발사대시스템의 산화제공급계(Liquid Oxygen Filling System)는 발사체의 추진제(Propellant) 중 연료의 연소를 위한 산화제(Oxidizer)로 사용되는 액체산소(Liquid Oxygen)를 저장하고, 발사체 요구조건에 맞게 공급하는 하는 설비이다. 본 논문에서는 한국형발사체(KSLV-II) 발사대시스템 상세설계(Critical Design, 2015년 8월에서 2016년 4월, 8개월) 동안 수행된 한국형발사체 발사대시스템 추진제 공급설비의 산화제공급계 설계 내용을 주요 설비 구성에 대하여 구조적 관점으로 소개한다.
발사대시스템의 산화제공급계(Liquid Oxygen Filling System)는 발사체의 추진제(Propellant) 중 연료의 연소를 위한 산화제(Oxidizer)로 사용되는 액체산소(Liquid Oxygen)를 저장하고, 발사체 요구조건에 맞게 공급하는 하는 설비이다. 본 논문에서는 한국형발사체(KSLV-II) 발사대시스템 상세설계(Critical Design, 2015년 8월에서 2016년 4월, 8개월) 동안 수행된 한국형발사체 발사대시스템 추진제 공급설비의 산화제공급계 설계 내용을 주요 설비 구성에 대하여 구조적 관점으로 소개한다.
In this paper, the liquid oxygen filling system (LOXFS) of the launch complex system of Korea Space Launch Vehicle-II (KSLV-II) is introduced based on critical design result by KARI in 2015 to 2016. The function and specification of the main systems of the liquid oxygen filling system, such as the s...
In this paper, the liquid oxygen filling system (LOXFS) of the launch complex system of Korea Space Launch Vehicle-II (KSLV-II) is introduced based on critical design result by KARI in 2015 to 2016. The function and specification of the main systems of the liquid oxygen filling system, such as the storage tank, the drainage tank, the supply pumping system, the curved heat exchanger with liquid nitrogen, end valve block system, and umbilical connection, are presented.
In this paper, the liquid oxygen filling system (LOXFS) of the launch complex system of Korea Space Launch Vehicle-II (KSLV-II) is introduced based on critical design result by KARI in 2015 to 2016. The function and specification of the main systems of the liquid oxygen filling system, such as the storage tank, the drainage tank, the supply pumping system, the curved heat exchanger with liquid nitrogen, end valve block system, and umbilical connection, are presented.
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문제 정의
2015년 8월에서 2016년 4월까지 8개월간 수행된 한국형 발사체(KSLV-II) 발사대 시스템 상세 설계 과정을 통하여 추진제 공급설비의 산화제 공급계의 상세 설계가 완료되었다. 본 논문에서는 현재까지의 상세 설계를 바탕으로 하여 한국형 발사체 발사대 시스템의 추진제 공급설비 산화제 공급계의 설계 내용을 구조적 관점으로 주요 설비 구성에 대하여 소개하였다. 산화제 공급계의 상세 설계에서는 배관 계통도(P&ID, Piping and Instrument Diagram)와 공정 흐름도(PFD, Process flow diagram) 확정, P&ID와 Layout에 따른 배치 도면 작성, 발사체 충전 배관 1-D 유동 해석, 배관 크기 확정, 부품 목록(장비, 부품, 배관, 센서, 계기 등) 확정(규격, 수량, 제작사 등 포함), 시험 계획 수립, 기술사양서와 운용문서 작성, 그리고 발사 관제설비, 발사대 기반시설 설계 및 구축제작을 위한 Input data 작성, 발사대 운용을 위한 알고리즘 문서 생성 등이 수행되었다.
본 논문은 2015년 8월에서 2016년 4월까지 8개월간 수행된 한국형발사체 (KSLV-II) 발사대시스템 상세설계 중 추진제공급설비의 산화제공급계의 상세설계 결과물을 바탕으로 하여 산화제공급계를 설비 구성의 관점에서 설명한다.
산화제공급계는 발사체의 추진제(Propellant) 중 연료의 연소를 위한 산화제(Oxidizer)로 사용되는 액체산소(LOX, Liquid Oxygen)를 저장하고, 발사체 요구조건에 맞게 공급하는 것을 목적으로 한다. 산화제공급계는 발사체 1, 2, 3단의 산화제 저장 탱크에 단계별로 정량적 주입이 가능하여야 하며, 발사 취소 시 발사체로 공급된 산화제를 안전하게 회수하는 기능도 포함하여야 한다.
