극저온 가압제를 사용하는 가압시스템에서 가압제의 공급을 차단하기 위하여 많이 사용되고 있는 밸브로는 공압구동밸브나 솔레노이드밸브, 파이로밸브 등이 있다. 공압구동밸브와 솔레노이드밸브는 파이로밸브에 비하여 구조가 복잡하고 무게가 무거운 단점이 있어, 본 연구에서는 극저온 및 고압에 적용이 가능하고 구조가 비교적 간단하고 무게가 가벼운 극저온 헬륨가스용 파이로밸브를 개발하여 내압 및 기밀시험과 진동시험, 극저온 공급시험을 수행하였다.
극저온 가압제를 사용하는 가압시스템에서 가압제의 공급을 차단하기 위하여 많이 사용되고 있는 밸브로는 공압구동밸브나 솔레노이드밸브, 파이로밸브 등이 있다. 공압구동밸브와 솔레노이드밸브는 파이로밸브에 비하여 구조가 복잡하고 무게가 무거운 단점이 있어, 본 연구에서는 극저온 및 고압에 적용이 가능하고 구조가 비교적 간단하고 무게가 가벼운 극저온 헬륨가스용 파이로밸브를 개발하여 내압 및 기밀시험과 진동시험, 극저온 공급시험을 수행하였다.
Valves, which are used to supply or block the flow of cryogenic pressurant in the pressurization system of liquid-propellant propulsion system in a launch vehicle, are pneumo-actuated valve, solenoid valve, pyro-valve, etc. Both pneumo-actuated valve and solenoid valve have more complex structure an...
Valves, which are used to supply or block the flow of cryogenic pressurant in the pressurization system of liquid-propellant propulsion system in a launch vehicle, are pneumo-actuated valve, solenoid valve, pyro-valve, etc. Both pneumo-actuated valve and solenoid valve have more complex structure and are heavier than pyro-valve. For this study, a couple of pyro-valves, which are applicable to cryogenic and high-pressure fluid (cryogenic gaseous helium), have a simple structure, and are comparably light, are designed, manufactured, and tested (proof-pressure/leakage tests, performance test, vibration test, helium supply tests).
Valves, which are used to supply or block the flow of cryogenic pressurant in the pressurization system of liquid-propellant propulsion system in a launch vehicle, are pneumo-actuated valve, solenoid valve, pyro-valve, etc. Both pneumo-actuated valve and solenoid valve have more complex structure and are heavier than pyro-valve. For this study, a couple of pyro-valves, which are applicable to cryogenic and high-pressure fluid (cryogenic gaseous helium), have a simple structure, and are comparably light, are designed, manufactured, and tested (proof-pressure/leakage tests, performance test, vibration test, helium supply tests).
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문제 정의
본 연구에서는 극저온 상태의 가압제를 사용하는 액체추진기관 가압시스템에 적용 가능한 파이로밸브에 대한 개발시험을 안정적으로 수행하였고 내압 및 기밀시험, 진동시험, 공급시험, 배출시험에서 설계 조건을 모두 만족시켰다. 본 연구에서 설계/제작된 파이로밸브는 발사체용으로 적용이 가능할 것으로 사료된다.
제안 방법
Figure 11은 비상배출 시험시 가압제 용기부에서 압력과 온도를 나타낸다. 가압제 용기내에 가압제를 극저온으로 충전한 온도와 압력이 안정된 다음, 비상 배출용 파이로밸브를 작동시켜 대기로 방출하였다. 시험 결과 용기부에서는 공급시험에서와 유사한 결과를 나타내었고 대기압으로 해압되는데 약 126초가 소요되었다.
파이로밸브의 내압시험은 330 bar의 상온에서 수압으로 약 10분간 유지하며 파손 및 누설 여부를 판단하였고 기밀시험은 상온 230 bar에서 5분간 누설 여부를 측정하였다. 그리고 가압제 공급시험은 설계 조건의 압력과 온도에서 극저온 헬륨가스 공급 및 배출 시험을 수행하였다. 또한 진동시험은 Table 2의 조건으로 V8-640 진동시험기를 사용하여 수행되었다.
그 다음에 가압제 용기 외부에 액체산소를 채우고 가압제 용기에는 헬륨가스를 약 220 bar로 충전하여 용기내의 가압제 압력과 온도가 안정화되면 파이로밸브를 작동시켜 극저온 가스를 레귤레이터로 공급한다. 그리고 약 10초 경과 후 공압밸브(AV6701)를 개방하여 대기로 가압제를 방출하여 공급시험을 수행하였다. 또한 가압제 용기내의 가압제 배출시험은 액체산소와 가압제를 충전한 후 배출용 파이로밸브를 작동시켜 대기로 배출하였다.
