[논문]액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건

이광진; 임병직; 서성현; 한영민; 최환석

[국내논문] 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건
Sub-System Requirements of a Pressure-fed Hot-firing Test Facility for the Performance Assessment of a LRE Thrust Chamber 원문보기

한국추진공학회 2010년도 제35회 추계학술대회논문집, 2010 Nov. 25, 2010년, pp.63 - 71

이광진 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 임병직 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 서성현 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 한영민 (한국항공우주연구원 연소기팀) , 최환석 (한국항공우주연구원 연소기팀)

초록
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액체산소와 케로신을 사용하는 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건에 대해 기술하였다. 본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시험장 구축과 운용 경험을 바탕으로 도출된 것이다. 따라서 본 논문은 대형 연소시험설비의 설계 및 시공을 위한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Sub-system requirements of a pressure-fed hot-firing test facility for performance assessment of a Liquid Rocket Engine(LRE) thrust chamber using Liquid oxygen and kerosene were described. These requirements were based on the experience of construction and operation of the ground hot-firing test facility which was used for the development of the KSR-III and a 30 $ton_f$-class LRE thrust chamber. So it is expected that this paper is used as a basic material and an itemized previous review statement for the design and construction of a large hot-firing test facility.

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 미국의 경우를 비롯해 많은 나라에서 알 수 있듯이 구축된 대형 시험설비는 그 나라 우주개발의 원동력으로 작용하여 우주를 향한 지속적인 도전을 가능하게 해준다. 이에 본 논문에서는 엔진 구성요소 중 연소기의 성능 평가에 필요한 연소시험설비의 구성 요구조건을 제시하여 향후 구축하고자 하는 설비의 기초자료로 활용하고자 한다.
액체산소와 케로신을 사용하는 우주발사체용 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건에 대해 기술하였다. 가압식 연소시험설비는 추진제를 대상 연소기에 공급하기 위한 매질로 고압기체를 사용하기 때문에 설비 구축에 사용되는 많은 부품이 높은 안전성과 신뢰성을 요구한다.
현재 계획 중인 대형 연소시험설비는 고압가스를 이용한 추진제 가압방식으로그 규격은 표 2와 같다. 고압가스를 이용한 방법 외에 터보펌프를 이용한 추진제 공급 방식도 있으나 아직까지 국내 기술로 실용화된 터보펌프가 없기 때문에 대형 연소기 성능 평가용 시험설비를 가압식 방법으로 구축하고자 한다.