제안 방법
Table 4은 산화제 냉각용 열교환기의 산화제와 기체 헬륨의 운용 유량, 입/출구 온도와 압력과 상세 설계에서 제안된 총 열교환 면적을 보여준다[6]. 기존 나로호 산화제공급설비의 산화제 냉각용 열교환기의 설계자료 및 운용 시험결과에서 열교환기의 튜브측인 산화제 배관 내부 열교환계수 값와 쉘 측인 외부 열교환 계수 값을 참고하여 본 상세 설계에 적용하였다.
산화제 공급계의 상세 설계에서는 배관 계통도(P&ID, Piping and Instrument Diagram)와 공정 흐름도(PFD, Process flow diagram) 확정, P&ID와 Layout에 따른 배치 도면 작성, 발사체 충전 배관 1-D 유동 해석, 배관 크기 확정, 부품 목록(장비, 부품, 배관, 센서, 계기 등) 확정(규격, 수량, 제작사 등 포함), 시험 계획 수립, 기술사양서와 운용문서 작성, 그리고 발사 관제설비, 발사대 기반시설 설계 및 구축제작을 위한 Input data 작성, 발사대 운용을 위한 알고리즘 문서 생성 등이 수행되었다.
1단은 5개(KF61~KF65), 2단은 4개(KF71~74), 그리고 3단 4개(KF81~84), 총 13개의 공급용 초저온 밸브, 그리고 단별로 1개씩 총 3개(K60, K70, K80)의 회수용 초저온 밸브로 구성되어 있다. 상세 설계에서 산화제 충전 운용은 3단 동시 충전 시작과 동시 종료를 기준으로 하여 1-D 유동 해석을 수행하였으며, 해석 결과를 바탕으로 상세 충전 운용 방향 결정, 배관과 밸브 크기를 결정하였다. 유동 해석 시 각 충전유량조절 밸브의 운전 개도 범위가 20~65% 사이 값을 가지도록 설정하였다.
시험 발사체 발사대시스템은 제1발사대이며 나로호(KSLV-I) 발사가 수행된 기존 나로호 발사대시스템을 개조· 보완 구축한다.
밸브 크기가 커서 운전 개도가 20% 미만인 경우에는 더 작은 밸브를 적용하여 운전범위에 들어갈 수 있게 하였고, 반대의 경우에는 밸브의 크기를 줄여서 운전범위를 만족시킬 수 있게 조정한다. 이를 통해 해당 밸브 운전 개도 범위를 기준으로 충전 모드 및 각 단별 산화제 충전 유량과 소요 시간을 만족하는 밸브 직경을 도출하였다.
특히, 산화제 공급 시스템의 엄빌리칼 연결부는 –183℃의 극저온 조건에서의 기밀이 핵심 성능이므로 –196℃ 액체 질소를 이용한 저온 기밀시험을 통해 성능 검증이 수행되었다.
성능/효과
Table 2는 산화제 저장탱크의 주요 성능 내용을 보여준다. 산화제 저장탱크의 산화제 총 용적, 저장 질량, 저장 용적, 운용과 설계 압력/온도, 단열재, 그리고 단열 성능을 나타내고 있으며, 설계 결과이자 현재 설치 완료된 제작 완료및 운용 조건이다. 저장탱크의 상세한 제작 치수 등은 제공되지 않았다.
후속연구
산화제 냉각용 열교환기는 곡선형 열교환기의 다양한 형상 파라미터(곡선형 코일 높이, 지름, 피치 수 등), 주 배관(Main header)에서 다수의 곡선형 열교환기로 나뉠 때 발생하는 유량 불균등 분배 현상(Mal-distribution), 그리고 액체 질소의 초저온 영역에서의 막비 등 열전달 현상과 추가적인 기포 발생으로 인한 열전달 억제 현상과 같은 문제점이 있으므로 향후 설계 검증 시시험 결과를 이용한 타당성 검토 과정을 반드시 반영해야 한다.
산화제공급계는 액체 산소가 초저온(~90 K)이므로 외기와의 열교환 차단을 위해 특별한 단열처리 (진공단열 또는 보냉)가 적용된 저장탱크, 초저온 밸브, 그리고 초저온 유체 이송펌프 등으로 구성되어있다. 이 중 산화제 저장탱크, 유체 이송 펌프, 초저온 밸브류, 필터는 중앙공용시설의 기존 나로호 발사대 시스템의 것을 활용할 계획이다.
