한국형발사체 3단에 사용하기 위한 7톤급 엔진의 개발 시험 결과를 제시하였다. 2기의 engineering model 엔진을 가지고 수행된 연소시험은 시험조건에 따라 지상 시험과 고공 시험으로 구분된다. 엔진의 작동성 검증을 위해 수행된 short duration과 long duration 시험은 성공적으로 완료되었다. 내구성 검증을 위해 수행된 full duration 시험에서는 일부 개선 사항들이 발견되었다. 종합적으로, 엔진 개발에 힘을 더할 수 있는 고무적인 데이터들이 7톤급 엔진 시험으로부터 획득되었다. 이 결과를 바탕으로 새 엔진들이 제작되고, 제작된 엔진은 연소시험을 통해 지속적으로 검증될 예정이다.
한국형발사체 3단에 사용하기 위한 7톤급 엔진의 개발 시험 결과를 제시하였다. 2기의 engineering model 엔진을 가지고 수행된 연소시험은 시험조건에 따라 지상 시험과 고공 시험으로 구분된다. 엔진의 작동성 검증을 위해 수행된 short duration과 long duration 시험은 성공적으로 완료되었다. 내구성 검증을 위해 수행된 full duration 시험에서는 일부 개선 사항들이 발견되었다. 종합적으로, 엔진 개발에 힘을 더할 수 있는 고무적인 데이터들이 7톤급 엔진 시험으로부터 획득되었다. 이 결과를 바탕으로 새 엔진들이 제작되고, 제작된 엔진은 연소시험을 통해 지속적으로 검증될 예정이다.
The test results of a 7-tonf-class engine for the third-stage engine of KSLV-II are presented. Hot-firing tests performed with two engineering model engines are classified into ground tests and high-altitude tests according to the test conditions. The operability verification of the engines were car...
The test results of a 7-tonf-class engine for the third-stage engine of KSLV-II are presented. Hot-firing tests performed with two engineering model engines are classified into ground tests and high-altitude tests according to the test conditions. The operability verification of the engines were carried out through short and long duration tests. The full duration test performed for the durability verification of the engines revealed a few of items to be improved. Synthetically, encouraging data of adding power to engine development were obtained from the test results. New engines based on these results will be manufactured and consistently verified through hot-firing tests.
The test results of a 7-tonf-class engine for the third-stage engine of KSLV-II are presented. Hot-firing tests performed with two engineering model engines are classified into ground tests and high-altitude tests according to the test conditions. The operability verification of the engines were carried out through short and long duration tests. The full duration test performed for the durability verification of the engines revealed a few of items to be improved. Synthetically, encouraging data of adding power to engine development were obtained from the test results. New engines based on these results will be manufactured and consistently verified through hot-firing tests.
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문제 정의
14에서 PCCCP1은 연소기 연소압을, PCCNOZ7은 확대부 노즐 끝단에서 측정한 노즐 내부 압력을, PCCNOZamb는 확대부 노즐 끝단에서 측정한 노즐 주변 압력을, VPT001은 진공챔버 내부의 압력을 의미한다. 비냉각형 노즐의 특성상 short duration으로 시험이 수행되었기에 엔진 성능 데이터를 논하기에 이르지만, 상단용 엔진의 관심인자인 비추력 값을 살펴보고자 한다. Fig.
7톤급 엔진의 연소시험은 앞서 언급한 바와 같이, 3단 엔진 연소시험설비 내 지상셀과 고공셀로 구분되는 2개의 테스트스탠드에서 수행되었다. 지상셀은 short nozzle로 제작된 엔진의 연소시험을 목적으로 운용되며, 고공셀은 full nozzle로 제작된 엔진의 연소시험을 목적으로 구축되었다. Fig.
한국형발사체 3단에 사용하기 위한 7톤급 엔진의 개발 시험 결과를 제시하였다. 연소시험은 2기의 engineering model 엔진으로 수행되었고, 시험조건에 따라 지상 시험과 고공 시험으로 구분된다.