제안 방법

본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시험장 구축과 운용 경험을 바탕으로 도출된 것이다. 따라서 본 논문에서 기술된 사항들은 향후 구축하고자 하는 한국형발사체급의 대형 액체로켓엔진 연소기용 연소시험설비의 설계 및 시공 과정에서 발생할 수 있는 문제들에 대한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.
산화제 런탱크의 수량은 탱크의 크기, 충전 완료 후 가압을 위한 cushion volume 그리고 연소시험 후 산화제 잔류량 선정에 따라 달라질 수 있으므로 이들에 대한 결정이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 산화제 런탱크 크기를 3 ㎥ 용기로 선정하였고 cushion volume은 런탱크 체적의 5%, 잔류량은 런탱크 체적의 20%로 계산하여 런탱크 수량을 결정하였다. 산화제 런탱크에 저장된 추진제를 연소기에 공급하기 위해서는 그림 3과 같은 구조의 고압질소 공급시스템을 이용할 수 있다.
특히 cushion volume 내 온도는 산화제 런탱크의 diffuser 설계에 따라 큰 차이를 보이게 된다. 본 논문에서는 이 온도를 150 K로 선정하였으며 런탱크의 운용 압력은 13.5 MPa로 선정하여 연소시험 중 필요한 고압질소의 최대 유량을 계산하였다. 그리고 이 유량 값을 기준으로 필요한 dome regulator의 Cv 값을 결정하였다.
그리고 이 유량 값을 기준으로 필요한 dome regulator의 Cv 값을 결정하였다. 산화제 설비를 운용하는데 필요한 고압질소 용기의 수량은 용기의 크기와 고압질소 용기의 가용압력 범위에 따라 차이가 발생하는데 본 논문에서는 1 ㎥ 용기를 선정하여 40 MPa로 충전한 후 22 MPa일 때까지를 유용한 고압질소 압력으로 간주하였다. 단, 연소기 퍼지및 자동밸브 구동용 고압질소 용기는 런탱크 가압용 고압질소 용기와 구분하여 10 MPa까지 사용하는 것으로 하였다.
연료 런탱크의 수량은 탱크의 크기, 충전 완료 후 가압을 위한 cushion volume 그리고 연소시험 후 연료 잔류량 선정에 따라 달라질 수 있으므로 이들에 대한 결정이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 연료 런탱크 크기를 1.3 ㎥ 용기로 선정하였고 cushion volume은 런 탱크 체적의 5%, 잔류량은 런탱크 체적의 20%로 계산하여 런탱크 수량을 결정하였다. 연료 런 탱크에 저장된 추진제를 연소기에 공급하는 방법은 산화제 공급 방식과 같은 그림 3의 구조를 사용한다.
HMI(human machine interface) 구현으로 제어 설비는 사용자가 시험장 상태를 쉽게 확인할 수 있도록 구성해야 하며 앞서 언급한 자동시퀀스 및 비상정지 시퀀스 변경이 HMI 프로그램에서 가능하도록 해야 한다. 또한 시험동과 종합제어계측동 간의 거리를 2 km 정도 고려하여 HMI용 PC와 PLC간의 통신에 장애가 없도록 이중화된 광통신을 사용한다.
테스트 스탠드는 시험용 연소기가 설치되는 곳으로 고추력 발생을 고려한 구조물 설치, 연소기 노즐 후단의 화염 발생에 대한 장비류의 방열 그리고 폭발 및 추진제 누설에 의한 화재 진압 등을 고려한 안전설계가 필수적이다. 본 시험 설비에는 그림 1과 같이 10톤급 연소기 시험과 75톤급 가스발생기 시험이 가능한 저추력 수평형 테스트 스탠드와 150톤급 연소기 시험에도 안전한 고추력 수직형 테스트 스탠드로 구성된다. 추력 측정은 축 방향 측정을 기본으로 하며 연소기 설치에 따른 추진제 배관의 구속 상태를 점검할 수 있도록 교정 장치의 탈부착을 고려한 설계가 되어야 한다.

대상 데이터

그림 5는 연료 저장탱크에서 런탱크로 공급되는 방식을 간략히 도시화한 것으로 펌프를 이용하여 충전을 하도록 하였다. 연료 저장탱크의 용량을 계산하기 위해서는 시험에 필요한 연료 런탱크 및 배관 충전 용량 등을 고려하여 선정한다. 연료 런탱크의 수량은 탱크의 크기, 충전 완료 후 가압을 위한 cushion volume 그리고 연소시험 후 연료 잔류량 선정에 따라 달라질 수 있으므로 이들에 대한 결정이 선행되어야 한다.
액체질소 저장탱크의 용량은 산화제 설비 및 연료 설비를 운용하는데 필요한 기체질소의 양과 연료를 냉각하는데 필요한 액체질소의 양 그리고 cushion volume 10%와 펌프 구동을 위해 필요한 잔류량 5%를 고려하여 선정한다.
계측 설비는 시험장 운용에 필요한 열역학적 물성치를 측정하기 위한 설비로 연소기 작동시간 이상으로 기록할 수 있어야 한다. 시험장 및 연소기의 성능 평가에 필요한 온도, 압력, 유량, 밀도, 추력, 수위 등 350개의 채널은 동시에 1 kHz sampling까지 기록이 가능한 저주파 기록 장치를 사용한다. 가속도, 동압 등 100개의 채널은 동시에 100 kHz sampling까지 기록이 가능한 고주파 기록 장치를 사용한다.

