[논문]액체로켓엔진 고공환경 모사시험 연구

김승한; 문윤완; 설우석

액체로켓엔진 고공환경 모사시험 연구
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김승한 (한국항공우주연구원 발사체엔진팀) , 문윤완 (한국항공우주연구원 발사체엔진팀) , 설우석 (한국항공우주연구원 발사체엔진팀)

한국항공우주연구원은 한국형발사체 2단용 액체로켓엔진의 개발 및 인증을 위한 엔진고공환경모사 연소시험설비의 예비설계를 수행하였다. 고흥 우주센터에 구축될 예정인 엔진 고공연소시험설비는 액체산소와 케로신을 공급하여 한국형발사체 2단 엔진의 고공환경모사 시험을 지상에서 수행할 수 있도록 구성된다. 고공환경 모사는 액체로켓엔진의 후류제트로 작동되는 초음속 디퓨저로 구현된다.

Korea Aerospace Research Institute (KARI) performed the preliminary design of liquid rocket engine high-altitude simulation firing test facility for the development and qualification of LRE for the 2nd stage of KSLV-II. The engine high-altitude simulation firing test facility, which are to be constructed at Goheung Space Center, will provide liquid oxygen and kerosene to enable the high-altitude simulation firing test of 2nd stage engine at ground test facility. The high-altitude environment is obtained using a supersonic diffuser operated by the self-ejecting jet from the liquid rocket engine.

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문제 정의

액체로켓엔진의 고공환경 모사 연소시험설비의 개념/기본설계를 진행하였으며 이를 위해 일반적인 우주발사체 상단용 액체로켓엔진 고공환경 모사 연소시험설비의 구성 개념 및 해외사례를 검토하였다[5]. 본 논문은 한국항공우주연구원에서 진행 중인 액체로켓엔진 고공 모사 연소시험설비 설계를 위한 사례 검토 및 시험요구조건, 설비 개념을 정리하였다.
- 엔진 시동

시동천이구간의 모사는 엔진 연소기 노즐과 터빈 노즐 후방의 압력 구배 모사, side load 검증을 목적으로 한다. 엔진 시동 과정에서 연소기 후류 제트에 의해 초음속 디퓨저의 기동이 시작되는데 초음속 디퓨저의 기동은 액체로켓엔진의 연소기의 압력구배에 의존하며, 이젝터 특성에 의해 야기된 초음속디퓨저의 배압에도 영향을 받는다.

제안 방법

시험설비의 고공모사 조건을 분석하기 위해 표 2에 상단 엔진의 비행 고도와 고공모사설비의 고공 모사 조건을 사례를 비교하였다[5]. 비교 결과 실제 상단 엔진의 고공 점화 및 비행조건과 고공모사시험 설비의 시험조건과는 상당한 차이가 있다.
한국항공우주연구원에서는 한국형발사체 개발 사업의 75톤급 2단 엔진의 개발시험 수행을 위해 액체로켓엔진 고공환경 모사 연소시험설비 구축을 계획하고 있다. 액체로켓엔진의 고공환경 모사 연소시험설비의 개념/기본설계를 진행하였으며 이를 위해 일반적인 우주발사체 상단용 액체로켓엔진 고공환경 모사 연소시험설비의 구성 개념 및 해외사례를 검토하였다[5]. 본 논문은 한국항공우주연구원에서 진행 중인 액체로켓엔진 고공 모사 연소시험설비 설계를 위한 사례 검토 및 시험요구조건, 설비 개념을 정리하였다.
엔진 고공환경 모사 연소시험설비는 비행 시험 시 노출되는 각종 고공 환경 상황을 지상에서 구현하는 것을 목적으로 하므로, 상단 엔진이 운용되는 고공환경과 최대한 유사하면서도, 현실적인 비용/기간/기술적 제한 조건을 고려하여 다음과 같이 환경 모사 수준을 결정하였다.

성능/효과

시험설비의 고공모사 조건을 분석하기 위해 표 2에 상단 엔진의 비행 고도와 고공모사설비의 고공 모사 조건을 사례를 비교하였다[5]. 비교 결과 실제 상단 엔진의 고공 점화 및 비행조건과 고공모사시험 설비의 시험조건과는 상당한 차이가 있다. 고공모사시험설비에서 일반적으로 고공 모사 시험은 18km~50km 범위에서 수행하였다.

후속연구

엔진 고공 모사 시험설비 축소형 모델에 대한 시험 수행을 통해 설계의 적절성을 확인하고, 최적값을 찾고 엔진 개발 시험 계획에 명시된 설비 요구조건의 검증을 수행할 예정이다.

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