[논문]액체로켓엔진 탈설계 조건 시험을 위한 시험설비 운용

유병일; 김홍집; 한영민

doi:10.20910/jase.2020.14.5.91

액체로켓엔진 탈설계 조건 시험을 위한 시험설비 운용
Management of Test Facility for Tests of Liquid Rocket Engine on Off-Design Condition 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.14 no.5, 2020년, pp.91 - 99

유병일 (한국항공우주연구원 엔진시험평가팀) , 김홍집 (충남대학교 기계공학과) , 한영민 (한국항공우주연구원 엔진시험평가팀)

초록
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액체로켓엔진은 발사 전까지 성능의 입증을 위해 많은 시험을 거친다. 점화 및 시동 조건 설정을 위한 시험이나 정격 조건에서의 성능시험을 통해 설계 성능을 검증한다. 하지만 개발과정에서 여러 작동조건의 시험을 통해 탈설계 조건에서의 성능확인이 필요하며 이는 엔진 개발기간에 영향을 준다. 엔진 내의 제어 밸브의 개도를 변화시키는 엔진 성능 시험과 함께 엔진으로 공급되는 추진제의 조건을 변경시켜 탈설계 성능 시험을 수행한다. 본 논문에서는 나로우주센터에 설치되어 있는 한국형발사체 액체로켓 엔진 시험설비에서 수행된 엔진 시험 운용 결과를 기초로 하고 있으며, 시험 대상체에 공급되는 추진제의 압력과 온도의 변화로 터보펌프의 입구 조건을 변경시키는 탈설계 조건 성능시험을 위한 시험설비 운용에 관한 내용을 기술하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A liquid rocket engine goes through many tests to prove its performance before liftoff. It means the tests for setting ignition and start-up conditions or a test on design condition, which verifies the design performance. However, the development process requires verification of performance under off-design conditions through tests involving different operating conditions, which affects the duration of engine development. The off-design performance test is performed by altering the conditions of the propellant supplied to the engine in conjunction with the engine performance test that varies the opening of the control valves in the engine. This paper is based on the results of the engine tests performed at the KSLV-II engine test facilities in the Naro Space Center and describes the operations of the test facility for off-design condition test that changes the inlet conditions of the turbo-pump due to changes in the pressure and temperature of the propellant supplied to the test engines.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Photo of engine firing test on RETF [6]
그림 Fig. 2 Engine operating condition (LOx pump inlet pressure/temp.)
그림 Fig. 3 Schematic of pressurization system
그림 Fig. 4 Dome-loaded Regulator with motor-driven pilot regultor [12]
그림 Fig. 6 Schematic drawing of liquid oxygen cooling system [13]
그림 Fig. 5 Dome-loaded Regulator with proportional control valve
그림 Fig. 7 Schematic drawing of heat exchanger equipment of fuel supply system
그림 Fig. 8 Photo of heat exchanger equipment and fuel run tank
그림 Fig. 9 Comparison of dome-loaded regulator control
그림 Fig. 10 Test mode for turbopump inlet pressure alteration
그림 Fig. 11 Runtank pressure and LOx temperature in cooling test using vacuum ejector
그림 Fig. 12 Fuel temperature and heat exchanger LN level

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 나로우주센터에 설치되어 있는 한국형발사체 추진기관 시험설비의 엔진시험설비에서 수행된 한국형발사체 엔진 개발시험 시의 시험설비 운용 결과를 바탕으로 하였으며 탈설계 조건 시험 시 시험 설비의 시험 준비 및 운용 방법을 나타내었다. 결국 초기 시동/점화 및 작동 구간에서 엔진으로 공급되는 추진제의 압력과 온도의 변화로 터보펌프의 입구 조건을 변경시키는 탈설계 조건 성능시험을 위한 시험설비 운용에 관한 내용을 기술하였다.
본 논문에서는 나로우주센터에 설치되어 있는 한국형발사체 추진기관 시험설비의 엔진시험설비에서 수행된 한국형발사체 엔진 개발시험 시의 시험설비 운용 결과를 바탕으로 하였으며 탈설계 조건 시험 시 시험 설비의 시험 준비 및 운용 방법을 나타내었다. 결국 초기 시동/점화 및 작동 구간에서 엔진으로 공급되는 추진제의 압력과 온도의 변화로 터보펌프의 입구 조건을 변경시키는 탈설계 조건 성능시험을 위한 시험설비 운용에 관한 내용을 기술하였다.
하지만 시험설비의 운용 및 준비과정 특히 탈설계 시험을 위한 시험설비 운용에 관한 내용은 극히 드물다. 이에 본 논문에서는 시험설비의 운용적 측면, 특히 탈설계 시험을 위한 시험설비 운용에 대하여 기술하였다.
한국형발사체 엔진 연소시험설비에서 수행된 엔진 작동점 변경을 위한 탈설계 조건 시험설비 운용 방법과 결과를 기술하였다. 시험설비는 터보펌프 입구에서의 온도와 압력을 변화시켜 공급하여 엔진이 경험할 수 있는 작동 영역에 변화를 줄 수 있다.