제안 방법
이때 주의할 점은 추진제 유량 외에 진공챔버 도어를 개방한 상태에서 초음속디퓨저로 유입되는 공기량에 의해 초음속디퓨저가 작동할 수 있는지를 점검 해야한다. 3단 엔진 연소시험설비에서는 위 사항을 점검한 후 short nozzle 형상의 7톤급 엔진을 이용한 지상 연소시험을 고공셀에서 수행하였다.
7톤급 엔진의 연소시험은 앞서 언급한 바와 같이, 3단 엔진 연소시험설비 내 지상셀과 고공셀로 구분되는 2개의 테스트스탠드에서 수행되었다. 지상셀은 short nozzle로 제작된 엔진의 연소시험을 목적으로 운용되며, 고공셀은 full nozzle로 제작된 엔진의 연소시험을 목적으로 구축되었다.
총 4회의 시험은, short nozzle 상태로 지상 시험 2회와 비냉각형 확대부 노즐을 결합한 고공 모사 시험 2회로 구성된다. short nozzle을 이용한 지상 시험은 최대 3초 동안 시동특성을 점검하기 위해 수행되었고, 이후 비냉각형 확대부 노즐을 장착하여 고공 모사 시험을 수행하였다. 1G 엔진은 지상셀에서도 그랬지만 재조립된 후에도 고공셀의 시운전 용도로도 그 역할을 다하였다.
지상셀에서 탈거된 1G는 구성품별로 분해하여 단품 기능 점검과 세정을 거친 후 재조립뒤 고공셀에 장착되었다. 고공셀에 장착된 재조립 1G는 지상셀에서 수행한 시험 절차를 바탕으로 연소기 점화시험부터 고공 모사 시험까지 총 4회, 누적 연소시간 16.5초 동안 수행되었다. 총 4회의 시험은, short nozzle 상태로 지상 시험 2회와 비냉각형 확대부 노즐을 결합한 고공 모사 시험 2회로 구성된다.
고공셀에서 수행된 첫 엔진 연소시험은 지상셀에서 연소시험 후 탈거한 7톤급 엔진 1G를 가지고 수행하였다. 지상셀에서 탈거된 1G는 구성품별로 분해하여 단품 기능 점검과 세정을 거친 후 재조립뒤 고공셀에 장착되었다.
7톤급 엔진 1G를 가지고 수행한 연소시험은 총 5회이고 누적연소시간은 142초이다. 또한 엔진 연소시험 이전에 수행한 단계별 점화시험 3회를 더하면 총 8회 시험을 수행하였다. 1G 시험은 3단 엔진 연소시험설비를 구축하고 수행된 지상셀 첫 엔진 시험으로 설비 시운전과 동반된 엔진시험이라 할 수 있다.
본 논문은 이러한 배경 하에 제작된 short nozzle 엔진의 개발 시험 결과를 담고 있으며, 고공 모사 시험에서는 short nozzle에 비냉각형 확대부 노즐을 연결하여 시험을 수행하였다.
그리고 고공셀에서 연소시험을 수행한 엔진은 7톤급 엔진 재조립 1G가 있다. 이 엔진은 비냉각형 확대부 노즐과 조립되어 고공 모사 연소시험을 수행하였다. 엔진의 작동성 검증이라 함은 연소기, 가스발생기, 터보펌프, 파이로시동기, 점화기, 밸브류 등과 같은 엔진 구성품들이 시스템으로 연계되었을 때 정상적인 기능을 보이는지에 대한 확인과 예냉, 시동/종료, 퍼지, 차압과 같은 엔진 시스템 구현에 의해 나타나는 시스템 변수들의 특성을 확인하는 것을 의미한다.
엔진이 정상상태에 도달하는데 소요되는 시간은 엔진 시스템 구조 및 구성품의 특성과 시험시 엔진의 예냉 상태에 따라 다르게 나타나며, 7톤급 엔진의 경우 엔진 시동 후 20초~30초를 지나면서 정상상태에 도달하였다. 정상상태의 도달여부는 시험대상체에 장착된 압력, 온도 센서로 판단하며, 특히 연소기 재생냉각 채널부의 온도를 주요 변수로 확인한다. long duration 시험에서는 엔진의 정격점과 더불어 탈설계점의 엔진 성능도 확인하게 되며, 이렇게 얻은 자료들은 다시 엔진 설계/제작에 반영되고, 엔진을 개선하는 자료로 활용된다.
