핀틀 인젝터는 LMDE의 인젝터로 채용되어 아폴로 계획의 성공적인 수행에 일조하였으며, 최근 SpaceX 사의 Merlin 엔진으로 다시 조명받고 있는 인젝터의 형태이다. 본 연구에서는 액체산소/기체메탄을 이용하는 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 제작하여 연소실험을 수행하였다. 그러나 초기 연소실험은 핀틀 팁의 용융과 낮은 연소효율이라는 문제를 노출하였다. 따라서 이를 해결하기 위하여 전산수치해석을 통한 시뮬레이션을 통해 유동 가이드가 추가된 핀틀 팁의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 설계를 채택하였으며, 연소실험을 통해 유동 가이드의 효용성을 확인하였다.
핀틀 인젝터는 LMDE의 인젝터로 채용되어 아폴로 계획의 성공적인 수행에 일조하였으며, 최근 SpaceX 사의 Merlin 엔진으로 다시 조명받고 있는 인젝터의 형태이다. 본 연구에서는 액체산소/기체메탄을 이용하는 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 제작하여 연소실험을 수행하였다. 그러나 초기 연소실험은 핀틀 팁의 용융과 낮은 연소효율이라는 문제를 노출하였다. 따라서 이를 해결하기 위하여 전산수치해석을 통한 시뮬레이션을 통해 유동 가이드가 추가된 핀틀 팁의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 설계를 채택하였으며, 연소실험을 통해 유동 가이드의 효용성을 확인하였다.
Pintle injector is known to have been adopted as injector of Lunar Module Descent Engine (LMDE) and contributed to success of the Apollo program and recently used in merlin engine. In this study, 500N Lab-Scale pintle injector thruster was manufactured and the combustion experiment with LOx/GCH4 was...
Pintle injector is known to have been adopted as injector of Lunar Module Descent Engine (LMDE) and contributed to success of the Apollo program and recently used in merlin engine. In this study, 500N Lab-Scale pintle injector thruster was manufactured and the combustion experiment with LOx/GCH4 was conducted. However, the proto-type thruster was showed some problems, such as low combustion efficiency and melting of pintle tip. To solve these problems, the flow guide in pintle tip was suggested through the CFD simulation. After addition of flow guide module, the combustion efficiency increased and pintle tip did not melt until the end of combustion.
Pintle injector is known to have been adopted as injector of Lunar Module Descent Engine (LMDE) and contributed to success of the Apollo program and recently used in merlin engine. In this study, 500N Lab-Scale pintle injector thruster was manufactured and the combustion experiment with LOx/GCH4 was conducted. However, the proto-type thruster was showed some problems, such as low combustion efficiency and melting of pintle tip. To solve these problems, the flow guide in pintle tip was suggested through the CFD simulation. After addition of flow guide module, the combustion efficiency increased and pintle tip did not melt until the end of combustion.
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문제 정의
본 연구에서는 액체산소/기체메탄을 추진제로 사용하는 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 제작하여 이미 모사추진제를 이용한 분무실험을 진행[9]하여 분무 성능을 검증하였으며, 해당 인젝터를 최대한 원형을 유지하여 연소실험용으로 개량, 연소실 압력 20 bar를 목표로 연소실험을 진행하였다. 그러나 연소 실험 과정 중 핀틀 팁의 용융 문제가 발생 하였으며 일련의 설계 수정/보완 과정을 거쳐 실제 정상상태의 연소 실험 결과 분석이 가능한 정도의 안정성을 확보하였으며 실제 약 90% 이상의 특성속도 효율을 보이는 등 만족스러운 연소실험 결과를 도출하였다.
그러나 연소 실험 과정 중 핀틀 팁의 용융 문제가 발생 하였으며 일련의 설계 수정/보완 과정을 거쳐 실제 정상상태의 연소 실험 결과 분석이 가능한 정도의 안정성을 확보하였으며 실제 약 90% 이상의 특성속도 효율을 보이는 등 만족스러운 연소실험 결과를 도출하였다. 이에 추후 발생할 수 있는 핀틀 인젝터의 연소 실험 중의 위험을 방지하고 보다 안전한 실험이 가능하도록 그 정보를 공유하고자 한다.
