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문제 정의
- 본 연구에서는 상온 가압제(GN2)와 외부 유체 (Air)에 대한 선행 연구에 대한 추가 연구를 수행하여 극저온 가압제 (GHe)와 외부 유체 (LOx)에이론 해석과 실험을 통한 가압제 토출시 온도특성에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 액체로켓추진시스템에 적용되는 추진제 가압시스템의 가압제 거동을 부분적으로 고찰하였다. 특히 추진제 가압시스템의 가장 중요한 설계변수인 가압제가 가압제 탱크로부터 토출 될 때의 온도강하율을 중심으로 실험적인 결과와 해석적인 결과가 비교 검토되었다.
제안 방법
- 액체추진기관 가압시스템 설계로 가장 중요한 것은 가압제 탱크내의 압력 변화에 따른 가압제 온도이므로 Eq. 8에서와 같이 가압제 토출시 압력강하율과 온도강하율과의 관계로 고찰하였다.
- Biot 수와 열전달 계수는 선행 연구에서와 같은 경향을 나타내었으므로 본 논문에서는 해석결과를 생략하였으며 가압제 토출시 압력과 온도 강하에 대한 해석 결과는 실험 결과 부분에서 비교 고찰하였다.
- 가압제 토출 유량 조건은 모두 10가지이나 해석의 검증을 위하여 수행된 실험은 이중에서 4 가지 경우에 대하여 해석과 실험결과를 고찰하고자 한다. 가압제와 외부 유체로는 헬륨가스와 액체산소가 각각 적용되었다.
- 초기조건으로는 외부 유체 (Air 또는 LOX), 가압제 (GN2 또는 GHe), 가압제 탱크 규격, 계산 시간간격 등과 실험 결과로부터 획득된 초기 압력, 온도, 평균 유량을 입력한다. 그 다음 가압제 탱크 내부에서 가압제가 토출될 때 질량 및 에너지 보존 방정식을 사용하여 일정 시간 경과후의 압력, 온도 및 열전달량을 계산한다. 가압제 탱크내의 압력이 3.
- 3에서와 같이 열류에 수직한 면적과 그 방향의 온도기울기의 곱으로 나타낼 수 있다. 또한 집중용량법 (lumped capacitance method)을 적용하기 위하여 탱크벽을 20등분하여 Biot 수가 0.1 미만이 되도록 하였다. 또한 가압제와 탱크 벽 사이, 외부 유체와 탱크 벽 사이에서는 대류 열전달이 발생하며 Eq.
- 실험방법은 가압제인 GHe를 220 barg로 가압제 탱크에 충진하여 가압제 탱크내의 온도가 안정 상태에 도달한 후 가압제 토출 시험이 수행되었다. 고압으로 가압제 탱크에서 토출되는 가압제는 돔형 레귤레이터를 통하여 약 40+5 barg 로 1차 감압하게 된다.
- 해석시 초기 조건은 실험 결과에서 획득된 데이터를 조건에 따라 적용하여 계산되었으며 토출 유량의 경우에는 지속시간동안의 평균 유량을 적용하였다. 액체추진기관 가압시스템 설계로 가장 중요한 것은 가압제 탱크내의 압력 변화에 따른 가압제 온도이므로 Eq.
대상 데이터
- 한다. 가압제와 외부 유체로는 헬륨가스와 액체산소가 각각 적용되었다.
- 이전의 연구에서는 대기압의 공기가 외부 유체로 적용되었으나 본 연구에서는 실제 발사체의 극저온 저장 가압시스템에서와 같이 액체산소가 외부 유체로 적용되었다. 또한 가압제로는 질소가스 대신 헬륨가스를 사용하였다. Table 1은 실험 및 해석 시적용된 외부 유체와 가압제를 나타낸 것이다.
- 본 시험에 사용된 가압제 탱크는 원통형과 구형이 혼합된 형상의 탱크를 사용하였다. 원통형내 .
- 본 연구의 실험 장치는 극저온 액체 충진 및저장 시스템과 가압제 저장시스템, 가압제 공급시스템, 제어/계측시스템 등으로 구성되어 있다. Fig.
데이터처리
- 고찰하였다. 특히 추진제 가압시스템의 가장 중요한 설계변수인 가압제가 가압제 탱크로부터 토출 될 때의 온도강하율을 중심으로 실험적인 결과와 해석적인 결과가 비교 검토되었다. 본 연구의 해석 방법으로 상온 및 극저온 저장가압시스템에서 가압제 토출 시 온도변화에 대한 해석과 실험 결과는 비교적 잘 일치하였으며 향후 액체로켓추진시스템에 적용되는 추진제 가압시스템 전반에 걸친 가압제 거동에 대한 연구를 수행할 계획이다.
