[논문]선회류 하이브리드 로켓에서 고체 연료 후퇴율 향상에 대한 연구

박종원; 이충원; 구건우; 윤명원

선회류 하이브리드 로켓에서 고체 연료 후퇴율 향상에 대한 연구
Research of the Improvement of Solid Fuel Regression Rate in Swirl Hybrid Rocket 원문보기

박종원 (경북대학교 기계공학부) , 이충원 (경북대학교 기계공학부) , 구건우 (경북대학교 기계공학부) , 윤명원 (국방과학연구소)

하이브리드 로켓은 고체 및 액체 로켓에 비해 많은 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 선회류 하이브리드 로켓을 디자인 및 제작하여 고체 연료 후퇴율 향상 방법에 대해 연구되었다. 산화제 유량 조건에 대해 추력이 계산되었으며 초음파 센서를 이용하여 전체 연소 조건에 대해 고체 연료의 후퇴율을 측정하였다. 본 연구에서는 PMMA 고체 연료 및 HTPB 고체 연료가 사용되었다.

Hybrid rocket had many advantage with compared to solid and liquid rockets. In this study, swirl flow hybrid motor was designed and manufactured. And the methods of regression rate improvement were considered. Thrust was calculated with pressure of the combustion chamber and the regression rate was measured by using ultrasonic sensor technique in entire firing conditions. In this study, PMMA fuel and HTPB solid fuel were used in firing test.

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문제 정의

또한 고체 연료 내에 산화제 성분 혹은 자발적인 화학분해 물질을 첨가하거나 금속 입자를 첨가함으로써 연소율을 증가시키는 연구 등이 수행되었으나 이는 연소 불안정 현상이 일어나기 쉬우며 환경오염을 증가시킬 우려가 있다. 본 연구에서는 선 회류 하이브리드 모터의 설계 및 제작기술을 확보하고 체계적인 연소실험을 통하여 full-scale 엔진의 설계에 적용할 수 있는 regression rate에 대한 실험식 및 scale-up 설계기술을 개발하고자 한다. -
본연구에서는 동일한 선회유동 조건에 대해 산화제 공급유량을 증가시킬 때의 고체 연료 연소 현상을 연소시험을 통해 고찰하였다. Fig공급 유량8에 산화제 공급유량 변화에 대한 고체 연료 regression rate의 변화를 나타내었다.

제안 방법

설정하고 Eq. (1) 을 이용하여 초기 및 연소 후 연료 포트 직경을 계산하였으며 전체 연소기간 동안의 산화제 및 연료의 질량 유량을 계산하였다. 계산된 산화제 및 연료 유량으로부터 전체 질량 유량 및 당량 비를 계산하여 노즐 목 단면적으로 계산하였다.
. 공급 산화제는 기체산소를 사용하고 고체 연료는 PMMA(Polymethyle methacrylate)를 사용하여 연소과정 동안의 가시화가 가능하도록 하였다. 설계에 사용된 regression rate 실험식은 S.
(1) 을 이용하여 초기 및 연소 후 연료 포트 직경을 계산하였으며 전체 연소기간 동안의 산화제 및 연료의 질량 유량을 계산하였다. 계산된 산화제 및 연료 유량으로부터 전체 질량 유량 및 당량 비를 계산하여 노즐 목 단면적으로 계산하였다. 노즐의 형상과 특성 속도로부터 연소실 내 압력을 계산할 수 있었으며 이 값을 이용하여 노즐 출구 단면적을 결정하였다.
고체 연료의 길이 변화에 대한 연소실 내부압력의 변동에 대해 수차례 연소시험을 통해 고찰하였다. 고체 연료의 길이는 160, 250, 350mm 이며 공급 산소의 압력은 32 bar로 일정하게 유지하였다.
계산된 산화제 및 연료 유량으로부터 전체 질량 유량 및 당량 비를 계산하여 노즐 목 단면적으로 계산하였다. 노즐의 형상과 특성 속도로부터 연소실 내 압력을 계산할 수 있었으며 이 값을 이용하여 노즐 출구 단면적을 결정하였다.
따라서, 본 연구에서는 고체 연료 regression rate 측정의 새로운 방법을 모색하게 되었고 그 결과 초음파 센서를 이용하여 실시간 연료 그레인 직경 변화를 측정하는 방법을 수행하였다. 하이브 리드용 고체 연료 표면에 초음파 센서가 위치하고 이로부터 나오는 신호를 증폭하거나 혹은 그대로 획득한 다음 Labview 프로그램 상에서 실시 간으로 모티 너링 하는 구조로 되어 있다.
공급 기체의 유량은 sonic 노즐에 의해 제어되며 공급관 각 부에 연결된 압력센서에 의해 공급압력을 측정하도록 되어 있다. 또한 연소 실내 압력 측정을 위해 두 곳에 압력 센서를 장착하였으며 연소 온도로부터의 보호를 위해 실리콘 오일로 연소 공기와의 직접적인 접촉이 이루어지지 않도록 하였다. 연소과정의 가시화는 가정용 캠코더로 촬영하였다.
본 연구에서 사용된 하이브리드 모터는 실험의 안전을 고려하여 연소실 압력이 30 bar를 넘지 않으며 발생 추력이 200N급인 motor를 설계기준으로 하였다.
하이브리드 모터의 점화는 가압된 에틸렌을이용하였으며 공급유량은 공급되는 산화제의 질량 유량에 따라 이론 당량 비 조건에 일치하는 값으로 결정하였다. 이상에서 계산된 값을 Table 1 에 나타내었다.