5초 동안 수행되었다. 총 4회의 시험은, short nozzle 상태로 지상 시험 2회와 비냉각형 확대부 노즐을 결합한 고공 모사 시험 2회로 구성된다. short nozzle을 이용한 지상 시험은 최대 3초 동안 시동특성을 점검하기 위해 수행되었고, 이후 비냉각형 확대부 노즐을 장착하여 고공 모사 시험을 수행하였다.
대상 데이터
첫 점화시험은 2015년 7월에 수행되었고, 1G를 탈거하기 전 수행된 100초 마지막 시험은 2015년 12월에 수행되었다. 2G 엔진은 2016년 8월에 첫 시험이 수행되었고, 같은해 10월까지의 시험횟수는 총 6회, 누적연소시간은 1017.2초이다. 이 시간에는 full duration 시험이 포함된다.
한국항공우주연구원에서는 3단형 한국형발사체를 개발 중에 있으며, 이중 3단에는 7톤급 액체로켓 엔진을 사용하게 된다. 7톤급 액체로켓엔진의 연소시험은 나로우주센터에 있는 3단 엔진 연소시험설비에서 수행중이며, 지금까지 2개의 7톤급 engineering model 엔진이 제작되어 지상 조건과 고공 조건에서 시험이 이루어졌다. 7톤급 엔진이 한국형발사체에 사용되는 상단용 엔진이기에 지상 조건 시험보다 고공 조건 시험결과에 더 의미를 두어야겠지만, 모든 7톤급 엔진을 비행용 형상의 full nozzle로 만들어 고공 조건에서 시험하기에는 많은 비용과 시간이 소요된다.
7톤급 엔진이 한국형발사체에 사용되는 상단용 엔진이기에 지상 조건 시험보다 고공 조건 시험결과에 더 의미를 두어야겠지만, 모든 7톤급 엔진을 비행용 형상의 full nozzle로 만들어 고공 조건에서 시험하기에는 많은 비용과 시간이 소요된다. 이에, 7톤급 엔진은 지상 시험에 적합한 short nozzle 엔진과 비행용 형상의 full nozzle 엔진으로 나뉘어 제작된다. 시험설비의 경우 엔진 형상에 적합한 시험을 수행할 수 있도록 지상셀과 고공셀 2개의 셀을 갖도록 구축하였다[1].
성능/효과
4-7로부터 현재 7톤급 엔진에 적용된 시동/종료 시퀀스의 유용성을 확인할 수 있다. 결과를 보면, 엔진 시동은 파이로시동기 작동 명령시점인 T0+20초에서 2초 이내에 가스발생기 연소압(PGGCP1) 6 MPaA, 연소기 연소압(PCCCP1) 7 MPaA에 도달함을 알 수 있다. 여기서, T0는 자동시퀀스가 시작되는 현지시간을 의미하며, 이때를 0초로 간주한다.
또한 full duration 과정에서 나타난 가스발생기의 soot 침착과 그에 따른 엔진 출력 저하는 feedback 제어를 통해 회복할 수 있는 가능성을 보여주었다. 고공셀에서 수행된 비냉각형 확대부 노즐을 갖는 엔진의 고공 모사 시험은 3단 엔진에 요구되는 비추력을 상회하는 값을 보여주었다. 물론 이 값은 short duration 시험의 제한적 결과로 볼 수 있지만, 첫 engineering model로 획득한 데이터라는 점에서 엔진 개발에 힘을 더해 주고 있다.
1G 엔진은 지상셀에서도 그랬지만 재조립된 후에도 고공셀의 시운전 용도로도 그 역할을 다하였다. 고공셀에서 수행된 총 4회 시험은 모두 안전하게 마무리 되었고, 고공 모사 시험은 비냉각형 확대부 노즐의 특성상 최대 6초 동안만 수행되었다. 시험 결과 확대부 노즐이 연결된 재조립 1G는 정상 작동하였고, 고공 모사 장치인 진공챔버와 초음속디퓨저 또한 정상적인 기능을 보여 주었다.