이론/모형
- 본 연구의 해석을 위한 계산 프로그램으로는 EES V7.731의 상용 프로그램을 사용하였으며, 본 프로그램은 압력과 온도가 계속 변화는 계산을 수행할 경우 유체에 대한 각종 물성치를 함수화하여 적용할 수 있는 장점이 있다. Fig.
성능/효과
- 그러나 유량계로 측정된 가압제의 평균 토출 유량에는 큰 변동이 발생되지 않았다. 가압제 토출 종료시 가압제 온도는 약 56K까지 강하하였으며 해석 결과와 실험 결에 대한 오차는 압력과 온도에 대하여 각각 1.6%와 9.1%로 나타났다. 본조건에서의 초당 압력강하율과 온도강하율은 각각 0.
- 비교적 잘 일치하였다. 가압제 토출 종료시 가압제 온도는 약 59K까지 강하하였으며 해석 결과와 실험 결에 대한 오차는 압력과 온도에 대하여 각각 1.9%와 10.7%로 나타났다. 본조건에서의 초당 압력강하율과 온도강하율은 각각 0.
- 온도에 대한 결과 선도이다. 결과 선도에서 점선은 가압제 탱크 벽으로의 열전달이 없을 경우에 대한 것으로 실제 실험결과와 비교시 상당한 차이를 나타내었다. 이와 같은 결과로 볼때 가압시스템의 최적화 설계시에는 반드시 열전달을 고려되어야 할 것으로 사료된다.
- Test02 조건에서와 마찬가지로 가압제 탱크 벽으로의 열전달이 없을 경우에는 실제 실험결과와 상당한 차이를 나타내었다. 또한 열전달을 고려한 경우에는 해석과 실험 결과가 비교적 잘 일치하였으며 온도의 경우 Test02 조건에서와 마찬가지로 시점 온도는 비슷하며 토출 종료시 약 70K까지 강하였으나 본 조건에서는 가압제 토출량이 다소 증가하였기 때문에 압력과 온도 강하율은 증가하게 되며 종료 시점에서 온도는 약 66K까지 강하하였다. 해석 결과와 실험 결에 대한 오차는 압력과 온도에 대하여 각각 2.
- 이와 같은 결과로 볼때 가압시스템의 최적화 설계시에는 반드시 열전달을 고려되어야 할 것으로 사료된다. 열전달을 고려한 경우에는 해석과 실험 결과가 비교적잘 일치하였으며 온도의 경우 약 90K에서 가압제 토출이 시작하여 약 70K까지 강하였다. 해석결과와 실험 결에 대한 오차는 압력과 온도에 대하여 각각 2.
- 또한 열전달을 고려한 경우에는 해석과 실험 결과가 비교적 잘 일치하였으며 온도의 경우 Test02 조건에서와 마찬가지로 시점 온도는 비슷하며 토출 종료시 약 70K까지 강하였으나 본 조건에서는 가압제 토출량이 다소 증가하였기 때문에 압력과 온도 강하율은 증가하게 되며 종료 시점에서 온도는 약 66K까지 강하하였다. 해석 결과와 실험 결에 대한 오차는 압력과 온도에 대하여 각각 2.5%와 7.7%로 나타났으며 본 조건에서의 초당 압력강하율과 온도강하율은 각각 0.0746[MPa/s]과 0.0737[K/s] 이었다.
- 열전달을 고려한 경우에는 해석과 실험 결과가 비교적잘 일치하였으며 온도의 경우 약 90K에서 가압제 토출이 시작하여 약 70K까지 강하였다. 해석결과와 실험 결에 대한 오차는 압력과 온도에 대하여 각각 2.5%와 -1.61%로 나타났으며 본 조건에서의 초당 압력강하율과 온도강하율은 각각 0.0500[MPa/s]과 0.0485[K/s] 이었다.
후속연구
- 특히 추진제 가압시스템의 가장 중요한 설계변수인 가압제가 가압제 탱크로부터 토출 될 때의 온도강하율을 중심으로 실험적인 결과와 해석적인 결과가 비교 검토되었다. 본 연구의 해석 방법으로 상온 및 극저온 저장가압시스템에서 가압제 토출 시 온도변화에 대한 해석과 실험 결과는 비교적 잘 일치하였으며 향후 액체로켓추진시스템에 적용되는 추진제 가압시스템 전반에 걸친 가압제 거동에 대한 연구를 수행할 계획이다.
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