제안 방법
6에 표시된 계산 영역 내에서 유동 가이드 유무에 따른 핀틀 팁 내부 액체산소 유동의 유적선(Pathline)과 속도 강도(Velocity magnitude) 변화를 나타내었다. CFD 연산은 핀틀 홀이 한 층당 8개로 45도 각도마다 하나씩 배치됨을 고려하여 전체 핀틀 팁을 45도로 자른 Sliced-3D 모델링으로 수행되었다. 액체산소의 질량유량은 두 케이스 모두 설계 유량인 133g/s로 고정하였다.
달 착륙 등 지속적인 추력을 요구하는 핀틀 인젝터의 구현을 위해서는 인젝터의 용융 없이 정상상태 연소가 오랜 시간 유지 되는 것이 필요하며, 이를 위한 방안의 하나로 액체산소 유동 가이드를 추가하여 핀틀 팁 끝단의 유동 정체를 개선하여 안정적인 연소와 만족할만한 연소 성능을 확보하였다.
본 연구에서는 액체산소 및 기체 메탄을 추진제로 사용하는 설계 연소 압력 20 bar의 추력 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 설계 제작하여 실제 연소실험을 실시하였다.
실험이 시작되면 우선 0.5초 내지 1초간 토치 점화기를 점화시키기 위하여 점화 추진제를 먼저 분사하며, 연소실험 시 확실하게 액체산소가 들어갈 수 있도록 추진제 중 액체산소도 같이 분사(①-②)하였다. 그리고 스파크 플러그를 작동시켜 토치점화기를 작동(②-③)시키고 메탄을 연소실 내로 분사(③-④)하여 점화시킨다.
액체산소/기체메탄 화염의 점화를 위하여 기체산소/기체메탄을 이용한 토치 점화기가 사용되었으며, 토치 점화기의 점화는 상용 스파크 플러그를 이용해 수행되었다. 연소 시 챔버 내 추진제 유입량과 스파크 플러그 작동 시 발생하는 노이즈로 인한 실험 데이터 오염을 피하기 위하여 점화기의 작동 시간은 최소한으로 줄이고, 점화기의 작동 종료 이후 연소 결과만을 분석하여 비교하였다.
액체산소/기체메탄 화염의 점화를 위하여 기체산소/기체메탄을 이용한 토치 점화기가 사용되었으며, 토치 점화기의 점화는 상용 스파크 플러그를 이용해 수행되었다. 연소 시 챔버 내 추진제 유입량과 스파크 플러그 작동 시 발생하는 노이즈로 인한 실험 데이터 오염을 피하기 위하여 점화기의 작동 시간은 최소한으로 줄이고, 점화기의 작동 종료 이후 연소 결과만을 분석하여 비교하였다.
내부 액체산소 유동 가이드가 없는 핀틀 인젝터는 연소 실험 시 연소압력의 진동 및 핀틀 팁의 파손 및 낮은 특성속도 효율 등의 문제가 발생하였다. 이 문제는 핀틀 팁 내부 끝단 부분까지 액체산소가 제대로 닿지 못하여 핀틀 팁의 냉각이 원활히 이루어지지 못하였다 판단하였으며, 이에 핀틀 팁 내부의 유동 가이드를 추가하여 설계를 개선하였다. 수치해석을 통하여 유동 가이드를 추가할 때 핀틀 팁 끝단 부근까지 액체산소 유동이 좀 더 가까이 형성되며, 팁 끝 유동의 정체현상이 개선되고 좁아진 내부 단면적으로 인하여 속도가 빨라져 강제 대류로 인한 열전달 계수 증가 효과를 확인하였다.
그리고 스파크 플러그를 작동시켜 토치점화기를 작동(②-③)시키고 메탄을 연소실 내로 분사(③-④)하여 점화시킨다. 총 연소시간은 1초에서 1.5초 정도로 설정하였으며, 연소가 끝난 후 질소를 이용해 배관과 챔버를 퍼지(⑤-⑥)하였다.