연소기 연소실의 부분적 손상에도 불구하고 비행시간 500초를 상회하는 시험시간 580초를 완수한 것은 엔진 내구성 확보에 대한 희망적 결과라 할 수 있다. 또한 full duration 과정에서 나타난 가스발생기의 soot 침착과 그에 따른 엔진 출력 저하는 feedback 제어를 통해 회복할 수 있는 가능성을 보여주었다. 고공셀에서 수행된 비냉각형 확대부 노즐을 갖는 엔진의 고공 모사 시험은 3단 엔진에 요구되는 비추력을 상회하는 값을 보여주었다.
시험 종료 후 확인된 연소기 연소실 내부의 일부 손상과 220초 이후 증가된 가스발생기의 압력 섭동이 feedback control을 통한 엔진 출력 회복 제한에 일부 영향을 준 것으로 추정되지만, 그럼에도 불구하고 7톤급 엔진이 비행시간 500초를 상회하는 시험시간 580초를 완수한 것은 내구성 확보에 대한 희망적 결과라 할 수 있다. 또한 시험 결과로부터 feedback control 시점을 앞당겨 수행할 경우, 엔진의 정격점 운전은 보다 안정적으로 지속될 수 있을 것으로 판단된다. Fig.
여기서, T0는 자동시퀀스가 시작되는 현지시간을 의미하며, 이때를 0초로 간주한다. 또한 파이로시동기의 압력(PPST)이 소멸되기 전 가스발생기 연소압과 연소기 연소압이 상승함을 알 수 있다. 종료시점 역시 터보펌프 회전수(TP RPM)가 완만하게 감소하고, 연소기 연소압도 적절하게 감소되고 있음을 알 수 있다.
고공셀에서 수행된 총 4회 시험은 모두 안전하게 마무리 되었고, 고공 모사 시험은 비냉각형 확대부 노즐의 특성상 최대 6초 동안만 수행되었다. 시험 결과 확대부 노즐이 연결된 재조립 1G는 정상 작동하였고, 고공 모사 장치인 진공챔버와 초음속디퓨저 또한 정상적인 기능을 보여 주었다.
시험 종료 후 확인된 연소기 연소실 내부의 일부 손상과 220초 이후 증가된 가스발생기의 압력 섭동이 feedback control을 통한 엔진 출력 회복 제한에 일부 영향을 준 것으로 추정되지만, 그럼에도 불구하고 7톤급 엔진이 비행시간 500초를 상회하는 시험시간 580초를 완수한 것은 내구성 확보에 대한 희망적 결과라 할 수 있다. 또한 시험 결과로부터 feedback control 시점을 앞당겨 수행할 경우, 엔진의 정격점 운전은 보다 안정적으로 지속될 수 있을 것으로 판단된다.
연소시험은 2기의 engineering model 엔진으로 수행되었고, 시험조건에 따라 지상 시험과 고공 시험으로 구분된다. 엔진의 작동성 검증을 위한 short duration과 long duration 시험은 모두 안정적으로 완료되었다. 내구성 검증을 위해 수행된 full duration 시험에서 시험 종료 후 연소기 연소실 내부에 부분적 손상이 발견되었다.
후속연구
현재까지 수행된 7톤급 엔진의 개발 시험 결과는 부족한 점도 있지만, 엔진 개발에 고무적인 데이터들이 첫 engineering model엔진으로부터 획득되었다. 또한 이 결과가 반영된 새 엔진들이 제작되고, 제작된 엔진은 지상연소시험과 고공연소시험을 통해 시동/점화의 안정성 확보, 내구성 향상, 엔진 성능 확보의 관점에서 지속적으로 검증될 예정이다.
다만, 한국형발사체 3단용으로 개발 중인 엔진의 첫 engineering model로 수행된 고공 모사 시험 결과로써는 상당히 고무적인 값이라 할 수 있다. 현재 비행용 형상의 full nozzle을 갖는 엔진이 제작 중에 있으며, 이 모델을 이용한 long duration 고공 모사 시험을 수행하게 되면, 보다 정확한 엔진 성능 데이터를 제시할 수 있으리라 기대한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
한국형발사체 3단에 사용하기 위한 7톤급 엔진의 개발 시험 결과는 어떠한가?