후속연구

이 과정에서 기술검증을 위해 표 1의 규격으로 총 3기의 시제가 제작되었고[7] 설계특성 및 점화특성을 파악하기 위한 시험들이 대형 연소시험설비의 부재로 저압조건에서 수행되었다[8∼10]. 이에 기 제작된 기술검증용시제의 특성을 파악하고 한국형발사체의 개발 계획을 순조롭게 진행하기 위해서는 무엇보다 정격조건에서의 성능 평가가 가능한 시험설비의 구축이 시급하며 이를 활용한 연소기의 특성을 파악하여 현실 가능한 자료를 확보하는 것이 필요하다고 하겠다. 현재 계획 중인 대형 연소시험설비는 고압가스를 이용한 추진제 가압방식으로그 규격은 표 2와 같다.
소화 설비의 매질은 이산화탄소, 소화약제 (foam), 물, 가스질소 등 용도에 맞게 설치하여야 한다. 미연가스, 가압질소 및 산소의 누설로 인한 독립된 공간의 산소 농도 변화를 제어계측 실과 현장에서 실시간 확인할 수 있어야 하며 연소시험 전후 시험장 주변의 상황을 감시하기 위한 영상 설비와 시험결과 분석을 위한 고화질 고속도 영상설비가 구축되어야 한다. 또한 시험장 상황 전파, 제어계측실과 현장간의 연락, 외부 인원들에게 출입 통제구역 전파하고 위험상황을 전달할 수 있는 통신 설비도 필수적으로 구축되어야 한다.
본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시험장 구축과 운용 경험을 바탕으로 도출된 것이다. 따라서 본 논문에서 기술된 사항들은 향후 구축하고자 하는 한국형발사체급의 대형 액체로켓엔진 연소기용 연소시험설비의 설계 및 시공 과정에서 발생할 수 있는 문제들에 대한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 사용될 수 있을 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체로켓엔진은 무엇에 따라 구성요소들의 규격이 달라지는가?	우주발사체 추진기관의 핵심요소인 액체로켓엔진은 구동 사이클에 따라 구성요소들의 규격이 달라진다. 엔진 구동 사이클은 추진제를 연소실로 공급하는 형태를 일컫는 말로 추진제의 종류 및 그 나라의 기술 수준에 따라 여러 가지 형태 중에서 하나를 선택하게 된다.
	우주발사체 후발 주자인 우리나라와 선진국의 기술적 차이는 얼마나 있는가?	엔진 구동 사이클은 추진제를 연소실로 공급하는 형태를 일컫는 말로 추진제의 종류 및 그 나라의 기술 수준에 따라 여러 가지 형태 중에서 하나를 선택하게 된다. 우주발사체 후발 주자로서 우리나라는 현재까지 개발된 엔진 구동 사이클 중에서 연료 과잉 가스발생기를 사용하는 개방식 터보펌프 사이클 방식의 엔진을 개발 중에 있다[1]. 우주발사체 선진국의 경우 이 사이클 방식은 이미 습득한 기술로 현재 이 보다 효율이 높은 산화제 과잉 예연소기를 이용한 폐쇄형 터보펌프 사이클이나 가스발생기 또는 예연소기가 필요 없는 팽창형 사이클을 개발하여 적용하고 있다[2]. 현실적으로 국가 간 우주발사체용 추진기관의 기술 이전이 어려운 상황에서 이러한 기술적 차이를 극복하기 위해서는 과감한 투자가 이루어져야 하겠다.
	엔진 구동 사이클이란 무엇인가?	우주발사체 추진기관의 핵심요소인 액체로켓엔진은 구동 사이클에 따라 구성요소들의 규격이 달라진다. 엔진 구동 사이클은 추진제를 연소실로 공급하는 형태를 일컫는 말로 추진제의 종류 및 그 나라의 기술 수준에 따라 여러 가지 형태 중에서 하나를 선택하게 된다. 우주발사체 후발 주자로서 우리나라는 현재까지 개발된 엔진 구동 사이클 중에서 연료 과잉 가스발생기를 사용하는 개방식 터보펌프 사이클 방식의 엔진을 개발 중에 있다[1].

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
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