일반적으로 핀틀 인젝터에서 추력 5000 N을 기준으로 그 아래 급의 엔진은 연료가 핀틀에서 반경방향으로 분사되는 연료 중심(Fuel-Centered) 핀틀 인젝터로 설계하는 것이 일반적[11]이나, 본 Lab-Scale 핀틀 인젝터는 산소/메탄 연소기를 모델로 하여 제작한 축소형 인젝터이기 때문에 산화제 중심 핀틀 인젝터로 설계/제작하였다. 해당 인젝터는 핀틀 팁이 움직일 수 있는 가변 핀틀 인젝터이나, 본 연구에서는 핀틀 인젝터의 개도 변화가 없이 100% 개방 조건에서만 실험하였다.
대상 데이터
6의 점선으로 표시된 영역에 대하여 ANSYS FLUENT를 이용하여 수치해석을 진행하였다. Grid의 수는 약 84,000이며, LES를 이용해 수행되었다.
데이터처리
5와 같이 핀틀 팁 내부에 유동 가이드를 추가적으로 제작하여 결합하였다. 해당 유동 가이드의 효용성을 확인해보기 위하여 Fig. 6의 점선으로 표시된 영역에 대하여 ANSYS FLUENT를 이용하여 수치해석을 진행하였다. Grid의 수는 약 84,000이며, LES를 이용해 수행되었다.
이론/모형
액체산소 유량은 액체 산소용 터빈 유량계를 이용하여 체적유량을 구하고 Peng-Robinson-Stryjek-Vera 상태방정식[10]을 이용하여 구한 밀도를 곱하여 측정하였다. 기체 메탄의 유량은 열선식 유량계를 이용하여 계산되었으며, 질량유량의 교차검증을 위하여 MFC를 이용한 유량 Calibration, 인젝터의 형상을 이용한 오리피스 식 등이 이용되었다.
액체산소의 가압 기체로 질소 등 타 기체를 사용할 경우, 혼입으로 인한 데이터 오염이 발생할 수 있어 기체 산소를 사용하여 액체 산소를 가압하였다. 액체산소 유량은 액체 산소용 터빈 유량계를 이용하여 체적유량을 구하고 Peng-Robinson-Stryjek-Vera 상태방정식[10]을 이용하여 구한 밀도를 곱하여 측정하였다. 기체 메탄의 유량은 열선식 유량계를 이용하여 계산되었으며, 질량유량의 교차검증을 위하여 MFC를 이용한 유량 Calibration, 인젝터의 형상을 이용한 오리피스 식 등이 이용되었다.
성능/효과
본 연구에서는 액체산소/기체메탄을 추진제로 사용하는 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 제작하여 이미 모사추진제를 이용한 분무실험을 진행[9]하여 분무 성능을 검증하였으며, 해당 인젝터를 최대한 원형을 유지하여 연소실험용으로 개량, 연소실 압력 20 bar를 목표로 연소실험을 진행하였다. 그러나 연소 실험 과정 중 핀틀 팁의 용융 문제가 발생 하였으며 일련의 설계 수정/보완 과정을 거쳐 실제 정상상태의 연소 실험 결과 분석이 가능한 정도의 안정성을 확보하였으며 실제 약 90% 이상의 특성속도 효율을 보이는 등 만족스러운 연소실험 결과를 도출하였다. 이에 추후 발생할 수 있는 핀틀 인젝터의 연소 실험 중의 위험을 방지하고 보다 안전한 실험이 가능하도록 그 정보를 공유하고자 한다.
세 연소실험을 비교하면 연소실 압력과 TMR 이 가장 큰 test B가 효율이 가장 높게 형성되었으나 해당 연소실 압력 범위에서는 의미 있는 차이를 발견 할 수 없었다. 다만 모든 실험들이 유동가이드가 없는 핀틀 인젝터에 비해 연소 실험 시 압력 진동이 적으며, 특성속도 효율이 높게 형성되는 것을 확인하였다.
