한국항공우주연구원에서는 현재 대한민국 독자적인 기술의 한국형발사체를 개발하고 있다. 따라서 한국형발사체의 추진기관에 적합한 새로운 발사대시스템의 개발이 요구된다. 한국형발사체는 엔진 추력, 단 구성, 추진기관 배관 및 구성품 규격 등이 나로호와는 확연히 변화되었기에 이에 적절히 대응되는 발사대시스템의 연료공급설비가 구축되어야 한다. 한국항공우주연구원에서는 발사대시스템의 상세설계를 통하여 예비설계 결과를 바탕으로 보다 구체적인 공급라인 구성과 구성품의 규격을 설계하였고, 충전개념을 결정하였다. 또한 케로신 공급운용 및 사전작업에 필요한 계획을 수립하였고 이에 따른 운용알고리즘을 구성하였다.
한국항공우주연구원에서는 현재 대한민국 독자적인 기술의 한국형발사체를 개발하고 있다. 따라서 한국형발사체의 추진기관에 적합한 새로운 발사대시스템의 개발이 요구된다. 한국형발사체는 엔진 추력, 단 구성, 추진기관 배관 및 구성품 규격 등이 나로호와는 확연히 변화되었기에 이에 적절히 대응되는 발사대시스템의 연료공급설비가 구축되어야 한다. 한국항공우주연구원에서는 발사대시스템의 상세설계를 통하여 예비설계 결과를 바탕으로 보다 구체적인 공급라인 구성과 구성품의 규격을 설계하였고, 충전개념을 결정하였다. 또한 케로신 공급운용 및 사전작업에 필요한 계획을 수립하였고 이에 따른 운용알고리즘을 구성하였다.
Korea Aerospace Research Institute(KARI) has been developing a new launch vehicle Korea Space Launch Vehicle-II(KSLV-II) with their own technology. Thus, it is required a new launch complex that corresponds to a new propulsion system of launch vehicle. Because widely changing of KSLV-II comparing wi...
Korea Aerospace Research Institute(KARI) has been developing a new launch vehicle Korea Space Launch Vehicle-II(KSLV-II) with their own technology. Thus, it is required a new launch complex that corresponds to a new propulsion system of launch vehicle. Because widely changing of KSLV-II comparing with KSLV-I such as thrust of engine system, composition of vehicle staging, pneumo-hydraulic scheme of propulsion system, it is important to establishing appropriate ground support equipments for fuel(kerosene) filling. In this critical design process, specific supply line and specification of components are designed and the concept of kerosene filling is determined based on results of preliminary design. Also, plans of supply operation and prerequisite are established and operation algorithms are formed.
Korea Aerospace Research Institute(KARI) has been developing a new launch vehicle Korea Space Launch Vehicle-II(KSLV-II) with their own technology. Thus, it is required a new launch complex that corresponds to a new propulsion system of launch vehicle. Because widely changing of KSLV-II comparing with KSLV-I such as thrust of engine system, composition of vehicle staging, pneumo-hydraulic scheme of propulsion system, it is important to establishing appropriate ground support equipments for fuel(kerosene) filling. In this critical design process, specific supply line and specification of components are designed and the concept of kerosene filling is determined based on results of preliminary design. Also, plans of supply operation and prerequisite are established and operation algorithms are formed.
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문제 정의
또한 발사체 내부의 배관 및 구성품들의 압력강하와 압력수두 그리고 지상의 공급라인을 통한 압력강하를 고려하여 설치 예정인 펌프의 사양으로 충분한지 가능성을 검토하였다.
본 논문에서는 한국형발사체 발사대시스템의 연료공급설비 구성 및 기능과 발사운용 등에 대하여 소개하였다. 제2발사대시스템의 연료공급설비는 3단형 한국형발사체의 연료탱크에 요구조건에 맞춰 안정적으로 케로신을 공급하기 위한 지상시스템을 말한다.
본 논문에서는 한국형발사체 발사대시스템의 연료공급설비에 대한 기능 및 구성과 설계내용 등을 소개하고자 한다.
