[논문]KSLV-I KM 연소관 제작 공정 개발

김중석; 이원복; 조인현; 길경섭

KSLV-I KM 연소관 제작 공정 개발
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김중석 ((주)한화 대전공장 개발부) , 이원복 ((주)한화 대전공장 개발부) , 조인현 (한국항공우주연구원 추진제어팀) , 길경섭 (한국항공우주연구원 추진제어팀)

KSLV-I은 100 kg급의 인공위성체를 지구 저궤도에 진입시키는 국내 최초의 우주발사체이다. 이 우주발사체는 2단으로 구성되어 있으며, 고체 추진기관인 2단은 순수 국내 기술로 설계, 제작 및 인증시험을 통하여 임무를 수행하게 된다. KM의 연소관은 중량의 감소와 성능의 증대를 위하여 체결을 위한 구조체를 제외하고 복합재료를 사용하여 제작하였다. 연소관의 제작 공정인 내열재, 필라멘트 와인딩, 각종 인터페이스 체결을 위한 구조물의 조립 공정 등에 대하여 논하고자 한다.

The motor case for the KSLV-I KM is the first satellite launch vehicle ever to be developed by Korea to deliver the 100 kg class satellite into Earth's low orbit. This SLV is made of two stages, and the 2nd stage is made of solid rocket motor. The motor case of the KM is made of all composite materials except for the interface structures. Manufacturing process for the motor case such as insulation, filament winding for the motor case, fabrications for the interface structures will be discussed in this paper.

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문제 정의

KSLV-I KM에 적용된 연소관의 제작 공정 개발에 대하여 논하였다. 연소관 형상의 설계부터 복합재와 금속 구조물에 대한 설계 요구조건에 맞추어 구조해석을 수행하여 연소관의 성능을 예측하였으며, 이를 바탕으로 연소관의 제작 공정을 설계하였다.

제안 방법

구조 성능의 측면에서는 비슷한 수준으로 나타난다. KSLV-I KM 연소관의 개발을 위하여 내탄도 해석 결과를 통한 연소관 형상설계, 내열재의 삭마와 열전달을 고려한 내열재의 설계, 분할형 맨드렐의 설계, 내열재 제작 공정 설계, 와인딩 패턴 설계, 인터페이스 구조물에 대한 설계 등이 이루어졌다. 이러한 설계를 바탕으로 각종 제작 공정에 대한 타당성 검증과 공정 파라미터에 대한 분석을 수행하였다.
내열재는 단일형 금형 내에 적층하여 프레스로 가압 성형하여 preform을 제작한 후 맨드렐위에 적층하여 Autoclave 성형하는 방식으로 제작하였다. 내열재의 접착에는 켐록 205와 6108을 적용하였다.
견딜 수 있도록 설계하였다. 또한, 맨드렐 해체 시 무너짐, 작업성을 고려하여 설계되었다. 맨드렐 축의 조립성, 와인딩의 편의성 및 하중에 의한 처짐, 변형을 고려하여 맨드렐 축을 설계하였다.
맨드렐 segment는 총 46개로 이루어져 있으며 지지링, 지지판 등을 사용하여 외압 및 하중에 견딜 수 있도록 설계하였다. 또한, 맨드렐 해체 시 무너짐, 작업성을 고려하여 설계되었다.
또한, 맨드렐 해체 시 무너짐, 작업성을 고려하여 설계되었다. 맨드렐 축의 조립성, 와인딩의 편의성 및 하중에 의한 처짐, 변형을 고려하여 맨드렐 축을 설계하였다.
대하여 논하였다. 연소관 형상의 설계부터 복합재와 금속 구조물에 대한 설계 요구조건에 맞추어 구조해석을 수행하여 연소관의 성능을 예측하였으며, 이를 바탕으로 연소관의 제작 공정을 설계하였다.
연소관의 전후방 돔은 R1/R2가 0.52인 표준등장력 돔을 적용하였으며, 외경, 압력, 추력 등의 설계 요구조건에 따라 실린더 부위의 길이가 결정되었으며, 점화기와 노즐의 설계에 따라서 전후방 보스의 opening 사이즈가 결정되었다. 이러한 형상에 따라 구조해석을 수행하여 와인딩 패턴의 설계를 수행하였다[3].
와인딩 각도는 전방 돔의 최적 각도인 15°와 후방 돔의 최적 각도인 34° 사이의 각도를 선정했다. 와인딩 각도를 전방 쪽에 맞추게 되면 돔의 너클 부위가 취약해지는 결과를 보이므로 후방돔의 최적 각도에 가까운 29°를 기준으로 와인딩 각도를 선정하였다.
KSLV-I KM 연소관의 개발을 위하여 내탄도 해석 결과를 통한 연소관 형상설계, 내열재의 삭마와 열전달을 고려한 내열재의 설계, 분할형 맨드렐의 설계, 내열재 제작 공정 설계, 와인딩 패턴 설계, 인터페이스 구조물에 대한 설계 등이 이루어졌다. 이러한 설계를 바탕으로 각종 제작 공정에 대한 타당성 검증과 공정 파라미터에 대한 분석을 수행하였다.
52인 표준등장력 돔을 적용하였으며, 외경, 압력, 추력 등의 설계 요구조건에 따라 실린더 부위의 길이가 결정되었으며, 점화기와 노즐의 설계에 따라서 전후방 보스의 opening 사이즈가 결정되었다. 이러한 형상에 따라 구조해석을 수행하여 와인딩 패턴의 설계를 수행하였다[3].
위한 브래킷이 있다. 인터페이스 구조물은 구조비의 감소를 위하여 A7075 T6 계열의 소재를 사용하였으며, MEOP(1, 114 psia)의 150% 이상의 압력에서도 구조적인 건전성을 가질 수 있도록 ANSYS를 사용한 구조해석을 수행하여 설계 및 제작하였다.

대상 데이터

KM의 내열재는 내열재의 삭마 특성 및 기계적 물성, 공정성 등을 고려하여 선정하였으며, 연소가스에 노출되는 시간, 흐름, 열전달 등을 고려하여 두께를 설정하였다[2].
내열재는 EPDM/Kevlar/CR base의 내열재를 적용하였으며, 내열재의 물성은 다음의 표와 같다.
내열재의 접착에는 켐록 205와 6108을 적용하였다.

성능/효과

있었다. 각종 구조시험 및 지상연소 시험을 통하여 연소관과 인터페이스 구조물의 건의 건전성을 확인할 수 있었다.
연소관의 수압보증 시험 및 수압 파열 시험결과 연소관의 전방 부 스트레인은 보증 압력인 1, 225 psia에서 약 5, 500 με, 후방 돔 부위에서약 7, 700 με, 실린더 중앙 부위에서 약 10, 300 με 정도의 스트레인 값을 보이며, 연소관의 파열 압력은 약 2, 200 psia 정도로 MEOP의 약 2 배 정도의 파괴 안전율을 가지고 있음을 확인할 수 있었다. 각종 구조시험 및 지상연소 시험을 통하여 연소관과 인터페이스 구조물의 건의 건전성을 확인할 수 있었다.

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