제안 방법

시동 후 연소시험 중에 시험설비의 가압조건을 변경하여 엔진 작동모드를 변경시킨다. 1회 시험의 연소시험 시간에 따라 변경 가능한 엔진 작동모드를 결정하고 연료와 산화제 입구조건을 이에 맞게 조절하여 시험이 수행된다. 시험 중의 작동모드 변경은 시험 설비에서는 가압압력 변경만이 가능하고 온도 제어는 시험 전에 수행된다.
Figure 11에는 3단 엔진 연소시험설비에서 수행된 이젝터를 이용한 액체산소 냉각 시험결과이다. 공급탱크의 내부에 충전된 액체산소의 약 50% 지점에 온도를 측정하였으며 공급탱크의 상부 얼리지 공간의 압력을 함께 측정한 것이다. 이젝터 가동 전 약 24시간 전부터 액체산소의 해압으로 90K의 액체산소에서 시작하여 약 17분간의 이젝터 가동으로 액체산소의 온도를 84.
하지만 액체 로켓엔진은 여러 조건에서 운용될 수 있으며 엔진 내 제어밸브의 개도 변화를 통하여 엔진 성능을 변화시킬 수 있다. 또한 개발엔진의 여러 조건에서의 시동 및 작동 범위 확인을 위해 여러 가지 탈설계 조건에서의 성능 시험을 수행하게 된다. 이는 발사체 추진제 탱크 내 압력이 비행 시 변화될 수 있는 가능성을 고려하여 탈설계 시동/점화시험이 필요하며[1] 임무수행을 위한 엔진의 작동 범위 확인이 필요하기 때문이다.
이를 위해 추진제의 온도 조절 방법과 가압압력 변경을 수행한다. 압력 변경의 경우 비례제어밸브를 통한 공급탱크 가 압력 변화로 시험이 수행되었으며 온도 제어의 경우 이젝터와 헬륨 분사로 산화제의 온도 제어를 수행하였고 열교환기를 통한 순환 방식으로 연료의 온도 제어가 수행되었다. 현재까지 수행된 시험결과를 바탕으로 압력 제어로직의 보완과 온도 조절 범위의 확대로 더 극한 탈설계 조건 시험이 수행될 예정이다.
산화제 시스템의 경우 별도의 온도 가열 장치는 구성되어 있지 않으며 시험 요구 온도가 92K 이상인 경우 산화제 탱크의 압력을 해당 온도의 포화압력으로 유지시켜 원하는 온도를 얻을 수 있다. 이를 위해 원 거리에 위치한 저장탱크에서 충전 시 충전유량을 조절 하여 산화제 탱크로 충전하고 시험 전까지 가스 배출 밸브를 이용한 공급탱크 얼리지 공간의 압력제어로 온도를 상승시켜 시험한다.
시험설비는 터보펌프 입구에서의 온도와 압력을 변화시켜 공급하여 엔진이 경험할 수 있는 작동 영역에 변화를 줄 수 있다. 이를 위해 추진제의 온도 조절 방법과 가압압력 변경을 수행한다. 압력 변경의 경우 비례제어밸브를 통한 공급탱크 가 압력 변화로 시험이 수행되었으며 온도 제어의 경우 이젝터와 헬륨 분사로 산화제의 온도 제어를 수행하였고 열교환기를 통한 순환 방식으로 연료의 온도 제어가 수행되었다.
연소 시간 320초 동안 비례제어밸브를 이용한 터보펌프 입구 압력변경 시험결과를 보여준다. 작동구간 중 산화제 입구압력 4회, 연료펌프 입구압력 3회의 공급 압력 변경으로 총 5회의 엔진 작동모드 변경이 수행되었으며 각 모드별 정상 작동구간을 표시하였다. 압력 변화의 증감량에 따라 변이구간의 시간차가 존재하나 충분한 시간의 엔진 작동영역을 얻을 수 있다.
액체로켓엔진은 발사 전까지 그 성능의 입증을 위해 많은 개발 시험을 거친다. 초기 점화 및 시동 특성 파악을 위한 시험이나 정격 조건에서의 성능시험을 통해 설계 성능을 검증한다. 하지만 엔진 개발과정에서 여러 작동 조건의 시험을 통해 탈설계 조건에서의 성능 확인이 필요하다.