세 연소실험을 비교하면 연소실 압력과 TMR 이 가장 큰 test B가 효율이 가장 높게 형성되었으나 해당 연소실 압력 범위에서는 의미 있는 차이를 발견 할 수 없었다. 다만 모든 실험들이 유동가이드가 없는 핀틀 인젝터에 비해 연소 실험 시 압력 진동이 적으며, 특성속도 효율이 높게 형성되는 것을 확인하였다.
이 문제는 핀틀 팁 내부 끝단 부분까지 액체산소가 제대로 닿지 못하여 핀틀 팁의 냉각이 원활히 이루어지지 못하였다 판단하였으며, 이에 핀틀 팁 내부의 유동 가이드를 추가하여 설계를 개선하였다. 수치해석을 통하여 유동 가이드를 추가할 때 핀틀 팁 끝단 부근까지 액체산소 유동이 좀 더 가까이 형성되며, 팁 끝 유동의 정체현상이 개선되고 좁아진 내부 단면적으로 인하여 속도가 빨라져 강제 대류로 인한 열전달 계수 증가 효과를 확인하였다.
test B는 유사한 O/F 비에 질량유량만 늘어나 연소 압력이 증가한 실험 케이스이다. 연소실 압력이 증가하며 메탄의 밀도가 증가해 메탄의 속도가 감소하며, 이에 O/F 비가 유사하나 TMR은 test A에 비해 증가하였다. 이 경우 특성속도 효율은 93.
유동 가이드를 설치한 핀틀 인젝터의 연소실험 결과, 특별한 연소 불안정 없이 빠르게 정상상태로 진입하고, 특성속도 효율도 향상되는 등 성능이 개선되었으며 연소실 압력 14-22 bar 정도 범위에서는 TMR 변화에 따른 특성속도 효율 변화가 크게 관측되지는 않았다.
추진제의 질량유량 및 연소실 압력 외 O/F 비와 TMR은 설계 조건과 가장 유사하게 형성되었다. 이 경우 특성속도 자체는 비슷하였으나, 특성속도 효율은 이론적 특성속도 효율의 증가로 인하여 약 90.5% 정도로 계산되었다.
4에 나타내었다. 해당 실험에서는 안전을 위하여 메탄 배관 상류에 오리피스를 추가적으로 설치하여, 메탄의 압력강하가 매우 크게 측정되었다. 단순한 질량유량 및 연소실 압력 외에 실험 시의 연소성능을 분석하기 위하여 식 (2)와 같은 특성속도를 도입하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
핀틀 인젝터의 특징은 무엇인가?
핀틀 인젝터는 LMDE의 인젝터로 채용되어 아폴로 계획의 성공적인 수행에 일조하였으며, 최근 SpaceX 사의 Merlin 엔진으로 다시 조명받고 있는 인젝터의 형태이다. 본 연구에서는 액체산소/기체메탄을 이용하는 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 제작하여 연소실험을 수행하였다.
핀틀 팁의 용융과 낮은 연소효율이라는 문제를 해결하기위해 채택된 설계는 무엇인가?
그러나 초기 연소실험은 핀틀 팁의 용융과 낮은 연소효율이라는 문제를 노출하였다. 따라서 이를 해결하기 위하여 전산수치해석을 통한 시뮬레이션을 통해 유동 가이드가 추가된 핀틀 팁의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 설계를 채택하였으며, 연소실험을 통해 유동 가이드의 효용성을 확인하였다.
메탄의 특징은 무엇인가?
메탄은 대표적인 탄화수소계 계열 연료인 케로신과 비교하면 연소성능이 높으며, 코킹 온도가 높아 배관 및 재생냉각 재킷에 수트가 거의 생기지 않아 재사용 발사체에 적합하다[1]. 가장 고성능을 가지는 추진제인 수소와 비교하면, 메탄은 밀도가 비교적 높아 같은 임무를 요구하는 추력기에도 필요한 추진제 탱크 부피가 작으며, 액체 메탄을 쓸 경우 액체 수소에 비하여 끓는점이 높기 때문에 저장 탱크의 단열 난이도가 상대적으로 낮다는 장점이 있다[2].
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