[논문]한국형발사체 발사대시스템 산화제공급계 충전 운용 설계의 검증을 위한 나로호 비행시험 실증 자료 분석

서만수; 이재준; 홍일구; 강선일

문제 정의

본 논문에서는 기존 시험발사체 발사대시스템 산화제공급계 상세설계 유동해석 모델링의 구성 및 비교 분석을 위한 수정을 통해 나로호 산화 제공급계 모델링을 생성하였다. 또한 나로호 1차 비행 시험의 산화제 충전 모드 운영 체계를 해석에 적용하였으며, 해석 결과와 실증 시험 자료를 유량값과 주요 압력값을 기준으로 비교 분석하였다.

가설 설정

ΔP는 압력강하값, K는 압력강하계수, A는 배관단면적, ρ는 유체 밀도, 그리고 Q는 부피유량이다. 본 모델링에서는 필터, 유량계, 그리고 열교환기의 압력강하값은 단순한 가정을 통해 일반적인 압력 손실 요소 (Pressure loss component)로 가정하여 모델링에 적용하였으며, 이에 대한 손실계수는 펌프 최대 유량에서 0.5 bar의 압력강하값을 가질 때의 값으로 설정하였다. 나로호 발사체 내부 압력강하값은 발사체보안보호협정으로 인해 나로호의 경우 설계도면이 제공되지는 않았으나, 손실계수는 시험 유량값 최대 유량값에서의 압력강하값을 5.
유연 배관은 해당 길이의 조도의 4배로 가정하였고, 굽힙반경 / 배관직경 비율을 1.5로 일괄 적용하였다.