제안 방법
각단별로 유량조건범위에서 최대유량으로 공급이 되더라도 일정유량이 남게 된다. 따라서 펌프 토출유량 중 일부를 바이패스라인을 통해 다시 저장탱크로 보내도록 설계되었다. 대유량 충전모드일 때에 한 개의 라인을 통하여 바이패스 되며, 소유량 충전모드일 때에는 두 개의 라인을 통하여 바이패스 된다.
이번 상세설계단계에서는 설비의 기능에 따른 세부적인 공급라인을 구성하였고 상세 규격을 결정하였다. 또한 소유량/대유량/소유량 충전이라고 하는 충전개념을 정하고, 유동해석을 통해 공급요구조건에 맞춰 충전 시나리오 및 오리피스 사이즈 등을 결정하였다. 마지막으로 발사운용 및 사전작업에 대한 계획 및 알고리즘을 정립하였다.
이번 상세설계 중에는 유동해석을 통해 발사체 요구조건에 맞는 라인구성 및 오리피스 사이즈를 결정하고 충전시간과 충전유량 등을 예상하였다. 또한 발사체 내부의 배관 및 구성품들의 압력강하와 압력수두 그리고 지상의 공급라인을 통한 압력강하를 고려하여 설치 예정인 펌프의 사양으로 충분한지 가능성을 검토하였다.
제2발사대시스템의 연료공급설비는 3단형 한국형발사체의 연료탱크에 요구조건에 맞춰 안정적으로 케로신을 공급하기 위한 지상시스템을 말한다. 이번 상세설계단계에서는 설비의 기능에 따른 세부적인 공급라인을 구성하였고 상세 규격을 결정하였다. 또한 소유량/대유량/소유량 충전이라고 하는 충전개념을 정하고, 유동해석을 통해 공급요구조건에 맞춰 충전 시나리오 및 오리피스 사이즈 등을 결정하였다.
대상 데이터
케로신 배출설비는 각종 케로신 충전 및 배출라인에 잔류하는 케로신과 이물질을 드레인 탱크로 배출시키거나 발사체 연료탱크에 과도한 충전 시, 수위를 맞추기 위해 부분 배출을 시키는 설비를 말한다. 주요 구성품으로는 드레인 탱크가 있으며 최대 배출량을 고려하여 3 ㎥ 용량의 탱크로 설계하였다. 저장설비의 저장탱크와 마찬가지로 각종 계장기기와 안전밸브 등이 동일한 목적으로 장착된다.
성능/효과
1, 2, 3단으로 공급되는 유량은 공급라인의 차압 조정(배관 직경 및 유량조절 오리피스) 및 바이패스라인으로 회수되는 유량의 조절을 통해 조절한다. 이들의 유량 및 사이즈는 충전시나리오에 따른 유동해석을 통해 설계되었고 압력손실 및 압력수두 등을 해석한 결과 토출 용량 1600 L/min의 100 m 양정의 베인펌프로 결정되었다. 케로신 언로딩설비에서와 마찬가지로 순도 높은 케로신을 공급하기 위해 펌프 후단에 20 ㎛ 입자크기의 필터가 설치되어 연료 탱크로 충전되기에 앞서 마지막으로 여과과정을 거친다.
후속연구
연료공급설비를 원격 운용 및 데이터 측정/기록을 위해 발사관제설비와 인터페이스를 가진다. 나로호 당시 각 설비를 현장에서 직접 운전하기 위하여 구축된 중앙공용시설(CB)의 현장 운용실은 개조 및 보완 구축을 통해 재사용될 예정이며, 발사 4시간 전 모든 현장 인원철수 후 원격 발사운용을 위한 콘솔과 서버, 인접시스템 인터페이스 장비 및 통신설비 등이 발사관제소(LCC)에 신규설치/운영될 예정이다. 연료공급설비는 이러한 발사관제설비를 통해 주요운전과 부가운전으로 구분하여 운용된다.
후속 과정에서는 각 구성품에 대한 제작도면을 설계하고, 이에 따른 실제제작이 이루어진다. 제작완료 된 구성품은 공장인수시험(FAT)을 거쳐 독립성능시험(AT)과 발사체 연계시험(QT)를 거쳐 최종적으로 비행시험(FT)이 진행될 예정이다.
