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)
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.
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.
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...
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 kerosene, possibly resulting in changes to fuel properties. Therefore, it is essential to measure and eliminate the amount of dissolved nitrogen in the kerosene. In this study, the vacuum extraction principle is introduced to measure the content of dissolved nitrogen in the kerosene. In addition, the experimental results, which used a designed/manufactured nitrogen sampling device, are described. From the results, the validity of the nitrogen sampling device and the dissolved nitrogen measurement/elimination methods was demonstrated.
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 kerosene, possibly resulting in changes to fuel properties. Therefore, it is essential to measure and eliminate the amount of dissolved nitrogen in the kerosene. In this study, the vacuum extraction principle is introduced to measure the content of dissolved nitrogen in the kerosene. In addition, the experimental results, which used a designed/manufactured nitrogen sampling device, are described. From the results, the validity of the nitrogen sampling device and the dissolved nitrogen measurement/elimination methods was demonstrated.
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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.
제안 방법
3.2절의 냉각작업 후 탈질작업을 수행하였다. 탈질작업은 Fig.
용존질소 샘플링 원리를 수식으로 살펴보았다. NSD를 진공 상태로 만들어 SB에 일정량의 케로 신을 채운 후, 레벨 게이지로부터 SB 내 케로신 질량(mk ), 기체 공간의 부피(V1)를 계산하고, 압력/온도 게이지로부터 초기 압력(P1), 온도(T1)를측정한다. 측정값을 이용하여 Eq.
Table 1에서와 같이 앞 장에서 설명한 방법을 이용하여, 케로신을 액체질소로 냉각하기 전에 케로신 내 용해되어 있는 기체량을 측정하였다. 세 번의 실험 평균값에서 용존기체 함유량은 0, 0, -1.
진공추출 방식의 질소 샘플링 방법은 쉽게 이해가 될 수 있으나, 케로신 내 용존질소 샘플링 측정법/제거법을 절차화하기 위해 상당히 많은 실험을 수행하였다. 구체적으로 실험은 Fig. 3의모사 케로신 탱크에서 60회, 한국항공우주연구원 추진기관시스템 시험설비(PSTC, propulsion system test complex) 케로신 저장탱크에서 9회수행되었다. Table 1은 PSTC에서 케로신을 액체 질소로 냉각 후 측정한 예를 나타낸다.
냉각시 간은 실험마다 약간씩 달랐지만 대략 1시간이 소요되었다. 냉각된 케로신을 레벨 게이지 기준 으로 20 mm까지 SB에 채운 후 질소 샘플링 측정을 수행하였으며, 대표적인 세 번의 실험 평균 값과 표준편차를 Fig. 6에 정리하였다.
본 연구에서는 케로신 내 용존질소의 함유량을 측정할 수 있는 진공추출 방식의 질소 함유량 분석방법을 이용 하여 질소 샘플링 장치(NSD, nitrogen sampling device)를 설계/제작하였다. 또한 NSD를 이용하여 액체질소로 냉각 전/후, 기체질소로 퍼지 후, 케로신 내 용존질소의 함유량을 분석하여 용존 질소 측정법 및 제거법의 가능성을 살펴보았다.
진공추출 방법은 다음과 같은 과정으로 수행 되었다. 먼저 진공펌프를 이용하여 질소 샘플링 장치(Fig. 3)를 0 bara까지 진공 상태로 만든 후, Fig. 4와 같은 샘플링 용기(SB, sampling bottle)에 케로신을 약간 충전하여 케로신 레벨, 기체 공간의 압력/온도를 측정한다. 샘플링 용기를 NSD에서 분리하여 흔들어주면, 큰 진동에 의해 용존질소가 케로신에서 배출되며 진공이었던 기체 공간의 압력이 증가하게 된다.
하지만 나로호 발사 당시 케로신 내 용존질소 분석은 러시아 연구원들이 수행하여, 현재 국내 에서는 케로신 내 용존질소 측정법 및 제거법이 체계화되어 있지 않은 상태이다. 본 연구에서는 케로신 내 용존질소의 함유량을 측정할 수 있는 진공추출 방식의 질소 함유량 분석방법을 이용 하여 질소 샘플링 장치(NSD, nitrogen sampling device)를 설계/제작하였다. 또한 NSD를 이용하여 액체질소로 냉각 전/후, 기체질소로 퍼지 후, 케로신 내 용존질소의 함유량을 분석하여 용존 질소 측정법 및 제거법의 가능성을 살펴보았다.
