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케로신 내 용존질소 측정 및 제거 방법 연구
A Study on Measurement and Elimination Methods of Dissolved Nitrogen in Kerosene 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.22 no.6, 2018년, pp.142 - 148  

이원구 (School of Mechanical Engineering, Chungbuk National University) ,  김성룡 (Propulsion Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute) ,  안규복 (School of Mechanical Engineering, Chungbuk National University)

초록
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발사체 연료 케로신은 발사체의 성능 향상을 위해 고밀도화 과정을 거치게 된다. 고밀도화 방법 중 액체질소 주입 냉각법은 시스템이 간단하고 비용이 저렴한 효과적인 방법이다. 하지만 냉각과정 중 질소가 케로신에 용해되어 물성을 변화시키는 원인이 되기도 한다. 따라서 냉각 후 케로신 내 용존질소의 양을 측정하고 제거하는 작업이 필수적이다. 본 연구에서는 케로신 내 용존질소 함유량을 측정할 수 있는 진공추출 원리를 소개하였다. 또한 질소 샘플링 장치를 설계/제작하여 수행한 실험 결과를 설명하였다. 실험결과로부터 질소 샘플링 장치와 용존질소 측정법/제거법의 유효성을 입증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To improve the performance of a launch vehicle, kerosene, a launch vehicle fuel, undergoes a densification process. Liquid nitrogen injection cooling is an effective densification method which has a simple system and is inexpensive. During the cooling process, however, nitrogen may dissolve in the k...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 케로신 내 질소 함유량을 측정하는 장비들 (TS-100V, Mitsubishi chemical corporation)은판매가 되고 있으나, 이는 기체질소를 측정하는 것이 아니라 케로신 내 녹아있는 질소화합물의 양을 측정하기 위한 것으로 연소를 통한 방법을 사용하고 있다. 따라서 이러한 범용 장비들은 용존질소를 측정하는 본 목적에 맞지 않으며, 나로호 발사 과정에서 수행된 진공추출 방식의 측정 법을 검토해 보았다.
  • 본 연구에서는 케로신 내 용존질소 함유량 검사법 및 제거법에 대해 살펴보았으며, 질소 함유 량을 정량적으로 측정하기 위한 질소 샘플링 장치를 제작하여 실험을 수행하였다. 실험실의 모사 케로신 탱크에서 검사법 및 제거법에 대한 절차를 체계화한 후, 실제 우주센터 PSTC 케로신 저장탱크에서 실험을 수행하여 이러한 방법의 유효성을 최종적으로 확인하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
추진제의 고밀도화는 어떤 과정으로 얻어지는가? 결국 발사체 중량이 줄어든 만큼 위성 등 탑재량(payload)을 더 많이 실을 수 있게 되어 발사체의 성능이 향상된다 [1-8]. 추진제의 고밀도화는 일반적으로 추진제의 냉각과정으로 얻어진다. 또한 추진제가 냉각과정을 거치게 되면 낮은 탱크 가압압력이 요구되고 이는 터보펌프의 회전속도를 낮추어 안정성과 신뢰성이 향상되는 부가적인 효과를 얻게 된다 [2,7].
추진제를 고밀도화 하는 것의 이점은 무엇인가? 우주발사체에 사용되는 추진제를 고밀도화 하는 것은 많은 이점이 있다. 추진제의 밀도가 증가하면 추진제 탱크의 부피를 줄일 수 있어 탱크의 중량이 감소하게 된다. 결국 발사체 중량이 줄어든 만큼 위성 등 탑재량(payload)을 더 많이 실을 수 있게 되어 발사체의 성능이 향상된다 [1-8]. 추진제의 고밀도화는 일반적으로 추진제의 냉각과정으로 얻어진다.
액체질소 주입법을 통한 케로신 고밀도화는 어떤 것을 야기할 수 있는가? 액체질소 주입법을 통한 케로신 고밀도화는 우주발사체의 성능을 향상시키는 장점이 갖으나 케로신 내에 질소가 과도하게 녹아있게 되면 엔진의 캐비테이션 문제를 야기할 수도 있다. 따라서 액체질소 주입 후 케로신 내에 용해된 질소를 제거하고, 제거작업 후 측정된 값이 기준값 이하인지 확인하는 과정이 꼭 필요하게 된다.
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참고문헌 (11)

  1. Fazah, M.M., "STS Propellant Densification Feasibility Study Data Book," NASA TM 108467, 1994. 

  2. Jung, Y.S., Seo, M.S. and Kim, Y.C., "Helium Injection Modeling for Cryogenic Propellant Densification," The 2015 World Congress on ANBRE15, Incheon, Korea, Aug. 2015. 

  3. Friedlander, A., Zubrin, R. and Hardy, T.L., "Benefits of Slush Hydrogen for Space Missions," NASA TM 104503, 1991. 

  4. Partridge, J.K., Tuttle, J.W., Notardonato, W.U. and Johnson, W.L., "Mathematical Model and Experimental Results for Cryogenic Densification and Sub-cooling Using a submerged Cooling Source," Cryogenics, Vol. 52, No. 4-6, pp. 202-267, 2012. 

  5. Ramesh, T. and Thyagarajan, K., "Investigation Studies on Sub-cooling of Cryogenic Liquids Using Helium Injection Method," American Journal of Applied Sciences, Vol. 11, No. 5, pp. 707-716, 2014. 

  6. Lak, T., Lozano, M. and Neary, D., "Propellant Densification Without Use of Rotating Machinery," 38th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Indianapolis, I.N., U.S.A., AIAA 2002-3599, Jul. 2002. 

  7. Cho, N., Han, S., Kim, Y. and Jeong, S., "Review of Cryogenic Propellant Densification Technology," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 9, No. 3, pp. 133-144, 2005. 

  8. Tomsik, T.M. and Meyer, M.L., "Liquid Oxygen Propellant Densification Production and Performance Test Results With a Large-Scale Flight-Weight Propellant Tank for the X33 RLV," NASA TM 2010-216247, 2010. 

  9. Yeo, I., Kang, S., An, J., Lee, J. and Seo, J., "Critical Design of Kerosene Filling System for KSLV-II Launch Complex," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 21, No. 3, pp. 76-83, 2017. 

  10. Edwards, T., "Liquid Fuels and Propellants for Aerospace Propulsion: 1903-2003," Journal of Propulsion and Power, Vol. 19, No. 6, pp. 1089-1107, 2003. 

  11. Lemmon, E.W., Huber, M.L. and McLinden, M.O., "NIST Reference Fluid Thermodynamic and Transport Properties-REFPROP V9.1," NIST, Gaithersburg, M.D., U.S.A., Apr. 2013. 

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