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액체로켓엔진용 파이로시동기의 설계 및 연소시험연구
Design and Hot Fire Tests of the Pyrostarter for Liquid Rocket Engines 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.18 no.3, 2014년, pp.48 - 55  

강상훈 (Department of Aerospace System Engineering, Sejong University) ,  장제선 (Supply System Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 연구에서는 액체로켓엔진의 시동을 위한 파이로시동기의 설계 및 연소시험 연구를 수행하였다. 엔진의 시동 시에 터보펌프 RPM의 급격한 상승을 막기 위해 퇴행형 질량유량 선도를 적용하였으며, 연소 종단 시점에서 급격한 유량 감소 또한 구현하였다. 연소시험결과 파이로시동기 압력선도 및 연소 온도가 설계요구조건에 부합하는 것으로 확인되었으며, 점화제 변화연구를 통해 연소생성물 개선 및 안정적 점화를 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In present study, design and hot fire tests of the pryostarter are conducted. To prevent the turbopump RPM overshoot, regressive mass flow rate profile is applied. Sudden decrease of the mass flow rate at the end of the propellant burning is realized as well. Firing test results show good agreements...

주제어

#파이로시동기   #고체 추진제   #그레인 설계   #퇴행형 선도  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • AP 계 추진제는 일본에서 적용한 바 있는데 매우 낮은 연소온도를 갖는 대신에 연소가스 중에 HCl이 포함되어 있어 터빈 블레이드가 부식될 우려가 있다[7]. 따라서 AN 계 추진제 개발로 초기 계획을 잡고 개발을 진행하였다. 그러나, AN 계 추진제는 흡습성이 높아 개발 시험 중 습도가 높은 경우 점화에 실패하는 경우가 잦게 나타났다.
  • 본 연구를 통하여 한국형발사체 3단용 7톤급 엔진 시동을 위한 파이로시동기의 설계 및 연소시험을 수행하였다. 파이로시동기의 추진제는 75톤급 파이로시동기 기술시제개발 시에 적용하였던, DHG 계열의 추진제를 적용하였으며, MTV 점화제와 B/KNO3 점화제의 비교연구를 통해 2 g의 B/KNO3 점화제를 적용하는 것으로 최종결정하였다.
  • 본 연구에서는 한국형 발사체의 3단용 7톤급 액체로켓엔진의 시동을 위한 파이로시동기의 설계과정 및 연소시험결과를 고찰하고, 이를 통해 파이로시동기의 요구성능 구현을 위한 기술개발의 주안점과 문제해결 방안을 기술하였다.

가설 설정

  • 파이로시동기의 설계 요구조건을 만족하기 위해 추진제 그레인형상은 마차바퀴(Wagon wheel) 모양을 기본으로 하여 설계를 진행하였다. 초기 연소압력은 13 MPa로 두었으며, 이 연소압력에 따른 연소반응율로 약 0.74 s* 내에 추진제 외각(Web)의 연소반응이 종료된다고 가정하여 추진제의 외각두께(Web thickness)를 결정하고 남은 잔여추진제의 연소가 1 s* 에 종료되는 것으로 설정하였다. 추진제 그레인 형상은<형상설계 - 내탄도 해석 - 설계 수정/보완>의 시행착오 기법을 통해 최종형상을 결정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
우주발사체에 적용되는 액체추진기관의 방식은 어떤 것들이 있는가? 우주발사체에 적용되는 액체추진기관에는 추진제 공급방식에 따라 별도의 고압가스로 추진 제 탱크를 가압하여 추진제를 공급하는 가압식과 터보펌프의 구동을 통해 추진제를 공급하는 터보펌프식이 있다. 소형 엔진의 경우 가압식이 많이 적용되지만 대형엔진의 경우에는 고온의 구동가스를 이용하는 터보펌프 방식이 엔진 중량저감 및 효율 측면에서 더 유리하다.
소형 엔진의 경우 일반적으로 어떤 방식의 액체추진기관이 적용되는가? 우주발사체에 적용되는 액체추진기관에는 추진제 공급방식에 따라 별도의 고압가스로 추진 제 탱크를 가압하여 추진제를 공급하는 가압식과 터보펌프의 구동을 통해 추진제를 공급하는 터보펌프식이 있다. 소형 엔진의 경우 가압식이 많이 적용되지만 대형엔진의 경우에는 고온의 구동가스를 이용하는 터보펌프 방식이 엔진 중량저감 및 효율 측면에서 더 유리하다.
파이로시동기의 역할은? 터보펌프의 구동을 위해서는 로켓엔진 추진제의 일부를 별도의 가스발생기 내에서 연소시켜 고온, 고압의 구동가스를 발생시키고, 이 에너지를 이용하여 터보펌프의 터빈을 회전시킨다[1]. 그러나, 이러한 가스발생기에 공급되는 추진제 또한 터보펌프로부터 공급받아야하므로, 최초로 터보펌프를 구동시키기 위해서는 별도의 시동가스를 터빈에 공급해줘야 한다. 이를 담당한 구성품이 바로 파이로시동기(Pyrostarter)이다.
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참고문헌 (11)

  1. Sutton, G.P., Rocket Propulsion Elements, 7th ed., John Wiley & Sons Inc., New York, N.Y., U.S.A., 2001. 

  2. Hong, M.G. and Lee, S.Y., "The Current Status of the Development of Pyrostarters," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 204-209, 2010. 

  3. ark, S.Y. and Seol, W.S., "Numerical Analysis on the Startup of a Rocket Engine," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 11, No. 5, pp. 60-71, 2007. 

  4. Song, J.K., Choi, S.H., Hong, M.G. and Lee. S.Y., "Development of Propellant for Turbopump Pyro Starter," 2009 the Korean Society of Propulsion Engineers Spring Conference, pp. 7-10, 2009. 

  5. Choi, J.S., Song, J.K., Choi, S.H., Hong, M.G., Hong. M.G. and Kang, S.H, "Study of Solid Propellant for Starter of Turbo Pump," 2013 The Society for Aerospace System Engineering Spring Conference, 2013. 

  6. Saturn IB vehicle handbook : Volume II : S-IB Stage, 1966. 

  7. Tanatsugu N., Naruo, Y., Akiba, R. and Kuratani. K. "Development of Turbine Spinner for LH2/LOX Rocket Engine," (Japanese) Space Science Research Report, Vol.6, pp. 145-153, 1983. 

  8. Cha, H.S., Oh, S.J. and Kown. M., "A study on the Performance Optimization of the Igniter in a Gas Generator," 2012 the Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conference, pp. 13-17, 2012. 

  9. Karimi, H. and Taheri, E. "Simulation of the Internal Ballistics of a Liquid Propellant Engine Start System in Comparison With Experimental Verification", European Conference on Computational Fluid Dynamics, 2006. 

  10. KARI-Yuzunoye Technology Service Contract Report, KPS-Y030RP, 2004. 

  11. KARI-APP Technology Service Contract Proposal, 2007. 

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