[논문]연소시험 조건 기반 총운동량비에 따른 가변추력 핀틀 분사기의 분무각 분석

허수범; 김대환; 이수지; 윤영빈

doi:10.15435/jilasskr.2020.25.3.126

연소시험 조건 기반 총운동량비에 따른 가변추력 핀틀 분사기의 분무각 분석
Study on Spray Angle of a Throttleable Pintle Injector according to Total Momentum Ratio based on Hot Fire Test Conditions 원문보기

한국분무공학회지 = Journal of ilass-korea, v.25 no.3, 2020년, pp.126 - 131

허수범 (서울대학교 항공우주공학과) , 김대환 (서울대학교 항공우주공학과) , 이수지 (서울대학교 항공우주공학과) , 윤영빈 (서울대학교 항공우주신기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Throttleable rocket engines are in high demand due to the diversification of space missions. Pintle injector is known to be suitable for throttleable rocket engines, because of its high efficiency in overall thrust zone. In this study, the relationship between spray angle of a throttleable pintle injector and total momentum ratio based on hot fire test conditions was investigated. As a result, the spray angle in 100% and 60% throttling level is higher than the spray angle obtained by the case which considers only propellant mass flow rate, owing to higher total momentum ratio (TMR). The results of this study may be useful for predicting spray angle in hot fire test.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Main parameters of rocket engine combustor using pintle injector
그림 Fig. 2 Main parameters and flow paths of throttleable pintle injector
표 Table 1 Engine specifications
표 Table 2 Geometrical parameters
표 Table 3 Experimental conditions according to propellant mass flow rate
표 Table 4 Experimental conditions according to TMR based on hot fire test conditions
그림 Fig. 3 Experimental setup for spray image
그림 Fig. 4 Spray images according to TMR based on hot fire test conditions
그림 Fig. 7 Relationship between spray angle and TMR based on hot fire test conditions
그림 Fig. 5 Spray images with fixed annular orifice gap
그림 Fig. 6 Relationship between spray angle and TMR based on propellant mass flow rate