제안 방법

모든 충전 밸브에 유량계가 설치되지 않았지만, 공급 총 유량값과 충전밸브의 유량값의 차이를 통해 설치되지 않은 밸브의 유량값의 추정이 가능하다 각 충전 모드의 주요 압력 값은 PI32, PI50, 그리고 PI60 압력계의 측정값을 사용하였다. PI32는 공급펌프 후단 압력 (Pump outlet), PI50은 충전 밸브 부분의 입구부 압력 (End valve block inlet), 그리고 PI60은 발사체-발사대 지상연결장치 전의 산화제공급계의 최종 압력 (End valve block outlet)을 측정한다.
Table 1은 산화제공급계의 모델링을 위한 유체 특성 및 물성치 정의, 배관 및 벤딩 요소 설정, 유량계, 필터, 열교환기와 같은 압력강하 요소 설정, 펌프 성능 인자의 값을 보여준다. 공통적으로 파이프의 두께 규격이 10S로 선정되었으며, 배관 조도 (roughness)는 0.1mm 로 상대적으로 큰 조도 특성을 적용하였다. 유연 배관은 해당 길이의 조도의 4배로 가정하였고, 굽힙반경 / 배관직경 비율을 1.
5 bar의 압력강하값을 가질 때의 값으로 설정하였다. 나로호 발사체 내부 압력강하값은 발사체보안보호협정으로 인해 나로호의 경우 설계도면이 제공되지는 않았으나, 손실계수는 시험 유량값 최대 유량값에서의 압력강하값을 5.5 bar를 적용 하여 산정하였다.
따라서 본 논문에서는 시험발사체 발사대시스템의 상세설계 모델링을 대부분 활용하였으며, 해당 모델링에 나로호 지상설비와의 차이점을 수정 및 반영하여 비교 검증을 위한 모델링을 생성하였다.
한국형발사체 및 시험 발사체 발사대시스템 설계를 위해서 1-D 열유동 해석 프로그램인 Flowmaster 소프트웨어를 이용하여, 산화제 공급계의 공급 상황을 해석하여 유량조절밸브 개도 조절 및 운용 시간 예측값 설계에 사용하였다. 따라서 해당 모델링의 타당성 검증이 필요하며, 이를 위해 2009년 수행된 나로호 1차 비행시험 시 사용된 발사대 산화제공급계의 각 충전 운용 모드에 대한 유량조절밸브 개도 및 구동 절차 조건을 시험발사체 유동해석 모델링에 반영하였다. 발사연기 상황을 포함하는 비행시험 자료는 다수 있지만, 산화제공급계 운용 조건은 거의 유사하므로 하나의 실증 조건으로 검증을 수행하였다.
본 논문에서는 기존 시험발사체 발사대시스템 산화제공급계 상세설계 유동해석 모델링의 구성 및 비교 분석을 위한 수정을 통해 나로호 산화 제공급계 모델링을 생성하였다. 또한 나로호 1차 비행 시험의 산화제 충전 모드 운영 체계를 해석에 적용하였으며, 해석 결과와 실증 시험 자료를 유량값과 주요 압력값을 기준으로 비교 분석하였다.
따라서 해당 모델링의 타당성 검증이 필요하며, 이를 위해 2009년 수행된 나로호 1차 비행시험 시 사용된 발사대 산화제공급계의 각 충전 운용 모드에 대한 유량조절밸브 개도 및 구동 절차 조건을 시험발사체 유동해석 모델링에 반영하였다. 발사연기 상황을 포함하는 비행시험 자료는 다수 있지만, 산화제공급계 운용 조건은 거의 유사하므로 하나의 실증 조건으로 검증을 수행하였다.
본 논문에서는 Table 2에서 음영 처리된 4가지 충전 모드에 대해서 비교를 수행한다. 최종 유량값 기준으로 초기 냉각 과정에서는 비등 상황으로 인한 이상 유동 현상으로 인해 유량값 섭동 (fluctuation)이 크기 때문에 의미있는 비교를 할 수 없기 때문이다.
산화제공급펌프의 성능은 펌프 제조사에서 제공한 최적 성능 구간의 펌프 수두 81 m, 펌프 동작 속도 3500 rpm, 그리고 펌프 유량은 2333.3 LPM을 유동 해석에 적용하였다. 펌프 성능 곡선의 정확한 값을 반영하기 위하여 나로호 발사 시점에 수행된 독립성능시험을 통해 획득한 펌프성능곡선을 적용하였으며 이는 Fig.
3 LPM을 유동 해석에 적용하였다. 펌프 성능 곡선의 정확한 값을 반영하기 위하여 나로호 발사 시점에 수행된 독립성능시험을 통해 획득한 펌프성능곡선을 적용하였으며 이는 Fig. 2에 제조사에서 제공된 펌프 성능 곡선과 비교하여 보여진다[3]. 해당 펌프 성능 곡선은 산화제 공급 펌프의 이중화를 위한 두 개의 펌프에서 모두 확인된 성능 곡선이다.
한국형발사체 및 시험 발사체 발사대시스템 설계를 위해서 1-D 열유동 해석 프로그램인 Flowmaster 소프트웨어를 이용하여, 산화제 공급계의 공급 상황을 해석하여 유량조절밸브 개도 조절 및 운용 시간 예측값 설계에 사용하였다.

대상 데이터

나로호 실증 시험 자료는 1차 비행시험 (Flight test, FT) 중 발사 연기로 시험 종료가 되었던, FT 1.1 (2009년 8월 20일 시험)의 시험 결과를 사용하였다. Table 2는 해당 비행 시험의 산화제 공급계 주요 운용 사항을 보여준다.
FI63은 발사체-발사대 지상연결장치 전에 설치된 코리올리 유량계로 공급 총 유량값, FI30은 공급 펌프 후단 저장 탱크로 연결된 바이패스 배관의 밸브 PV33의 오리피스 유량계로 바이패스 유량값, FI61, FI62, FI80, FI81은 각각 KF61, KF63, KF87, KF88 충전 밸브 후단의 오리피스 유량계로 각 충전 밸브의 유량값을 의미한다. 모든 충전 밸브에 유량계가 설치되지 않았지만, 공급 총 유량값과 충전밸브의 유량값의 차이를 통해 설치되지 않은 밸브의 유량값의 추정이 가능하다 각 충전 모드의 주요 압력 값은 PI32, PI50, 그리고 PI60 압력계의 측정값을 사용하였다. PI32는 공급펌프 후단 압력 (Pump outlet), PI50은 충전 밸브 부분의 입구부 압력 (End valve block inlet), 그리고 PI60은 발사체-발사대 지상연결장치 전의 산화제공급계의 최종 압력 (End valve block outlet)을 측정한다.