성능/효과

Figure 12는 시험 전 열교환기를 이용한 냉각 시의 순환펌프 입출구와 공급탱크 내 케로신 온도변화를 나타내었으며 동시에 열교환기의 액체질소 수위를 나타내었다. 결과는 70여 분 간의 시험결과를 나타내었으나 실제 운용 시 온도를 하강시키고 안정화 까지 수 시간이상의 시간이 소요된다. 이 시간동안 펌프는 계속 구동하여 케로신의 동결 방지와 온도 안정화 구간이 필요하다.

후속연구

압력 변경의 경우 비례제어밸브를 통한 공급탱크 가 압력 변화로 시험이 수행되었으며 온도 제어의 경우 이젝터와 헬륨 분사로 산화제의 온도 제어를 수행하였고 열교환기를 통한 순환 방식으로 연료의 온도 제어가 수행되었다. 현재까지 수행된 시험결과를 바탕으로 압력 제어로직의 보완과 온도 조절 범위의 확대로 더 극한 탈설계 조건 시험이 수행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모터구동방식이란 무엇인가?	모터구동방식은 원격으로 모터를 회전시키는 시간의 제어를 통하여 돔압력을 제어하는 방식이며 비례제어 밸브를 이용한 방식은 공급탱크의 압력을 측정하여 입력된 압력 값과 비교하여 돔 내부의 압력을 제어하는 형식이다. Figure 4와 5에 각각의 방식으로 설치된 사진을 보여주고 있다.
	액체 로켓엔진의 여러 조건에서의 시동 및 작동 범위 확인을 위해 여러 가지 탈설계 조건에서의 성능 시험을 수행되어야 하는 이유는?	또한 개발엔진의 여러 조건에서의 시동 및 작동 범위 확인을 위해 여러 가지 탈설계 조건에서의 성능 시험을 수행하게 된다. 이는 발사체 추진제 탱크 내 압력이 비행 시 변화될 수 있는 가능성을 고려하여 탈설계 시동/점화시험이 필요하며[1] 임무수행을 위한 엔진의 작동 범위 확인이 필요하기 때문이다.
	3단 엔진 시험설비은 어떻게 구성되어 있는가?	나로우주센터에 구축되어 있는 추진기관 시험설비 내에 엔진 연소시험설비는 75톤급 엔진 시험을 위한 엔진 지상 연소 시험설비(RETF; Rocket Engine Test Facility)와 엔진 고공 연소시험설비(AETF; Altitude Engine Test Facility), 7톤급 엔진 시험을 위한 3단엔진 연소시험설비(UETF; Upper-stage Engine Test Facility)로 총 3기가 구축되어 운용 중에 있다. 3단 엔진 시험설비의 경우에는 공급설비는 공용으로 사용하고 대상체를 고정하는 테스트 스탠드가 지상시험용과 고공 환경 시험을 위한 진공 챔버와 디퓨져가 설치되어 있는 고공 시험 테스트 스탠드로 나누어져 있다. 공급탱크와 주 배관을 공용으로 사용하며 분리부에 블록밸브를 사용하여 시험 운용을 하도록 설치되어 있어 시험 전 운용 방식은 동일하게 진행된다.

참고문헌 (13)

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ByungIl Yu, ChaeHyung Kim, DaeBan Seo, SeongPil Woo, YoonSeok So, KwangJin Lee, SeungJae Lee, JungHo Lee, JiHyuk Lim, JunSoo Jeon, ChangHwan Hwang, SeungHan Kim and YeongMin Han, "Pressure Control of Propellant Supply Pressure with Dome Loaded Regulator for Liquid Rocket Engine Test Facility," Proc. of the Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conf., pp. 512-513, 2017.
Daeban Seo, Byoungil Yoo, Jungho Lee, Namkyung Cho, Seunghan Kim and Yeoungmin Han, "Liquid Oxygen Supercooling System in the 75 tonf-class Liquid Engine Combustion Test Facility," Proc. of the Korean Society of Propulsion Engineers Spring Conf., pp. 1080-1083, 2017.

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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