따라서 이미 2009년 전남 고흥군 나로우주센터에 나로호 발사에 맞추어 구축된 제1발사대가 존재하지만 한국형발사체 엔진의 추력변화에 따른 추진제 공급조건 및 공급방식 등의 변화에 대응되는 새로운 발사대시스템이 필요하다. 현재 한국형발사체에 적합한 제2발사대에 대한 설계가 이루어지고 있으며 나로우주센터 제1발사대의 같은 부지에 구축될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 1기의 발사체에 1개의 발사대시스템이 요구되는 이유는 무엇인가?
발사대시스템은 조립 및 점검을 마친 발사체를 발사패드로 이동 및 고정하고 발사 전 최종 기능 점검, 추진제 공급 및 발사체 온도제어 등의 발사운용 작업을 수행하기 위한 지상시스템을 의미한다. 각각의 발사체마다 추진제 공급방식및 공급조건과 발사체 기립 후 고정방식 등이 다르기 때문에 일반적으로 1기의 발사체에 1개의 발사대시스템이 요구된다[1]. 따라서 이미 2009년 전남 고흥군 나로우주센터에 나로호 발사에 맞추어 구축된 제1발사대가 존재하지만 한국형발사체 엔진의 추력변화에 따른 추진제 공급조건 및 공급방식 등의 변화에 대응되는 새로운 발사대시스템이 필요하다.
케로신 작업 시 절차와 안전수칙에 따라 작업이 이루어져야 하는 이유는?
케로신은 인화점과 자연발화점이 각각 29~74℃와 약 245℃로 매우 낮기 때문에 케로신 작업 및 화재안전 수칙에 따라야 한다[3, 4]. 이뿐만 아니라 운용 중에 액체질소와 같은 초저온액체와 고압가스류가 사용되므로 그에 맞는 절차와 안전수칙에 따라 작업이 이루어져야 한다.연료공급설비를 원격 운용 및 데이터 측정/기록을 위해 발사관제설비와 인터페이스를 가진다.
발사대시스템이란 무엇인가?
발사체를 성공적으로 발사하기 위해서는 발사체 추진기관의 개발이 매우 중요하지만 이에 맞는 발사대시스템 개발 및 구축 역시 필요하다. 발사대시스템은 조립 및 점검을 마친 발사체를 발사패드로 이동 및 고정하고 발사 전 최종 기능 점검, 추진제 공급 및 발사체 온도제어 등의 발사운용 작업을 수행하기 위한 지상시스템을 의미한다. 각각의 발사체마다 추진제 공급방식및 공급조건과 발사체 기립 후 고정방식 등이 다르기 때문에 일반적으로 1기의 발사체에 1개의 발사대시스템이 요구된다[1].
참고문헌 (6)
Kang, S.I., Oh, H.Y., 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 Engine, Vol. 19, No. 1, pp. 19-27, 2015.
Kang, S.I., Nam, J.W., "Introduction of Fuel Ground Support Equipment of Launch Complex for KSLV-1 NARO Launch Operations," KASA Fall Conference, Jeju, Korea, pp. 1427-1431, Nov. 2013.
Shepherd, J.E., Nuyt, C.D and Lee, J.J., "Flash Poin and Chemical Composition of Aviation Kerosene (Jet A)," Explosion Dynamics Laboratory Report, FM99-4, May 2000.
Shin, B.W., Lee, J.S., Lee, K.W., Ko, J.H., "Combustion Characteristics of the Liquid Fuel for KSLV-II," Spring Conferecne of the Korean Society of Safety, Yeoju, Korea, pp. 59, May 2014.
Youngseok Jung, "Composition of Hydraulic and Pneumatic line at Umbilical of KSLV-II," KARI L2-CD-00033, 2016.
Jaejun Lee, Sangmin Park, Sunil Kang, Hwayoung Oh, Eun Sang Jung, "Analysis on the Filling Mode of Propellant Supply System for the Korea Space Launch Vehicle," KSPE Fall Conference, Jeongsun, Korea, pp. 485-491, Aug. 2015.
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