2기의 engineering model 엔진을 가지고 수행된 연소시험은 시험조건에 따라 지상 시험과 고공 시험으로 구분된다. 엔진의 작동성 검증을 위해 수행된 short duration과 long duration 시험은 성공적으로 완료되었다. 내구성 검증을 위해 수행된 full duration 시험에서는 일부 개선 사항들이 발견되었다. 종합적으로, 엔진 개발에 힘을 더할 수 있는 고무적인 데이터들이 7톤급 엔진 시험으로부터 획득되었다. 이 결과를 바탕으로 새 엔진들이 제작되고, 제작된 엔진은 연소시험을 통해 지속적으로 검증될 예정이다.
7톤급 엔진을 비행용 형상의 full nozzle로 만들어 고공 조건에서 시험하기에는 비용과 시간이 많이 드는 문제를 해결하기 위한 방법은 무엇인가?
7톤급 엔진이 한국형발사체에 사용되는 상단용 엔진이기에 지상 조건 시험보다 고공 조건 시험결과에 더 의미를 두어야겠지만, 모든 7톤급 엔진을 비행용 형상의 full nozzle로 만들어 고공 조건에서 시험하기에는 많은 비용과 시간이 소요된다. 이에, 7톤급 엔진은 지상 시험에 적합한 short nozzle 엔진과 비행용 형상의 full nozzle 엔진으로 나뉘어 제작된다. 시험설비의 경우 엔진 형상에 적합한 시험을 수행할 수 있도록 지상셀과 고공셀 2개의 셀을 갖도록 구축하였다[1].
7톤급 액체로켓엔진의 연소시험이 수행되는 장소는 어디인가?
한국항공우주연구원에서는 3단형 한국형발사체를 개발 중에 있으며, 이중 3단에는 7톤급 액체로켓 엔진을 사용하게 된다. 7톤급 액체로켓엔진의 연소시험은 나로우주센터에 있는 3단 엔진 연소시험설비에서 수행중이며, 지금까지 2개의 7톤급 engineering model 엔진이 제작되어 지상 조건과 고공 조건에서 시험이 이루어졌다. 7톤급 엔진이 한국형발사체에 사용되는 상단용 엔진이기에 지상 조건 시험보다 고공 조건 시험결과에 더 의미를 두어야겠지만, 모든 7톤급 엔진을 비행용 형상의 full nozzle로 만들어 고공 조건에서 시험하기에는 많은 비용과 시간이 소요된다.
참고문헌 (4)
Lee, K.J., Lee, J.H., Yi, S.J., Seo, D.B., Hwang, C.H., Im, J.H., Jeon, J.S., Woo, S.P., So, Y.S., Kim, C.H., Kim, S.H., Yoo, B.I., Kim, S.H., Cho, N.K., Kim, S.L. and Han, Y.M., "Construction and Operation Status of KSLV-II Upper Stage Engine Test Facility", 2015 KSAS Fall Conference, Jeju, Korea, pp. 1164-1165, Nov. 2015.
Kim, S.H., Jung, Y.G., Cho, N.K., Kim, S.H., Woo, S.P., Im, J.H., Jeon, J.S., Seo, D.B., Yi, S.J. and Han, Y.M., "Startup/Ignition Test of 7 tonf Engine for KSLV-II 3rd Stage", 2015 KSAS Fall Conference, Jeju, Korea, pp. 1949-1952, Nov. 2015.
Moon, Y.W., Nam, C.H., Chung, Y.H. and Jung, E.H., "Introduction to Test Program for Development of KSLV-II liquid Rocket Engine", 2015 KSPE Fall Conference, Gyungju, Korea, pp. 727-731, Nov. 2015.
Moon, Y.W. and Cho, W.K., "An Investigation of Hot Fire Specification of KSLV-II Upper Stage Engine System", 2014 KSPE Fall Conference, Jeongseon, Korea, pp. 936-939, Dec. 2014.
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