산화제 공급계의 상세 설계에서는 배관 계통도(P&ID, Piping and Instrument Diagram)와 공정 흐름도(PFD, Process flow diagram) 확정, P&ID와 Layout에 따른 배치 도면 작성, 발사체 충전 배관 1-D 유동 해석, 배관 크기 확정, 부품 목록(장비, 부품, 배관, 센서, 계기 등) 확정(규격, 수량, 제작사 등 포함), 시험 계획 수립, 기술사양서와 운용문서 작성, 그리고 발사 관제설비, 발사대 기반시설 설계 및 구축제작을 위한 Input data 작성, 발사대 운용을 위한 알고리즘 문서 생성 등이 수행되었다. 향후 제작 설계, 제작, 구축이 수행되며, 독립 성능 시험(AT, Autonomous test), 발사체 연계 시험(QT, Qualification test), 비행 시험(FT, Flight test)의 성능 확인과 검증 절차가 진행될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
산화제공급계의 목적은?
산화제공급계는 발사체의 추진제(Propellant) 중 연료의 연소를 위한 산화제(Oxidizer)로 사용되는 액체산소(LOX, Liquid Oxygen)를 저장하고, 발사체 요구조건에 맞게 공급하는 것을 목적으로 한다. 산화제공급계는 발사체 1, 2, 3단의 산화제 저장 탱크에 단계별로 정량적 주입이 가능하여야 하며, 발사 취소 시 발사체로 공급된 산화제를 안전하게 회수하는 기능도 포함하여야 한다.
발사대시스템이란?
발사대시스템은 1) 조립과 점검을 마친 발사체를 발사 패드로 이동·장착하고 2) 발사 전 최종 기능 점검, 3) 연료·산화제 주입, 그리고 4) 발사체 온도 제어 등의 발사 운용 작업을 거쳐 발사체의 발사를 담당하는 지상에서 이루어지는 운용과 관련된 모든 시스템을 의미한다. 발사대 시스템은 기능적으로 지상 기계설비, 추진제 공급 설비, 발사 관제설비, 그리고 기반 시설로 구성 된다.
발사대 시스템 설비의 구성은 어떻게 되어있으며 각각의 특징은?
발사대 시스템은 기능적으로 지상 기계설비, 추진제 공급 설비, 발사 관제설비, 그리고 기반 시설로 구성 된다. 각 설비는 1) 발사체의 수송, 기립, 그리고 발사 패드와의 상부 결합 등 발사체를 기계적으로 운용하는 발사대 기계설비(MGSE, Mechanical Ground Support Equipment), 2) 연료, 산화제와 고압 가스류를 발사체의 요구 조건에 맞게 저장 /공급하며, 발사 취소 시 발사체로부터 안전하게 배출/회수하는 기능을 담당하는 추진제 공급설비(FGSE, Fuel Ground Support Equipment), 3) 발사 운용 시 발사대 기계설비, 추진제 공급설비와 발사체의 전반적인 감시, 사전 점검과 발사 제어 운용을 담당하는 발사 관제설비(EGSE, Electrical Ground Support Equipment), 그리고 4) 전력, 급수, 공조, 통신, 소방, 토목/건축 등으로 구성된 발사대 기반시설이다[1,2]. 추진제 공급설비는 발사 운용 중 담당하는 역할과 사용 유체 종류를 기준으로 4가지 부속시스템 그룹(고압가스, 초저온, 연료, 안전 부속 시스템 그룹)으로 나뉜다[1].
참고문헌 (8)
Kang, S.I., Oh, H.Y. and Kim, D.R., "Basic Design of Propellant Ground Support Equipment and Flame Deflector for KSLV-II Launch Complex," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 19, No. 1, pp. 76-86, 2015.
Hyundai Heavy Industry CO., "KSLV-II Launch Complex Critical Design Final Report," KARI, 2016.
Hyundai Heavy Industry CO., HANYANG ENG CO., "Technical Description for Liquid Oxygen Filling System-K108," KARI K108.00-S-209-001-TD, 2016.
Hyundai Heavy Industry CO., HANYANG ENG CO., "Process Flow Diagram for LOX Filling System," KARI K108.00-S-201-001, 2016.
Yu, B.I., Park, S.Y., Park, P.G. and Kim, J.H., "Temperature Control System of Cryogenic Propellant for Launch Complex," Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conference, Busan, Korea, Nov. 2011.
Jung, Y.S., "KSLV-II Umbilical Propellant Line Condition A.1," KARI L2-CD-00033, 2016.
Park, S.Y., Kim, J.H., Park, P.G. and Yu, B.I., "Analysis on the Filling Mode of Liquid Oxygen to the Launch Vehicle Using Flowmaster," Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conference, Daejeon, Korea, Nov. 2009.
Lee, J.J., Park, S.M., Kang, S.I., Oh, H.Y. and Jung, E.S., "Analysis on the Filling Mode of Propellant Supply System for the Korea Space Launch Vehicle," Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conference, Gyeong-ju, Korea, Nov. 2015.
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