성능/효과

(1) 소유량 냉각 및 대유량 냉각 과정은 유량값 최대 5.5% (최대 유량값 기준), 압력값 최대5.1%의 오차를 보여, 오리피스 및 코리올리 유량계의 측정 오차 (각각 ±0.1%, ±0.7%)를 감안할 때, 낮은 유량의 단상 유동 상황에서는 5% 이내의 정확도로 유량 및 압력값 계산을 수행하였다.
(2) 대유량 보충 충전의 경우, 유량값 최대 3.3%의 오차로 유량값 계산을 수행하였다.
(3) 대유량 보충 충전의 압력값에서 PI60, 지상연결장치 전단 압력값이 시험값 0.29 MPag와 계산값 0.07 MPag의 값은 오차가 75.8%이다. 이는 발사체 산화제 탱크 내의 산화제 수두압 변동 계산이 적용되지 않았기 때문이다.
(4) 대유량 충전 구간의 총 유량값, FI63의 계산값과 시험값은 약 24.7 ~ 30.9%의 오차를 보인다. 지상연결장치 전단 압력값, PI60의 시험 압력값 대비 해석값이 약 1.
(6) 단상 유동이 지배적인 선냉각 후 극저온 산화제 충전 상황에서는 단상 유동 해석 소프트웨어를 이용한 모델링이 소유량 조건에서는 높은 정확성의 유동 해석 결과를 보임을 확인하였다. 또한 향후 나로호 발사체-발사대 지상연결장치의 손실 계수를 모델링에 적용하여 대유량 조건에서의 해당 모델링의 신뢰성을 높일 수 있음을 확인하였다.
각 충전 모드 별로 비교 결과를 살펴보면, 먼저 소유량 냉각 및 대유량 냉각 과정은 유량값 최대 5.5% (최대 유량값 기준), 압력값 최대 5.1%의 오차를 보여, 오리피스 및 코리올리 유량계의 측정 오차 (각각 ±0.1%, ±0.7%)를 감안할 때, 낮은 유량의 단상 유동 상황에서는 약 5% 수준의 정확도로 유량 및 압력 계산을 수행하고 있음을 확인할 수 있다.
3%의 오차를 볼 때 타당한 분석이라 볼 수 있다. 대신 대유량 보충 충전의 압력값에서 PI60, 산화제공급계 최종단 압력값이 시험값 0.29 MPag와 계산값 0.07 MPag의 값은 오차가 75.8%로 매우 크게 발생하였다. 이는 실증 자료 에서는 산화제 충전이 완료되고 난 후의 발사체 산화제 탱크 내의 산화제 수두압이 적용된 상황이 해석 모델에서 적용되지 않았기 때문이다.
(6) 단상 유동이 지배적인 선냉각 후 극저온 산화제 충전 상황에서는 단상 유동 해석 소프트웨어를 이용한 모델링이 소유량 조건에서는 높은 정확성의 유동 해석 결과를 보임을 확인하였다. 또한 향후 나로호 발사체-발사대 지상연결장치의 손실 계수를 모델링에 적용하여 대유량 조건에서의 해당 모델링의 신뢰성을 높일 수 있음을 확인하였다.
최종 압력인 PI60의 결과 비교도 이러한 결과를 뒷받침한다. 시험 압력값 대비 해석값이 약 1.4 ~ 1.6배 큰 압력을 보이며, 이로 인해 해당 후단부 압력 상승분에 대한 유량 감소의 결과를 보인다. 나로호와 시험발사체 발사대는 1단 충전식으로 대부분의 지상 설비가 유사하지만, PI60 압력계 후단의 배관 연결 형태에서 가장 큰 차이점이 있다.

후속연구

모델링 설계 내용과 번외로 언급이 필요한 부분으로써, 시험발사체 산화제 충전 운용 중 펌프 작동 유량 구간은 1000~1500 LPM이며, 향후 적용될 한국형발사체 산화제 충전 운용 중의 유량 구간 또한 2500 LPM 이하이므로 사용 구간에서 유량 성능이 실측에서 나르게 나오는 부분을 운용자는 숙지해야 한다. 또한, 현재 발사대 내부 모든 설비 및 장비는 장기보관 상태이므로 2018년 4월로 예정된 시험발사체 발사대 독립성능시험에서 펌프 성능 곡선을 새로이 획득하는 시험항목을 수행할 예정이다.

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