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추진기관 시스템 시험설비의 화염유도로 설계
Flame deflector design of test facility to propulsion system model 원문보기

한국추진공학회 2012년도 제38회 춘계학술대회논문집, 2012 May 17, 2012년, pp.597 - 602  

전성복 (현대로템(주) 기술연구소) ,  이재호 (현대로템(주) 기술연구소) ,  이광진 (한국항공우주연구원 추진시험팀) ,  조남경 (한국항공우주연구원 추진시험팀)

초록
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화염유도로는 추진기관 시스템 시험설비 요소 중 추진기관시스템, 시험설비, 인적자원의 보호측면에서 매우 중요한 설계대상 중에 하나이다. 본 연구에서는 75톤과 300톤의 추진기관 시스템의 성능을 평가할 시험설비의 화염유도로 설계 방안에 대해 제안하였다. 설비가 구축될 장소의 경사로를 이용하여 화염유도로의 높이를 30m정도로 설계하였다. 개방형과 밀폐형 형상에 따라서 화염유도로의 적합성을 고려하였다. 또한 냉각을 위한 덕트를 core와 side분사 형태에 따라 모델링하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Flame deflector is an important plan item for protecting propulsion system model, test facility, and life. This study suggests the way of flame deflector design in test facility evaluating performance of 75 ton and 300ton PSM. The flame deflector height was designed as 30m using a slope way in estab...

AI 본문요약
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문제 정의

  • 특히 화염유도로의 설계는 화염과 충격파로부터 추진시스템과 시험설비, 인명을 보호하고, 소음과 음향하중 등 환경적 영향을 생각할 때 매우 중요하다 하겠다. 따라서 화염유도로를 최적화하여 설계하고, 냉각시스템을 효율적으로 구축하여 대용량 고온의 화염을 효과적으로 처리함으로써 추진기관 시스템의 안정적인 성능시험에 대응할 수 있도록 한다.
  • 본 연구에서는 75톤과 300톤급의 추진기관시스템에 적용하기 위하여 75톤급과 300톤급의 냉각수 공급 덕트를 모델링하였으며 연소화염은 냉각수와 직접 접촉하여 처리된다.
  • 따라서 시스템에 맞는 화염유도로 설계가 모든 시험 설비에 필수적인데 시험장이 구축되는 위치와 환경에 따라서 다양하게 설계가 가능하다. 본 연구에서는 해외사례 조사를 통하여 해당 시험장이 설치될 장소에 적합한 화염유도로를 조사하였고, 화염유도로 설계기준에 따라서 모델링했다. 그 모델링 형상에 대해 냉각수 공급이 없는 경우 해석을 통하여 유도로의 impingement point의 온도와 압력을 확인하였고, 유도로의 형상별 장단점을 비교해 보았다.
  • 본 연구에서는 현재 한국에서 진행 중인 KSLV-I사업에 이후에 제작될 75톤과 300톤 규모의 추진기관 시스템 시험설비용 화염유도로 설계에 대해서 구조물의 모델링과 해석을 수행하였다.
  • 본 연구의 목표인 시험설비용 화염유도로를 설계하기 전에 우주발사체 개발을 하고 있는 해외 선진국의 사례를 조사하였다. 추력이 낮은 시험설비용 화염유도로부터 스페이스 셔틀 급의 화염유도로까지 광범위한 사례를 통해서 시스템에 맞는 화염유도로를 결정, 설계를 예상하였다.
  • 추진제: 고체, 추력: 660 ton이다. 화염유도로가 자연지형을 이용하여 상당히 높을 것으로 예상되는데 본 연구에서 설계할 유도로와 유사성을 검토했다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
추진기관 시스템 시험설비란 무엇인가? 추진기관 시스템 시험설비는 각 단의 추진기관시스템을 최종조립 상태에서 실제 발사조건을 기준으로 성능을 평가하고 검증하는 설비이다.
화염유도로의 설계가 중요한 까닭은 무엇인가? 따라서 발사 시스템이 대형화되면서 시스템 성능을 검증할 시험설비를 구축하는 면에서도 대형화가 필수적이다. 특히 화염유도로의 설계는 화염과 충격파로부터 추진시스템과 시험설비, 인명을 보호하고, 소음과 음향하중 등 환경적 영향을 생각할 때 매우 중요하다 하겠다. 따라서 화염유도로를 최적화하여 설계하고, 냉각시 스템을 효율적으로 구축하여 대용량 고온의 화염을 효과적으로 처리함으로써 추진기관 시스템의 안정적인 성능시험에 대응할 수 있도록 한다.
추진기관 시스템의 시험설비용 화염유도로는 어떤 조건을 갖춰야하는가? 첫 번째로 추진기관 시스템에서 로켓엔진이 점화 및 연소되면서 방출되는 초음속의 화염은 3000K 정도의 고온 복사열이다. 따라서 이 고온 환경에서 견딜 만큼 재질이 견고해야 하며 화염을 안전한 방향으로 전향, 배출할 수 있도록 설계해야 한다[1]. 두 번째로 로켓엔진이 점화될 때 화염유도로 내에는 초음속 화염과 함께 충격파가 동반된다. 이때 최대 충격파에 의해 발사체 구조에 영향을 미칠 수 있는 저주파 진동이 발생하기도 하는데 이 충격파가 발생되는 메커니즘과 발사체로 전파되는 경로에 대한 고려는 화염유도로를 설계하는데 중요 요소이다[2]. 마지막으로 앞서 언급한 대로 로켓엔진이 점화, 연소되면서 방출되는 고온 화염과 충격파에 의한 소음과 중압이 발생된다. 이는 혼합가스가열, 질량, 에너지를 받아서 밀도가 감소, 부피가 팽창하면서 발생되는 현상인데 이 두 가지를 동시에 감소시키는 방법은 냉각수인 물을 분사하는 것이다. 하지만 물과 위의 현상에 대한 상관 관계의 물리적인 이해는 확실하게 정의된 바가 없기 때문에 화염유도로에 따른 물의 분사방식, 분사위치와 압력, 물의 양 등에 따라 많은 요소를 고려하여 정의되어야 한다[3].
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