성능/효과

1) 선회강도의 증가에 따라 고체 연료의 연소 성능은 향상되나 regression rate의 확연한 증가는 관찰하기 힘들었다.
2) 고체 연료의 길이 증가에 대한 연소시험 결과, 250mm 연료 그레인의 경우가 regression rate가 가장 높게 나타났다.
고체 연료 그레인의 길이가 250min로 증가된경우가 160mm 그레인에 비해 평균 2 bar 이상의 연소실 압력 상승을 나타내었다. 이것은 선회강도의 영향에 비해 더 나은 압력 상승 효과를 나타내고 있으며 이는 연소에 참여하지 못하고 배출되었던 산화제가 연료의 길이가 길어짐에 따라 연료 후단에서 연소에 참여할 수 있었기 때문이라 생각된다.
관찰되었다. 고체 연료의 regression rate 즉정은 아직 정확히 수행되지는 못하였으나 연소 전후의 직경 변화를 측정하여 평균 를regression rate 를 측정한 결과 0.77mm/s 로 나타났다. HTPB 고체 연료를 사용한 하이브리드 모터의 경우 초음파 센서 측정의 감쇠 요인이 많아 현재 보완 작업 중에 있으며 이후 기존 PMMA 고체연료와의 비교 고찰 또한 가능하리라 생각된다.
두 가지 조건 모두 형상선회강도는 9.4이며, 산화제 질량유량 0.0455 kg/s의 경우, 초기의 고체 연료 regression rate는 3mm/s 까지 증가되었으며 고체 연료의 연소율에 미치는 선회류의영향이 지대함을 알 수 있다.
연소에 참여하지 못하고 대기 중으로 그냥 배출되던 산화제가 여분의 연료와 더불어 연소에 참여함으로써 regression rate 의 감소 경향도 더욱 둔화되는 현상을 나타내고 있다. 하지만 더욱 연료농후조건에 해당하는 350mm 연료 그레인의 경우에는 또다시 regression rate의 감소 경향을 나타내고 있으며 본 연구에서의 실험 조건에서는 연료 길이 250mm가 가장 좋은 결과를 나타내고 있다.

후속연구

3) HTPB 고체 연료에 대한 연소시험을 수행하였으며 regression rate 측정기법에 대한 향후 보완이 필요하다.
이것이 단순히 개관 내부에서의 주파수 변동에 따른 현상인지 선회유동의 영향인지의 여부는 아직 고찰 중에 있으며, 고체 연료 내부에서 발생된 파장의 마디 형상이 고체 연료 regression rate 변화에 일정부분 기여하고 있음은 확인할 수 있었다. 이후 다른 선회유동 조건에서의 보강 연소 시험과 주파수■ 분석작업을 수반하여 이에 같은 현상을 규명할 예정이다.

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