대한민국의 새로운 우주발사체인 KSLV-II에는 적합한, 자신만의 발사운용을 위해서 새로운 발사대 시스템 개발이 요구된다. 새로운 발사대시스템은 운용 효율성의 극대화와 경제성 측면에서 나로우주센터의 기존 KSLV-I 발사대 인근에 구축될 예정이다. 발사대시스템은 통상 기계설비, 전기설비, 그리고 추진제설비의 세 가지 지상설비들로 구성되는데, 이 중 추진제공급설비는 발사체 운용에 필요한 추진제 및 각종 가스류를 보관하고 조건에 맞게 공급하는 시스템들의 집합체로 정의된다. 본 논문에서는 한국형발사체 발사대시스템의 추진제공급설비에 대한 구성 및 기능과, 발사 시 발생하는 고온 고속의 연소 후류를 안전하게 배출하기 위한 화염유도로 형상에 대한 설계 결과를 소개하고자 한다.
대한민국의 새로운 우주발사체인 KSLV-II에는 적합한, 자신만의 발사운용을 위해서 새로운 발사대 시스템 개발이 요구된다. 새로운 발사대시스템은 운용 효율성의 극대화와 경제성 측면에서 나로우주센터의 기존 KSLV-I 발사대 인근에 구축될 예정이다. 발사대시스템은 통상 기계설비, 전기설비, 그리고 추진제설비의 세 가지 지상설비들로 구성되는데, 이 중 추진제공급설비는 발사체 운용에 필요한 추진제 및 각종 가스류를 보관하고 조건에 맞게 공급하는 시스템들의 집합체로 정의된다. 본 논문에서는 한국형발사체 발사대시스템의 추진제공급설비에 대한 구성 및 기능과, 발사 시 발생하는 고온 고속의 연소 후류를 안전하게 배출하기 위한 화염유도로 형상에 대한 설계 결과를 소개하고자 한다.
KSLV-II, a new launch vehicle of Korea, requires a new launch complex(LC) for its own and proper launch operations. The new launch complex will be constructed in NARO Space Center neighboring KSLV-I launch complex for maximizing operation efficiency and economic matters. The launch complex consists ...
KSLV-II, a new launch vehicle of Korea, requires a new launch complex(LC) for its own and proper launch operations. The new launch complex will be constructed in NARO Space Center neighboring KSLV-I launch complex for maximizing operation efficiency and economic matters. The launch complex consists of three ground support equipments, i.e., mechanical, electrical, and fuel in general. The fuel ground support equipment could be defined as a combination of systems for storage and supply of propellants and gases which are required by a launch vehicle. The compositions, functions and capabilities of fuel ground support equipment are introduced in this paper. In addition, basic design results of flame deflector configurations are included.
KSLV-II, a new launch vehicle of Korea, requires a new launch complex(LC) for its own and proper launch operations. The new launch complex will be constructed in NARO Space Center neighboring KSLV-I launch complex for maximizing operation efficiency and economic matters. The launch complex consists of three ground support equipments, i.e., mechanical, electrical, and fuel in general. The fuel ground support equipment could be defined as a combination of systems for storage and supply of propellants and gases which are required by a launch vehicle. The compositions, functions and capabilities of fuel ground support equipment are introduced in this paper. In addition, basic design results of flame deflector configurations are included.
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문제 정의
발사대시스템은 세 가지 지상지원설비로 구성되며, 이 중 본 논문에서는 발사체로 추진제와 각종 가스를 공급하고, 발사대시스템 자체 운용에 필요한 가스류를 저장, 공급하는 추진제공급설비에 대해 집중적으로 소개하였다. 또한 발사대시스템 전체 구성 및 배치 결정에 큰 영향을 미치는 화염유도로의 형상에 대한 기본 설계 결과를 덧붙여 소개하였다.
발사대 화재확산 방지설비(Fire Protection System, FPS)는 발사대 주변 또는 발사체에서 발생한 화재를 초기 진압하거나, 소방차 등 외부 설비가 투입되기 전까지 발생 화재의 확산을 억제하는 것을 목적으로 한다. 발사대소화설비는 유류 화재에 대비 화약용제 거품을 생성하여 발사대 주변 4곳에 설치된 노즐을 통해 분사한다(Fig.
본 논문에서는 한국형발사체 개발계획의 일환으로 개발 중인 한국형발사체 발사대시스템의 전반적인 구성 및 기능과 현재까지의 설계 결과를 소개하였다. 발사대시스템은 세 가지 지상지원설비로 구성되며, 이 중 본 논문에서는 발사체로 추진제와 각종 가스를 공급하고, 발사대시스템 자체 운용에 필요한 가스류를 저장, 공급하는 추진제공급설비에 대해 집중적으로 소개하였다.
