[논문]우주발사체 가스발생기용 점화기 개발

권미라; 임재혁; 최병오; 이정복; 홍문근; 이수용

우주발사체 가스발생기용 점화기 개발
Development of a gas generator igniter for a space launch vehicle 원문보기

권미라 ((주)한화) , 임재혁 ((주)한화) , 최병오 ((주)한화) , 이정복 ((주)한화) , 홍문근 (한국항공우주연구원 발사체미래기술팀) , 이수용 (한국항공우주연구원 발사체미래기술팀)

우주발사체 가스발생기의 안정적인 연소를 위한 가스발생기용 점화기로서 설계 구조가 간단한 파이로 점화기를 개발하였다. 개발된 파이로 점화기는 가스발생기 추진제의 점화 및 신뢰성이 보장되는 화염 확산을 위해 충분한 열유량을 추진제에 제공해 줄 수 있으며, 고온/고압 환경을 이겨낼 수 있는 구조적 요구사항을 충족시킬 수 있도록 설계되었다. 제작된 점화기는 성능시험을 통해 요구 성능을 만족함을 확인하였다.

A pyrotechnic igniter with a relatively simple configuration was developed to secure the stable and reliable ignition of the gas generator in space launch vehicles. It was designed not only to provide a sufficient heat flux for the propellant ignition but also to ensure a structural safety under the conditions of very high temperatures and pressures. The burning tests of the igniters have been performed to decide several design parameters, and consequently the performance tests have proved that the pyrotechnic igniter developed in this study meets the design requirements.

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문제 정의

본 연구는 우주발사체 가스발생기용 점화기 개발을 위해 수행되었으며, 전체적인 성능은 개발요구 조건과 유사한 결과를 얻었다. 본 연구에서 제작된 점화기는 추후 가스발생기와 연계연소시험을 통해 성능 평가를 실시하여 개발의 신뢰성을 확보할 예정이다.
본 연구에서는 가스발생기용 점화기로서 점화 시스템의 복잡한 설계를 피하고 기술적 용이함을 고려하여 파이로 점화시스템을 개발하였다. 파이로 점화기는 소형고체모터와 같은 개념이라고 할 수 있으며, 착화장치에서 발생한 열에너지가 고체추진제의 표면에 확산/전파되어 고체추진제의 연소를 유도한다.

제안 방법

가스발생기용 점화기는 구조적 해석을 통해그 형상 및 재질이 결정되었으며, 기밀 유지를 위해 헤드와 노즐부 사이는 Cu-ring을 적용하였다. 또한, 기밀 유지 및 파열압력 5~7 MPa을 만족하기 위한 rupture disk로써 Nitro cellulose film이 파열시험을 통해 성능 확인 후 적용되었다.
가스발생기용 파이로 점화기의 추진제 형상을 OS(One Side burning) 모델로 설계 확정 후 추진제의 질유량에 따른 위력 시험을 실시하였다. 시험 조건 및 결과는 Table 4, Fig.
가스발생기용 점화기는 구조적 해석을 통해그 형상 및 재질이 결정되었으며, 기밀 유지를 위해 헤드와 노즐부 사이는 Cu-ring을 적용하였다. 또한, 기밀 유지 및 파열압력 5~7 MPa을 만족하기 위한 rupture disk로써 Nitro cellulose film이 파열시험을 통해 성능 확인 후 적용되었다. 이러한 가스발생용 점화기의 전체적인 구조는 Fig.
이와 같은 긴 연소시간을 가지면서 점화기 크기를 작게 하기 위해서는 추진제의 연소방향을 고려한 설계가 필요하다. 본 연구의 초기 개발과정에서는 추진제의 단면연소(OS, One Side burning)와 양면연소(DS, Double Side burnig) 방법을 비교 채택하여 추진제의 소형화 및 긴 연소시간과 요구 질유량을 가진 추진제 설계를 진행하였다. 추진제는 단면연소와 양면연소를 위하여 옆면은 ethyl cellulose를 이용하여 난연제코팅하였으며, 단면연소의 경우, 하부 단면은 추가적으로 silica fiber로 난연제 처리 하였다.
이에 본 연구에서는 가스발생기 내부의 손상을 최소화하면서 일정 압력과 위력을 제공할 수있는 TM-OS-01 모델을 적정 질유량으로 선정하였다.
본 연구의 초기 개발과정에서는 추진제의 단면연소(OS, One Side burning)와 양면연소(DS, Double Side burnig) 방법을 비교 채택하여 추진제의 소형화 및 긴 연소시간과 요구 질유량을 가진 추진제 설계를 진행하였다. 추진제는 단면연소와 양면연소를 위하여 옆면은 ethyl cellulose를 이용하여 난연제코팅하였으며, 단면연소의 경우, 하부 단면은 추가적으로 silica fiber로 난연제 처리 하였다. 각각의 추진제 형상은 Fig.

대상 데이터

가스발생기용 파이로점화기는 성능 요구조건 만족을 위하여, 연소속도 약 12 mm/s(@1000psi) 인 무용제형 복기(Double Base) 추진제를 선정 하였다. 복기추진제의 특성은 Table 2와 같다.
설계된 추진제 단면의 동시 점화 및 점화성을 높이기 위하여 보조점화장약으로 B/KNO3 I-B pellet 이 사용되었으며, 착화기로는 발열선을 사용하는 HWI(hot Wire initiator) type의 800 psi(@10 cc C.B.T) 압력을 내는 착화기가 사용되 었다. 보조점화장약 B/KNO3 I-B pellet 은 점화기 내부에 열손실이 없다고 가정하여, 열역학적 관계식 Eq.

성능/효과

각각의 추진제를 적용하여 시험한 결과, DS의 경우는 양면을 동시 점화시키는데 초기 시간 지연이 발생하므로, 더 안정적인 연소현상을 보이는 OS 연소방식이 최종적인 추진제 형상으로 선정되었다. 각각의 연소 시험 결과는 Fig.
4 msec)과 유사한 값을 얻을 수 있었다. 시험 후 분해 결과 점화기 내부의 기밀은 잘 유지되었으며, 난연제만 남고 추진제의 완전 연소가이루어졌다
최종 설계 제작된 점화기의 성능시험 결과, 상온과 저온의 시험결과는 Fig. 7과 같이 거의 동일한 결과를 얻었다. 파이로 점화기 내부의 압력이 형성되기 까지 점화지연 시간은 평균 2.

후속연구

본 연구는 우주발사체 가스발생기용 점화기 개발을 위해 수행되었으며, 전체적인 성능은 개발요구 조건과 유사한 결과를 얻었다. 본 연구에서 제작된 점화기는 추후 가스발생기와 연계연소시험을 통해 성능 평가를 실시하여 개발의 신뢰성을 확보할 예정이다.
파이로 점화기 내의 고체추진제의 연소를 통해 생성된 고온의 연소가스 및 화염은 노즐을 통해 배출되어 가스발생기 내의 액체추진제를 점화시키는 역할을 한다. 이러한 파이로 점화기는 가스발생기 내의 액체 추진제를 점화시키기에 충분한 열유량(heat flux)을 제공해야 하며, 고온/고압의 환경을 이겨낼 수있는 구조적 요구사항을 충족시켜 개발해야 한다. 이에 따른 가스발생기용 점화기의 개략적 개발 요구조건은 Table 1과 같다.

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