실험실에서 모사 케로신 탱크를 이용한 실험을 수행한 후에, 최종적으로 우주센터 PSTC 케로신 탱크에서 검증을 수행하였다. PSTC 케로신 탱크가 워낙 대형이고 냉각작업 시 케로신이 벤트 밸브를 통해 지상으로 유출될 가능성이 많았기 때문에, 냉각작업은 8시간 정도로 매우 천천히 진행되었다.
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. 본 연구를 통해 체계화된 질소 함유량 검사법 및 제거법은 한국형발사체 개발에 도움이 될 것으로 예상된다.
용존질소 샘플링 원리를 수식으로 살펴보았다. NSD를 진공 상태로 만들어 SB에 일정량의 케로 신을 채운 후, 레벨 게이지로부터 SB 내 케로신 질량(mk ), 기체 공간의 부피(V1)를 계산하고, 압력/온도 게이지로부터 초기 압력(P1), 온도(T1)를측정한다.
2에서와 같은 케로신 밀도 증가를 위해 나로호 발사에서도 액체질소 주입 냉각법(LN2 cooler)을 이용하여 지상 케로신 저장탱크의 상온 케로신을 발사체 탱크에 충전 전 영하 이하로 냉각하였다. 이러한 냉각과정 중 케로신 내에 질소가 용해되게 되는데 용존질소로 인하여 터보펌프의 캐비테이션 특성에 영향을 줄 수 있기 때문에, 기체질소를 다시 케로신에 공급하여 요구조건 이하로 용존질소를 제거하는 탈질작업을 수행하였다. 따라서 이러한 작업을 위해서는 케로신 내 용존질소의 함유량을 정량적으로 분석할 수 있는 방법이 필요하게 된다.
레벨 게이지의 값을 이용하여 SB 내 케로신 질량 및 기체 공간의 부피를 계산하게 된다. 이를 위해 레벨 게이지에 따른 SB의 질량 변화를 측정하여 함수화하였다.
진공추출 방식의 질소 샘플링 방법은 쉽게 이해가 될 수 있으나, 케로신 내 용존질소 샘플링 측정법/제거법을 절차화하기 위해 상당히 많은 실험을 수행하였다. 구체적으로 실험은 Fig.
대상 데이터
NSD는 진공펌프, 튜브 및 밸브, 그리고 샘플링 용기들로 구성된다. 본 연구 에서는 동일한 조건에서 3번의 반복 실험을 위해 3개의 SB가 설치되었다. 발사대 케로신 저장 탱크를 모사하기 위해 22.
4에서와 같이 실린더, 사각 받침대, 압력 게이지, 온도 게이지, 레벨 게이지, 밸브, 튜브들로 구성된다. 압력 게이지는 대기압부터 진공 압력까지 측정해야하기 때문에 0 ~ 1 bara의 범위를 갖는 게이지를 사용하였다. 실험 중 SB의 진공이 깨지게 되면 실험결과에큰 오차가 발생하기 때문에, SB 제작 후 30분간 진공도 시험을 수행하여 압력의 증가가 없음을 확인하였다.
5와 같이 제작하였으며, 케로신 온도 측정을 위해 K형 열전대를 바닥으로 부터 100 mm 위치에 배치하였다. 액체질소 및기체질소는 십자 모양의 튜브들로부터 내경 2 mm를 갖는 24개의 구멍을 통해 탱크 하단 15 mm 위치에서 분배되어 케로신에 공급되었다.
데이터처리
냉각된 케로신 온도, SB 내 케로신 질량, 기체 질소 퍼지 시간 등 실험변수가 다양하였고, 동일한 조건에서 동일한 방식으로 수행한 세 SB의결과값도 Table 1에서와 같이 측정오차 등에 의해 편차가 발생하였다. 따라서 실험결과를 모두 나열하지 않고 유사한 조건에서 수행한 결과들 만을 정리하였으며, 동일한 조건에서 수행한 세 SB의 결과값 중 편차가 가장 심한 값을 제외한 평균값을 사용하였다. 이는 SB를 NSD에서 분리 하는 과정이나 SB를 크게 흔드는 과정에서 SB 내 진공이 깨져서 3개의 데이터 중 1개는 상당히 다른 값을 나타내는 경우가 많았기 때문이다.