본 연구에서는 기존 시설의 공급 가능용량이 Table 4의 충전 요구조건에 적합한지를 파악하였고, 1단, 2단, 3단 동시 충전의 가능여부를 검토하였다. 그 결과 공급계는 중앙공용시설(CB)의 저장탱크 및 공급펌프 등을 그대로 사용할 수 있는 것으로 파악되었고, 초저온열교환기 및 유량조절 밸브블록 등 발사대(LC1)에 위치하는 시설은 시험발사대의 경우 일부 개선하여 사용하되, 한국형발사체 발사대(LC2)는 신규 구축하는 것으로 결정하였다.
연료 공급계(Fuel Filling System, FFS)는 발사체에 필요한 연료를 발사운용에 대비하여 저장하고, 발사 운용 시 발사체 요구조건에 맞게 공급하는 것을 목적으로 한다. 공급계는 또한 발사 취소 시 발사체 내부 연료탱크에 주입된 연료를 안전하게 회수하는 역할도 수행한다.
고압가스 부속시스템 그룹의 마지막 부속시스템은 발사대 온도제어계(Launch Complex Thermal-control System, LCTS)이다. 이 시스템은 발사체 주요 탑재시스템 및 탑재위성의 온도, 습도, 압력을 각각의 요구조건에 맞게 조절하는 것을 목적으로 한다. 발사체 및 위성은 매우 정밀한 전자기기를 포함하기 때문에 발사체의 운용을 위해서는 고청정 공기를 일정 온도와 습도로 공급하는 설비가 필요하다.
제안 방법
3.1절에서 설명한 설계 원칙과 주요 설계 변수를 바탕으로 한국형발사체의 설계 자료[4]를 고려한 화염유도로 형상을 설계하였다. Table 6은 그 설계 결과를 나타내고 있으며, KSLV-I 나로호 화염유도로의 설계 결과를 함께 표현하여 비교할 수 있도록 하였다.
각각 2대의 헬륨압축기와 공기 압축기를 사용하며, 승압 후 응축수 제거를 위해 수분 흡착 및 필터 방식의 수분제거 유닛을 사용한다. 고압가스공급계는 중앙공용시설에 위치하며, 기능 상 추가 또는 변경의 필요가 없으므로 기존 시설을 유지/보수하여 사용하도록 설계하였다.
고압가스의 저장을 위해서는 고압용기(저장압력 380 bar, 내용적 1 Nm3) 144개를 사용하는데, 기존 나로호 발사대시스템의 고압가스 저장/공급시설(CB 부분)을 그대로 활용하며, 시험발사체 발사대시스템과 한국형발사체 발사대시스템에 공유되도록 설계하였다. 공급계는 또한 압력 및 유량 조절을 위해 통제실에서 원격 조작되는 자동 패널(29개)과 현장 수동 조작하는 수동 패널(60개)을 사용한다.
발사대시스템은 발사체와 밀접한 연관을 가지기 때문에 통상 하나의 발사체에 전용으로 사용한다. 나로우주센터의 발사대시스템도 한국형발사체 개발 계획에 따라 시험발사체 발사대(LC1, 기존 KSLV-I 나로호 발사대시스템 개조)와 한국형발사체 발사대 (LC2, 신규 구축)의 2개 발사대와 양 발사대로 추진제 및 가스를 공급하는 중앙공용시설(CB, 기존시설 개선/보완 후 재사용, Fig. 1 및 Fig. 2 참조)로 구성하였다.
본 논문에서는 한국형발사체 개발계획의 일환으로 개발 중인 한국형발사체 발사대시스템의 전반적인 구성 및 기능과 현재까지의 설계 결과를 소개하였다. 발사대시스템은 세 가지 지상지원설비로 구성되며, 이 중 본 논문에서는 발사체로 추진제와 각종 가스를 공급하고, 발사대시스템 자체 운용에 필요한 가스류를 저장, 공급하는 추진제공급설비에 대해 집중적으로 소개하였다. 또한 발사대시스템 전체 구성 및 배치 결정에 큰 영향을 미치는 화염유도로의 형상에 대한 기본 설계 결과를 덧붙여 소개하였다.
