[논문]액체로켓엔진 산화제 공급부 냉각과정 고찰

조남경; 서대반; 유병일; 김승한; 한영민

doi:10.6108/kspe.2019.23.3.119

[국내논문] 액체로켓엔진 산화제 공급부 냉각과정 고찰
Investigation on Chilling Procedure for LOX Supply System for Liquid Rocket Engine 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.23 no.3, 2019년, pp.119 - 126

조남경 (Engine Test & Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute) , 서대반 (Engine Test & Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute) , 유병일 (Engine Test & Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute) , 김승한 (Engine Test & Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute) , 한영민 (Engine Test & Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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극저온 액체산소나 액체수소를 사용하는 액체로켓 엔진은 냉각이 충분하지 않을 경우 펌프 인입부에서 의 케비테이션과 연소기 메니폴드부에서의 급격한 기화에 의한 서지 현상이 발생할 수 있다. 극저온 추진제 사용을 위한 냉각은 유로의 충전을 위한 냉각/충전단계와 충전 후 온도유지 단계로 구분된다. 발사체의 위성투입 능력 향상을 위해서는 상단엔진의 다점화 기능이 필요하며 다점화를 위해서는 무추력 구간 중 다음 시동을 위한 냉각이 수행되어야 한다. 본 연구에서는 지상에서의 엔진의 냉각/충전 및 온도유지, 그리고 상단 엔진이 1차 점화하기 위한 냉각과 무추력 구간에서의 냉각유지, 그리고 다점화를 위한 냉각에 대해 논의한다.

Abstract ▼ AI-Helper

For rockets using cryogenic liquid hydrogen or liquid oxygen, chilling is required to avoid cavitation and surge problems. Chilling is categorized by the initial chilling/filling stage and the low-temperature maintenance stage. In addition, to improve satellite insertion capability, a multi-ignition capability is required and accordingly chilling to prepare for the next ignition during low-gravity coasting is also required. This paper describes the overall aspects of filling and low temperature maintain marinating for the booster and the upper stage engine including chilling for multi-ignition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 액체산소 공급시스템의 냉각방법과 저온 온도 유지특성, 관련된 냉각 하드웨어를 소개함으로서 액체산소 냉각 시스템의 전반적인 내용을 제시함을 목적으로 한다. 또한 지상냉각 및 엔진이 상단에서 점화하기 위한 냉각과 무추력 구간에서의 냉각유지, 재점화를 위한 냉각에 대해 논의한다.
또한 지상냉각 및 엔진이 상단에서 점화하기위한 냉각과 무추력 구간에서의 냉각유지, 재점화를 위한 냉각에 대해 논의하였다.
본 논문에서는 액체산소 공급시스템의 냉각방법과 저온 온도 유지특성, 관련된 냉각 하드웨어를 소개함으로서 액체산소 냉각 시스템의 전반적인 내용을 제시함을 목적으로 한다. 또한 지상냉각 및 엔진이 상단에서 점화하기 위한 냉각과 무추력 구간에서의 냉각유지, 재점화를 위한 냉각에 대해 논의한다.
충전단계에서 액체로의 충전은 이상유동(two phase flow) 현상과 관계되며 충전 후 온도유지 단계는 밀도차에 의한 재순환과 배출에 의존한다. 본 연구에서 액체로켓 추진기관의 극저온 추진제 충전단계와 충전 후 온도 유지단계에 대한 전반적 내용을 소개하였다.
엔진 냉각은 크게 연소기로 들어가는 산화제 주밸브(main oxygen valve)의 전단 냉각과 산화제 주밸브 후단 냉각으로 나눌 수 있다. 산화제 주밸브 전단의 냉각은 터보펌프에 대한 충분한 냉각을 통해 케비테이션(cavitation) 방지를 목적으로 한다. 주 산화제 유입밸브(차단밸브)는 드레인(drain) 기능이 있어서 액체산소가 터보펌프 냉각을 위해 흐른 후에 배출되게 한다.
주밸브 후단 냉각은 가스발생기나 연소기의 메니폴드 냉각에 관계되는 부분으로서 점화 시 발생하는 서지를 방지하기 위한 목적으로 수행된다. 일반적으로 메니폴드 냉각은 짧게 수행되는데 이는 냉각을 하면서 유입되는 추진제는 연소실에 축적되어 점화과정에 영향을 미칠 수 있기 때문이다[5].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	냉각과 관련된 운용단계는 어떻게 구분되는가?	냉각과 관련된 운용단계는 크게 극저온 액체로 충전하기 위한 냉각/충전단계와 충전 후 온도유지 단계로 구분된다.
	온도상승을 방지할 수 있는 방법은 무엇인가?	따라서 온도상승을 방지할 수 있는 방법이 마련이 되어야 한다. 이러한 방법에는 재순환 방법과 배출시키는 방법으로 나눌 수 있다. 두 방법 모두 탱크의 상대적으로 차가운 산소가 온도가 높아진 액체산소를 대체하는 방법이다. 차가운 액체산소는 탱크에서 대기압 벤트 상태를 유지할 경우 지속적으로 공급할 수 있다.
	산화제 주밸브 전단의 냉각의 목적은 무엇인가?	엔진 냉각은 크게 연소기로 들어가는 산화제 주밸브(main oxygen valve)의 전단 냉각과 산화제 주밸브 후단 냉각으로 나눌 수 있다. 산화제 주밸브 전단의 냉각은 터보펌프에 대한 충분한 냉각을 통해 케비테이션(cavitation) 방지를 목적으로 한다. 주 산화제 유입밸브(차단밸브)는 드레인(drain) 기능이 있어서 액체산소가 터보펌프 냉각을 위해 흐른 후에 배출되게 한다.

참고문헌 (8)

Journal of Thermal Science and Engineering Applications Deepak 8 1/011005 1082 2015 "Pressure surge during cryogenic feedling chilldown process"
"Two Phase Flow Characteristics and Boiling Heat Transfer Rates During Cryogenic Chilldown and Transport in Reduced Gravity" Jacob 2008
Rocket Science 1 Chung 1st ed. 2014
“Microgravity two-phase flow and heat transfer“ Delil 1999
Operation of a Cryogenic Rocket Engine, Springer Kitshe 1st edition 2009
"Mathematical Modeling of Cryogenic Feedline Chilldown Process" Agrawal 28 2013
“Cooldown of Cryogenic Transfer Lines: an Experimental Report” Brennan 1966
“Start-up transient simulation of liquid rocket” Matteo 2011 10.2514/6.2011-6032

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