[논문]액체로켓엔진 극저온 산화제 배관 제작공정 개발

김진형; 조황래; 방정석; 이병호; 유재한; 문일윤; 이수용

액체로켓엔진 극저온 산화제 배관 제작공정 개발
Development of Cryogenic Oxygen Line Manufacturing Process for Liquid Rocket Engine 원문보기

김진형 ((주) 비츠로테크 특수사업부 우주항공팀) , 조황래 ((주) 비츠로테크 특수사업부 우주항공팀) , 방정석 ((주) 비츠로테크 특수사업부 우주항공팀) , 이병호 ((주) 비츠로테크) , 유재한 (한국항공우주연구원 미래로켓추진팀) , 문일윤 (한국항공우주연구원 미래로켓추진팀) , 이수용 (한국항공우주연구원 미래로켓추진팀)

액체로켓엔진용 극저온 산화제 고압 배관 기술 개발을 위해 시제품을 제작하였다. 기술 개발 시제품은 체결용 플랜지, 직관, 곡관, 벨로우즈, 분기구로 구성하였다. 액체로켓엔진용 극저온 산화제 고압 배관은 터보펌프에서 토출된 고압의 극저온 산화제를 연소기로 공급하는 경로이므로 극저온, 고압의 작동환경에서 구조적 안정성을 가져야 한다. 따라서 본 제작공정 개발에서는 극저온을 고려한 구조해석을 수행하여 적합한 소재를 선정하였으며, 공정개발과 특수공정을 적용하여 시제품을 제작한 후 구조강도 시험을 수행하였다. 본 개발을 통해 액체로켓엔진에 적용되는 극저온 산화재 고압배관을 위한 기술적 기반과 소재 응용기술, 향후 고성능 대형 액체로켓엔진에 적용하기 위한 공정개발을 완료하였다.

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문제 정의

작동환경, 구조적 특성, 공정 개발 및 확립을 통해 설계를 구현하고 기술적 요구사항을 정립하였다. 개발된 제품에 대해 구조시험을 수행하여 안전기준을 만족하는지 확인하였다.
그리고 복잡한 연결구조를 가지는 엔진에서 조립의 용이성도 함께 고려되어야 한다. 본 개발에서는 기술개발모델을 바탕으로 구조해석을 수행하고, 이를 만족하는 소재의 선정, 제작 공정 개발, 구조강도 시험을 수행하여 극저온 산화제 배관의 제작 공정 개발과 개발품의 성능을 입증하였다.

제안 방법

Figure 9에서는 정립된 공정에 따라 제작된 제품의 실제 공정을 보여준다. 부품별로 개발된 공정에 따라 제작된 모든 부품은 형상규격을 만족시켰으며 전후 Test를 통해 검증되었다.
산화제 배관을 구성하는 부품별 공정을 Fig. 8과 같이 개발 하였으며, 특히 직관과 곡관은 Inconel718의 높은 강도로 인한 성형가공의 어려움으로 인해 성형가공과 용접을 수행한 후 열처리를 수행하였다. 이를 위해 Annealed된 Inconel718 Plate를 사용하여 성형을 수행하고, 용접하여 형상을 제작한 뒤, 후열처리를 하여 Inconel718의 고강도 특성을 만족하였다.
상기의 해석 결과를 토대로한 상세설계와 시편분석을 통해서 확인된 공정조건을 기준으로 극저온 산화제 배관 시제품을 제작하였다. 전체 시스템을 구성하는 Process는 Fig.
시험매질은 상온의 수압으로 수행하며, 시험 압력은 Proof 조건인 150 bar이다. 시험 시 변형량 측정을 위해 Strain Gauge를 부착하여 변위량을 확인하기로 하였으며, 시험 결과를 통해 개발품을 검증하고자 한다.
용접은 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding)을 적용하였으며, 직관과 엘보는 성형가공 하여야 하므로 성형 및 용접 후에 열처리를 수행하였다. 용접 후 열처리는 H₂ 분위기에서 Solution Treatment 1060℃·1hr, Aging 720℃·8hr + 620℃·8hr 처리 후 상온까지 Air Cooling 하였다.
8과 같이 개발 하였으며, 특히 직관과 곡관은 Inconel718의 높은 강도로 인한 성형가공의 어려움으로 인해 성형가공과 용접을 수행한 후 열처리를 수행하였다. 이를 위해 Annealed된 Inconel718 Plate를 사용하여 성형을 수행하고, 용접하여 형상을 제작한 뒤, 후열처리를 하여 Inconel718의 고강도 특성을 만족하였다.
터보펌프방식의 로켓엔진 공급계 중 극저온 산화제 고압 배관 기술 개발 모델을 설계·개발하였다. 작동환경, 구조적 특성, 공정 개발 및 확립을 통해 설계를 구현하고 기술적 요구사항을 정립하였다. 개발된 제품에 대해 구조시험을 수행하여 안전기준을 만족하는지 확인하였다.
접합강도의 분석을 위해 용접 시편을 제작하여 시험을 수행하였다. 극저온 환경에서 Inconel718합금의 용접부는 -50℃, -100℃에서도 양호한 접합강도를 나타내었다.
터보펌프방식의 로켓엔진 공급계 중 극저온 산화제 고압 배관 기술 개발 모델을 설계·개발하였다.

대상 데이터

구조해석을 수행한 결과 열처리를 수행한 두께 2mm의 Inconel718을 적용하기로 하였다. Inconel718은 내식성, 용접성, 피로 및 크리프 특성이 우수한 소재로 잘 알려져 있다.
1과 같다. 기술개발 모델은 산화제 터보펌프 출구와 연결되는 Flange, Pipe, Elbow, Orifice Flange, Bellows, Tapping Chamber, Spherical Flange로 구성되어 있다. 산화제 배관의 각 시스템의 영향성을 고려하여 구조해석에서는 산화제 밸브를 포함하여 구조적인 안정성을 확인하였다.
산화제 배관의 재질은 Ni-Base SuperAlloy인 Inonel718을 적용하였다. 본 해석에서는 Inconel 718의 표준 물성을 기준으로 해석을 수행하였다.
산화제 배관의 재질은 Ni-Base SuperAlloy인 Inonel718을 적용하였다. 본 해석에서는 Inconel 718의 표준 물성을 기준으로 해석을 수행하였다.

성능/효과

따라서, 용접시편의 상온시험 결과와 저온시험 결과를 바탕으로 산화제 배관의 용접은 용접봉을 사용하지 않고, 제살용접만으로도 충분히 고강도의 특성을 보유할 수 있다.[3]
기술개발 모델은 산화제 터보펌프 출구와 연결되는 Flange, Pipe, Elbow, Orifice Flange, Bellows, Tapping Chamber, Spherical Flange로 구성되어 있다. 산화제 배관의 각 시스템의 영향성을 고려하여 구조해석에서는 산화제 밸브를 포함하여 구조적인 안정성을 확인하였다.
해석결과 Bellows 하우징 부분이 가장 취약함을 알 수 있었으며, 하우징의 두께 및 구조를 변경하여 반복해석을 수행하여 최적의 설계조건을 완성하였다.(Fig.

후속연구

본 개발을 완료함으로써 설계·해석·소재·공정에 대한 프로세스를 확립하였으며 향후 고성능 대형 로켓엔진 개발에 적용하기 위한 기술적 기반으로 활용할 수 있을 것이다.

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