반면 한국형발사체 발사대에서는 약 1,500 ℓ 내외의 냉각수 분사가 가능한 냉각계가 요구되는데, 기존 냉각계 설계를 최대한 활용하기 위해 초당 1,800 ℓ의 냉각수 분사하는 것으로(KSLV-I 발사대의 냉각계 2배 확장) 설계하였다. 분사 유지시간은 냉각 효과를 고려하여 엔진 점화 전후 약 15초간 도합 30초를 유지할 것을 제안하는 KSLV-I 설계자료[5]를 기준으로 동일한 유지시간을 갖도록 설계하고 있다. KSLV-I은 엔진 점화 약 3초 후 이륙하였고[5], 한국형발사체는 엔진 점화 약 5초 후 이륙할 것이므로[4] 화염유도로의 냉각에 충분한 유지시간으로 판단된다.
12는 Table 6의 설계 Data를 적용한 화염유도로 형상의 3차원 캐드 모델이다. 설계된 화염유도로 형상이 발사체 연소 후류를 안전하게 배출할 수 있는지의 여부에 대해서는 전산유동해석을 이용하여 검증할 계획이다. 또한 화염유도로 냉각계를 이용한 냉각수 분사를 포함하는 전산유동해석을 통해 냉각 효과를 확인할 계획이다.
각 패널들에는 유로의 개방과 폐쇄를 위한 밸브들과 과압 방지용 안전밸브, 이물질 제거용 필터, 유량 조절용 압력조절밸브 등이 설치되어 유량과 압력을 적절히 조절한다. 시험발사체 발사대시스템은 기존 나로호 발사대 시스템의 자동, 수동 패널을 그대로 활용할 수 있지만, 한국형발사체 발사대시스템에서는 발사체로 가스 공급을 위한 패널들을 신규 구축하도록 설계하였다.
9 참조). 연료공급계는 발사대 지하에 위치하므로 한국형발사체의 연료 공급계는 신설되는 발사대(LC2)의 지하에 신규 구축하도록 설계하였다. 설계된 연료 공급계의 주요 규격은 Table 5와 같다.
5배의 냉각수를 분사하는 것이 적절한 것으로 제시하고 있다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 각 발사대의 냉각수 유량을 결정하였다. 시험발사체 발사대의 경우 기존 시설에서 공급 가능한 냉각수 유량이 추진제질 유량의 3배 이상이므로(Table 2 참조) 기존 냉각계를 개조 없이 그대로 사용하도록 설계하였다.
설계된 연료 공급계의 주요 규격은 Table 5와 같다. 저장탱크는 발사체 충전량을 최대 저장량의 70%가 되도록 설계하였다(KSLV-I 나로호 발사대시스템의 경우 70 N㎥, 50 ton 연료 저장). Table 5의 공급 요구조건은 액체산소 공급계의 경우와 마찬가지로 발사 운용 조건 및 절차에 따라 결정되었으며, 1단, 2단, 3단 동시 충전조건으로 펌프용량 및 배관 구성 등에 대한 설계가 진행 중이다.
특히 2단 및 3단 운용도 고려하여야 하므로 패널의 수량이 상당히 늘어나야 할 것으로 파악되고 있다. 전자식 유공압패널은 발사체 내부 유공압 설계와 온보드 제어시스템의 설계가 반영되어야 하는데, 아직 한국형발사체의 설계가 완료 되지 못한 관계로 개념 수립 및 기초 조사 수준의 설계만 진행하였다.
추진제공급설비는 발사대시스템의 일상운용을 비롯하여 발사운용 전반에서 주어진 기능을 수행하도록 설계한다.
추진제공급설비는 발사체 요구조건에 맞게 주어진 기능을 효율적으로 수행하기 위해 총 11개 부속시스템(계)으로 구성되었다. 각 부속시스템(계)의 명칭 및 분류기호는 Fig.
추진제공급설비의 11개 부속시스템(계)은 발사 운용 중 담당하는 역할과 사용 유체의 종류 등에 따라 다시 고압가스 부속시스템 그룹, 초저온 부속시스템 그룹, 연료 부속시스템 그룹, 안전 부속시스템 그룹으로 분류하여 구축/운용하도록 설계하였다.
대상 데이터
) 144개를 사용하는데, 기존 나로호 발사대시스템의 고압가스 저장/공급시설(CB 부분)을 그대로 활용하며, 시험발사체 발사대시스템과 한국형발사체 발사대시스템에 공유되도록 설계하였다. 공급계는 또한 압력 및 유량 조절을 위해 통제실에서 원격 조작되는 자동 패널(29개)과 현장 수동 조작하는 수동 패널(60개)을 사용한다. 각 패널들에는 유로의 개방과 폐쇄를 위한 밸브들과 과압 방지용 안전밸브, 이물질 제거용 필터, 유량 조절용 압력조절밸브 등이 설치되어 유량과 압력을 적절히 조절한다.