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

핀틀 오리피스를 통해 액체가 반경 방향으로, 환형 오리피스를 통해 기체가 수직 방향으로 분사되도록 설계하였다. Fig. 2에서 G로 표시된 환형 오리피스의 간격은 최적의 분무특성을 나타내는 분무 조건을 찾기 위해 분사 면적을 조절할 수 있도록 설계하였고, 수류시험에서는 각기 다른 분사 면적을 가지는 매니폴드를 제작하여 실험 조건마다 바꾸어 장착함으로써 조절하였다. h로 표시된 반경 방향 핀틀 오리피스의 높이는 추력 구간에 따라 조절할 수 있도록 설계하였으며, 수류시험에서는 마이크로미터를 사용하여 조절하였다.
2에서 G로 표시된 환형 오리피스의 간격은 최적의 분무특성을 나타내는 분무 조건을 찾기 위해 분사 면적을 조절할 수 있도록 설계하였고, 수류시험에서는 각기 다른 분사 면적을 가지는 매니폴드를 제작하여 실험 조건마다 바꾸어 장착함으로써 조절하였다. h로 표시된 반경 방향 핀틀 오리피스의 높이는 추력 구간에 따라 조절할 수 있도록 설계하였으며, 수류시험에서는 마이크로미터를 사용하여 조절하였다.
다음으로 연소시험 조건에서의 총운동량비를 고려하지 않은 경우와 고려한 경우로 나누어 공기의 질량유량을 설정하였다. 총운동량비를 고려한 것은, 핀틀 분사기의 분무특성에 가장 큰 영향을 미치는 무차원수인 총운동량비를 연소시험 조건에서의 값과 같게 하여 연소시험 조건에서의 핀틀 분사기 분무특성을 모사하기 위함이다.
추진제의 유량을 그대로 사용한 경우의 실험 조건을 Table 3에 나타내었으며, 연소시험 조건에서의 총운동량비를 계산하여 유량을 설정한 경우의 실험 조건을 Table 4에 나타내었다. 두 경우에 대하여 각각 추력 구간에 따른 유량과 환형 오리피스 간격을 달리하며 실험을 수행하였다.
두 번째로, 연소시험 조건에서의 총운동량비에 따른 분무각을 확인하고자 추진제의 분사 압력 및 분사 온도에 따른 밀도 변화를 고려하여 공기의 질량유량을 결정하였다. 연소시험 조건에서의 분사 압력은 각 추력 구간에서 연소기의 챔버 압력으로 설정하였으며, 액체산소 공급 온도는 90K, 메탄 공급 온도는 298.
메탄과 액체산소의 모사 유체로 각각 공기와 물을 사용하여 수류시험을 수행하였으며, 추력 구간에 따른 분무특성을 파악하기 위해 100%, 60%, 20% 유량에 대해 실험하였다.
본 연구에서는 수류시험을 통해, 연소시험 조건을 고려한 총운동량비에 따른 핀틀 분사기의 분무각을 측정하고 분석하였다.
본 연구에서는 추진제로 메탄과 액체산소를 사용하는 기체/액체 가변추력 핀틀 분사기의 분무 조건을 연소시험 조건에 알맞게 설정하고, 이에 따라 수류시험을 수행하여 총운동량비에 따른 분무각의 경향을 분석하였다.
분무 이미지는 backlight photography를 통해, 카메라의 노출 시간을 1/60초로 하여 5184 × 3456의 해상도로 촬영하였다.
카메라의 F 값은 11, ISO 감도는 2000으로 설정하였다. 실험 조건마다 한 번의 분사로부터 촬영한 약 70장의 이미지를 평균화한 뒤, 흑백 처리하고 적절한 값으로 이진화하는 후처리를 수행하였다. 후처리한 이미지에서 분무의 중앙선을 기준으로 좌우 분무 경계의 근사 직선을 각각 구하여 분무반각을 측정하고, 좌우 분무반각의 합을 분무각으로 정하였다.
첫 번째로, 식 (3)과 같이 메탄과 공기의 질량유량을 같게 설정한 실험을 수행하여 이를 대조군으로 삼았다.
추력을 5:1로 조절 가능한 400N급 엔진에 사용되는 기체/액체 핀틀 분사기를 바탕으로 실험을 수행하였다. Fig.
Figure 2는 본 연구에서 사용된 핀틀 분사기 수류시험 장치의 3D 모델링 단면도에, 가변추력 핀틀 분사기의 주요 설계 인자와 액체 및 기체의 유로를 표시한 것이다. 핀틀 오리피스를 통해 액체가 반경 방향으로, 환형 오리피스를 통해 기체가 수직 방향으로 분사되도록 설계하였다. Fig.
실험 조건마다 한 번의 분사로부터 촬영한 약 70장의 이미지를 평균화한 뒤, 흑백 처리하고 적절한 값으로 이진화하는 후처리를 수행하였다. 후처리한 이미지에서 분무의 중앙선을 기준으로 좌우 분무 경계의 근사 직선을 각각 구하여 분무반각을 측정하고, 좌우 분무반각의 합을 분무각으로 정하였다.

대상 데이터

카메라는 Canon EOS 7D를, 광원으로는 SUGAWARA MS-230DA 스트로보스코프를 사용하였다. 기체 유량은 KITS TSC-150을, 액체 유량은 SEHWA HIGHTECH SA-20-S를 사용하여 조절하였다.
Figure 3에 분무 이미지 촬영을 위해 사용된 실험 장치의 구성을 나타내었다. 카메라는 Canon EOS 7D를, 광원으로는 SUGAWARA MS-230DA 스트로보스코프를 사용하였다. 기체 유량은 KITS TSC-150을, 액체 유량은 SEHWA HIGHTECH SA-20-S를 사용하여 조절하였다.

성능/효과

여러 선행연구에서 밝혀진 바와 같이, 핀틀 분사기에서 유량이 일정할 때 총운동량비가 증가함에 따라 분무 각이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 100%와 60% 유량 조건에서는 연소시험 조건 총운동량비를 적용한 경우가 그렇지 않은 경우보다 높은 총운동량비 값을 가져 분무각이 더 크며, 20% 유량 조건에서는 두 경우 사이의 기체 유량 차이가 미미하여 분무각의 차이가 뚜렷이 나타나지 않았다.
여러 선행연구에서 밝혀진 바와 같이, 핀틀 분사기에서 유량이 일정할 때 총운동량비가 증가함에 따라 분무 각이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 100%와 60% 유량 조건에서는 연소시험 조건 총운동량비를 적용한 경우가 그렇지 않은 경우보다 높은 총운동량비 값을 가져 분무각이 더 크며, 20% 유량 조건에서는 두 경우 사이의 기체 유량 차이가 미미하여 분무각의 차이가 뚜렷이 나타나지 않았다.
추진제 유량만을 고려한 경우 100%와 60% 유량 조건에서는 분무각이 모두 70° 미만으로 비교적 작으나, 연소시험 조건을 고려하면 기체 유량이 감소함으로써 총운동량비가 증가하고 분무각 또한 증가한다.

