용되는 크롬-구리합금의 경우 상온에서 450℃의 온도까지 온도가 높아질수록 항복강도와 인장강도가 떨어지는 현상이 나타난다[1].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체로켓 엔진의 추력 발생 방법은?	액체로켓 엔진은 연료 및 산화제가 연소기의 연소실에서 연소하면서 고온, 고압의 연소가스를 발생시켜 추력을 얻게 된다. 이때 발생되는 고온의 연소가스는 연소기 노즐목으로 압축되면서 마하수가 1이 되며, 노즐목을 통과한 이후에 연소가스는 유속이 증가하고 압력과 온도가 떨어 지게 된다.
	재생 냉각 챔버 연소실의 내부 벽면 또는 내피에 크롬-구리합금을 사용하는 이유는?	연소실 내부에서 발생되는 연소가스로부터 연소기의 열손상을 방지하기 위해 연소실 내부의 냉각 채널(channel)을 통해 연료를 유동시켜 연소실의 내부 벽면을 냉각시키는 재생 냉각 챔버(regenerative cooling chamber) 형태의 연소실이 사용된다. 재생냉각 챔버는 냉각성능과 냉각채널 내부의 압력, 온도 구배로 발생하는 열팽창에 따른 높은 열응력으로부터 구조적인 안정성을 향상시키기 위하여 연소실 내부벽면 또는 내피(inner wall)는 열전도가 좋고 강도를 향상시킨 크롬-구리합금을 사용하고 있다.
	크롬-구리합금 항복강도와 내식성의 특징은?	크롬-구리합금은 일반적으로 용체화 처리 후적당한 냉간가공과 시효 열처리를 수행하여[1] 전도도(conductivity)가 순동의 85% 이상 유지하면서[2] 강도는 순동의 2~3배 정도까지 향상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. 또한 크롬-구리합금은 크롬석출에 따른 시효경화 현상에 의해 600℃까지 항복 강도가 떨어지지 않는 특징을 가지고 있으며, 크롬이 보호 산화막의 화학적 특성을 개선하기 때문에 내식성(corrosion resistance)이 순동에 비해서는 좋은 편이다. 크롬-구리합금은 또한 탁월한 냉간 성형성(cold formability)과 좋은 열간 성형성을 가지고 있기 때문에[2], 소재를 다양한 소성가공 방법을 통해 제작 가능하다.

참고문헌 (8)

Final Report of Manufacturing Plate of Copper-Chromium Contacts, Korea Institute of Machinery & Materials, 1993.
"Chromium Copper," World Wide Web location http://www.copper.org/resources/ properties/microstructure/chrom_cu.html, Version 1.0, 2014.
Ryu, C.S., Lee, K.O. and Choi, H.S., "Evaluation of Formability of Copper Alloy for Regenerative Cooling Chamber of Thrust Chamber," Journal of the Korean Society of Aeronautical and Space Science, Vol. 37, No. 9, pp. 939-945, 2009.

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Heo, S.C., Ryu, C.S., Lee, K.O. and Choi, H.S., "Bulging Process Design of Inner Liner for Nozzle Throat of Thrust Chamber," Proceedings of the Korean Society of Aeronautical and Space Science Fall Annual Conference, Jeju, Korea, Nov. 2013.
Ryu, C.S. and Choi, H.S., "Bulging Process of Liquid Rocket Combustion Chamber Nozzle," Journal of the Korean Society of Aeronautical and Space Science, Vol. 36, No. 3, pp. 271-278, 2008.

원문보기 상세보기
Kurosu, A., Sunakawa, H., Kojima, M., Yamanishi, N., Noda, K., Ogawara, A., Tamura, T., Mizuno, T. and Kobayashi, S., "Progress on the LE-X Cryogenic Booster Engine," 4th European Conference for Aerospace Sciences (EUCASS), St Petersburg, Russia, Jun. 2011.
Wong, C.C., Dean, T.A. and Lin, J., "A Review of Spinnig, Shear Forming and Flow Forming Processes," International Journal of Machine Tools and Manufacture, Vol. 43, No. 14, pp. 1419-1435, 2003.

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Music, O., Allwood, J.M. and Kawai, K. "A Review of the Mechanics of Metal Spinning," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 210, No. 1, pp. 3-23, 2010.

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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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