성능/효과
액체산소는 주입되는 기체헬륨의 온도가 낮을수록 더욱 효과적인 냉각이 가능하였다. 또한 추진제 탱크의 압력이 포화 압력에 가까워질 수록 냉각 효과가 증가하는 것을 입증하였다. 하 지만 액체산소가 냉각되면 액체산소의 증기압이 감소하게 되고, 그에 따라 냉각효과가 감소하여 더욱 많은 양의 기체헬륨이 필요하다는 것을 확인하였다.
Table 1에서와 같이 앞 장에서 설명한 방법을 이용하여, 케로신을 액체질소로 냉각하기 전에 케로신 내 용해되어 있는 기체량을 측정하였다. 세 번의 실험 평균값에서 용존기체 함유량은 0, 0, -1.49 ppm으로 분석되었으며, 이로부터 액체 질소 냉각 전 초기 케로신에는 용해된 기체가 없음을 확인할 수 있었다. 또한 SB에 케로신을 레벨 게이지 기준으로 10 ~ 120 mm까지 채워가며 측정하였으나 결과에는 차이가 없었다.
압력 게이지는 대기압부터 진공 압력까지 측정해야하기 때문에 0 ~ 1 bara의 범위를 갖는 게이지를 사용하였다. 실험 중 SB의 진공이 깨지게 되면 실험결과에큰 오차가 발생하기 때문에, SB 제작 후 30분간 진공도 시험을 수행하여 압력의 증가가 없음을 확인하였다. 레벨 게이지의 값을 이용하여 SB 내 케로신 질량 및 기체 공간의 부피를 계산하게 된다.
케로신 내 용존질소 함유량은 24 ppm에서 50 ppm 사이로 측정되었다. 이러한 결과로부터 액체질소로 케로신을 냉각하게 되면 케로신 내에 질소가 용해되어 있다는 것을 알 수 있었으며, 진공추출 방식의 이러한 용존질소 측정법이 유효하다는 것을 확인할 수 있었다. Table 1에서 예측할 수 있듯이 SB 내에 케로신을 많이 채울 수록 용기 내 압력은 높아지게 된다.
초기 연구 에서는 레벨 게이지 기준으로 132 mm까지도 케로신을 채워서 실험을 해 보았는데, 많이 채울수록 P 1 압력은 높아지고 용존질소의 ppm 값은 낮게 계산되었다. 이러한 결과로부터 용기 내 압력이 높아지면 케로신 내의 용존질소가 기체 공간으로 쉽게 배출되지 않는다는 것을 알 수 있었으며, 진공추출의 의미를 이해할 수 있었다.
또한 추진제 탱크의 압력이 포화 압력에 가까워질 수록 냉각 효과가 증가하는 것을 입증하였다. 하 지만 액체산소가 냉각되면 액체산소의 증기압이 감소하게 되고, 그에 따라 냉각효과가 감소하여 더욱 많은 양의 기체헬륨이 필요하다는 것을 확인하였다. Friedlander 등[3]은 연료로 기준 끓는 점의 액체수소 대신 슬러시(slush) 수소를 사용 함으로써 얻는 이점에 대하여 연구하였다.
후속연구
실험실의 모사 케로신 탱크에서 검사법 및 제거법에 대한 절차를 체계화한 후, 실제 우주센터 PSTC 케로신 저장탱크에서 실험을 수행하여 이러한 방법의 유효성을 최종적으로 확인하였다. 본 연구를 통해 체계화된 질소 함유량 검사법 및 제거법은 한국형발사체 개발에 도움이 될 것으로 예상된다.
이러한 오차를 감소시키기 위해서는 측정자의 힘에 의존하는 방식이 아닌, 일정한 강도와 시간으로 SB 내 케로신을 흔들어줄 수 있는 자동화된 장치가 필요하다고 판단된다. 이를 위해 SB 내 프로펠러를 설치하여 SB를 NSD에서 분리하여 흔들어주지 않아도 케로신 자체를 흔들어 용존질소를 배출할 수 있는 방법을 추가 적으로 연구할 계획이다.
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.
참고문헌 (11)
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Friedlander, A., Zubrin, R. and Hardy, T.L., "Benefits of Slush Hydrogen for Space Missions," NASA TM 104503, 1991.
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.
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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.
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.
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