후속연구

본 연구의 결과는 연소시험에서 핀틀 분사기의 분무 특성 중 하나인 분무각의 경향을 예측하는 데 도움이 될 것이다.
이는 핀틀 분사기의 분무각을 총운동량비만으로 완벽하게 나타낼 수는 없기 때문으로 판단된다. 추후 웨버수 등, 총운동량비 이외에 분무각에 영향을 줄 수 있는 인자를 함께 고려한다면 이러한 현상을 분석하는 데 도움이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체 로켓 엔진 분사기의 분무특성은 무엇과 밀접하게 관련되어 있는가?	액체 로켓 엔진 분사기의 분무특성은 대개 연소특성과 밀접하게 관련되어 있기에, 연소시험에 사용되는 추진제의 모사 유체를 사용하는 수류시험을 수행하여 분무특성을 먼저 분석하는 것이 일반적이다. 핀틀 분사기의 수류시험을 수행한 선행연구에서는 분무 조건과 총운동량비, 분무특성 사이의 관계가 주로 다루어졌다.
	수류시험을 통해, 연소시험 조건을 고려한 총운동량비에 따른 핀틀 분사기의 분무각을 측정하고 분석한 결과는 어떠한가?	여러 선행연구에서 밝혀진 바와 같이, 핀틀 분사기에서 유량이 일정할 때 총운동량비가 증가함에 따라 분무 각이 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 또한, 100%와 60% 유량 조건에서는 연소시험 조건 총운동량비를 적용한 경우가 그렇지 않은 경우보다 높은 총운동량비 값을 가져 분무각이 더 크며, 20% 유량 조건에서는 두 경우 사이의 기체 유량 차이가 미미하여 분무각의 차이가 뚜렷이 나타나지 않았다. 한편, 저추력 구간에 해당하는 20% 유량 조건에서는 총운동량비가 낮을 때 분무각이 비교적 작을 것으로 예상되므로 핀틀 분사기를 높은 총운동량비 조건에서 운용하거나 설계를 수정하여 반경 방향 추진제의 속도를 높일 필요가 있다.
	핀틀 분사기가 가변추력 로켓 엔진에 적합한 이유는 무엇인가?	핀틀 분사기는 추진제 유량 조절을 통해 추력을 제어하는 방법의 하나로, 추진제 분사 면적을 조절함으로써 추진제 유량과 관계없이 분사 속도를 유지할 수 있어 가변추력 로켓 엔진에 적합한 것으로 꼽힌다(1).

참고문헌 (8)

M. J. Casiano, J. R. Hulka, and V. Yang, "Liquid-Propellant Rocket Engine Throttling: A Comprehensive Review", Journal of Propulsion and Power, Vol. 6, No. 5, 2010, pp. 897-923.
M. Son, K. Radhakrishnan, J. Koo, "Design Procedure of a Movable Pintle Injector for Liquid Rocket Engines", Journal of Propulsion and Power, Vol. 33, No. 4, 2017, pp. 858-869.

상세보기
손민, 유기정, 구자예, 권오채, 김정수, "액체로켓 핀틀인젝터의 분사조건이 미립화 성능에 미치는 영향", 한국액체미립화학회지, 제20권, 제2호, 2015, pp. 114-120.

원문보기 상세보기
S. Lee, D. Kim, J. Koo, and Y. Yoon, "Spray characteristics of a pintle injector based on annular orifice area", Acta Astronautica, Vol. 167, 2020, pp. 201-211.

상세보기
유기정, 손민, K. Radhakrishnan, 김희동, 구자예, "가변 추력용 핀틀 분사기에서 추진제 상에 따른 상압분무 특성", 한국액체미립회학회지, 제21권, 제1호, 2016, pp. 13-19.
P. A. Starkey, R. K. Cohn, and D. G. Talley, "The Development of a Methodology to Scale Between Cold-Flow and Hot-Fire Evaluations of Gas-Centered Swirl Coaxial Injectors", 52nd JANNAF Propulsion Meeting, 2004.
S. Lee, D. Kim, J. Koo, and Y. Yoon, "Corrigendum to "Spray characteristics of a pintle injector based on annular orifice area" [Acta Astronautica 167 (2020) 201-211]", Acta Astronautica, Vol. 173, 2020, pp. 473-474.

상세보기
K. Lee, D. Shin, M. Son, H. Moon, and J. Koo, "Flow visualization of cryogenic spray from a movable pintle injector", Journal of Visualization, Vol. 22, 2019, pp. 773-781.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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