8 참조). 초저온탱크는 내용적 250 N㎥의 크기이며, 액체산소를 안전하게 보관하기 위해 진공 단열처리 된 이중탱크를 채용하였다. 배관 및 밸브들도 모두 초저온액체를 취급하기에 적절한 재질 및 구조를 가지고 있으며, 진공단열을 기본으로 하는 단열처리가 적용되었다.
성능/효과
본 연구에서는 기존 시설의 공급 가능용량이 Table 4의 충전 요구조건에 적합한지를 파악하였고, 1단, 2단, 3단 동시 충전의 가능여부를 검토하였다. 그 결과 공급계는 중앙공용시설(CB)의 저장탱크 및 공급펌프 등을 그대로 사용할 수 있는 것으로 파악되었고, 초저온열교환기 및 유량조절 밸브블록 등 발사대(LC1)에 위치하는 시설은 시험발사대의 경우 일부 개선하여 사용하되, 한국형발사체 발사대(LC2)는 신규 구축하는 것으로 결정하였다.
Table 1은 현재까지 설계된 고압가스 공급계의 공급 능력을 보여주고 있다. 기존 KSLV-I 나로호 발사대시스템의 공급능력과 동일한 수준으로, 기본설계 수행 과정에서 한국형발사체 가스 공급 요구조건[4]과의 용량 비교 검토를 통해 시험발사체 발사는 물론 한국형발사체의 발사운용에도 적정한 수준임을 확인하였다.
설계과정의 용량 검토 결과 고압부나 초저온 부의 경우 기존 발사대의 설비를 별다른 개선 없이 사용 가능할 것으로 파악되었다. 저압부의 경우는 발사체의 퍼지 요구량 변동 여하에 따라 설비 증설 및 개량이 필요할 수 있다.
후속연구
설계된 화염유도로 형상이 발사체 연소 후류를 안전하게 배출할 수 있는지의 여부에 대해서는 전산유동해석을 이용하여 검증할 계획이다. 또한 화염유도로 냉각계를 이용한 냉각수 분사를 포함하는 전산유동해석을 통해 냉각 효과를 확인할 계획이다.
후속 설계 과정에서는 발사대시스템의 각 부속시스템의 상세 규격 및 구성 등을 확정하고, 필요한 구성품의 규격 및 수량을 결정하게 된다. 아울러 시스템 계통도 및 배관 배치도 등을 확정한 후 공정 해석, 유동해석 등을 통해 적절성을 파악할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발사대 시스템의 추진제공급설비란 무엇인가?
새로운 발사대시스템은 운용 효율성의 극대화와 경제성 측면에서 나로우주센터의 기존 KSLV-I 발사대 인근에 구축될 예정이다. 발사대시스템은 통상 기계설비, 전기설비, 그리고 추진제설비의 세 가지 지상설비들로 구성되는데, 이 중 추진제공급설비는 발사체 운용에 필요한 추진제 및 각종 가스류를 보관하고 조건에 맞게 공급하는 시스템들의 집합체로 정의된다. 본 논문에서는 한국형발사체 발사대시스템의 추진제공급설비에 대한 구성 및 기능과, 발사 시 발생하는 고온 고속의 연소 후류를 안전하게 배출하기 위한 화염유도로 형상에 대한 설계 결과를 소개하고자 한다.
발사대 기계설비의 구성요소는 무엇인가?
발사체를 발사대로 이송하고, 발사 운용을 위해 발사체를 기립한 후 발사체를 발사패드 상에 안전하게 고정하는 등 발사체를 기계적으로 운용하는 부속 설비를 발사대 기계설비(Mechanical Ground Support Equipment, MGSE)라 한다. 발사대 기계설비는 발사체가 장착되고 이륙하는 발사패드와 발사체를 거치하는 고정 구조물, 발사체와 지상설비를 연계하는 엄빌리컬, 그리고 기타 기계 장치로 구성된다. 다음으로 연료, 산화제 및 압축공기를 발사체에서 요구하는 적절한 조건에 맞게 저장/공급하며, 발사 취소 시 발사체로부터 안전하게 배출하는 기능을 담당하는 부속설비는 추진제 공급설비(Propellant Ground Support Equipment, PGSE)라 한다.
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