Figure 9는 공급시험시 가압시스템 주요부에서의 압력과 온도 분포를 나타낸다. 극저온 가압제인 헬륨가스는 가압제 용기에 약 220 bar로 충전되고 가압제 온도가 외부 액체산소 온도인 -183 ℃로 안정된 후에 공급시험이 수행되었다. 가압제 공급용 파이로밸브는 PT5101과 PT5102 사이에 설치되어 있으므로 파이로밸브가 작동되기 전에는 PT5102가 17.
극저온 헬륨 공급시험은 설계 조건으로 액체산소와 헬륨을 적용하여 추진제공급시험설비에서 수행되었다. Figure 8은 극저온 헬륨 공급시험 후 파이로밸브에 대한 사진이다.
그리고 약 10초 경과 후 공압밸브(AV6701)를 개방하여 대기로 가압제를 방출하여 공급시험을 수행하였다. 또한 가압제 용기내의 가압제 배출시험은 액체산소와 가압제를 충전한 후 배출용 파이로밸브를 작동시켜 대기로 배출하였다.
본 연구에서는 공압구동밸브나 솔레노이드밸브에 비하여 무게가 가볍고 구조가 간단한 장점이 있는 극저온 헬륨가스용 파이로밸브를 설계, 제작하여 내압/기밀시험 및 성능시험, 진동시험, 극저온 작동시험 등의 개발시험을 수행하였다. 개발시험시 파이로밸브에 적용된 착화기는 기존에 이미 개발되어 있는 것을 이용하였다.
실험 방법은 파이로밸브 후단에 레귤레이터가 있으므로 역압을 방지하기 위하여 별도 라인으로 가스를 공급하여 약 37 bar로 선가압한다. 그 다음에 가압제 용기 외부에 액체산소를 채우고 가압제 용기에는 헬륨가스를 약 220 bar로 충전하여 용기내의 가압제 압력과 온도가 안정화되면 파이로밸브를 작동시켜 극저온 가스를 레귤레이터로 공급한다.
가압시스템에서 사용되는 파이로밸브는 초기 상태에서는 저온(약 -70℃)이고 파이로밸브가 작동되어 유로가 개방되게 되면 극저온(-180℃ 이하) 상태에 노출된다. 저온 및 극저온 상태로 운용되는 본 파이로밸브는 극저온 헬륨가스가 유동될 시 가스가 누출되지 않도록 설계하여야 하며, 개발된 파이로밸브는 구동부를 서로 끼워 맞추게 하여 누설이 발생되지 않는 구조로 설계되었다. 가압시스템에 적용되는 파이로밸브는 가압제 공급부와 비상배출부에 각각 설치되며 가압제 공급부에는 파이로밸브와 조립되는 배관과 동일한 직경의 유로가 구성된 1/2 inch 형 파이로밸브가 그리고 비상 배출부에는 1/4 inch 형 파이로밸브가 적용되었다.
파이로밸브의 내압시험은 330 bar의 상온에서 수압으로 약 10분간 유지하며 파손 및 누설 여부를 판단하였고 기밀시험은 상온 230 bar에서 5분간 누설 여부를 측정하였다. 그리고 가압제 공급시험은 설계 조건의 압력과 온도에서 극저온 헬륨가스 공급 및 배출 시험을 수행하였다.
대상 데이터
저온 및 극저온 상태로 운용되는 본 파이로밸브는 극저온 헬륨가스가 유동될 시 가스가 누출되지 않도록 설계하여야 하며, 개발된 파이로밸브는 구동부를 서로 끼워 맞추게 하여 누설이 발생되지 않는 구조로 설계되었다. 가압시스템에 적용되는 파이로밸브는 가압제 공급부와 비상배출부에 각각 설치되며 가압제 공급부에는 파이로밸브와 조립되는 배관과 동일한 직경의 유로가 구성된 1/2 inch 형 파이로밸브가 그리고 비상 배출부에는 1/4 inch 형 파이로밸브가 적용되었다.
이론/모형
설계/제작된 파이로밸브에 대한 개발 시험은 한국항공우주연구원내에 있는 추진제 공급시험설비(PTF, Propellant-feeding Test Facility)를 활용하여 수행하였다. Figure 4는 PTF의 가압시스템 주요부 개략도이다.
성능/효과
가압제 용기내에 가압제를 극저온으로 충전한 온도와 압력이 안정된 다음, 비상 배출용 파이로밸브를 작동시켜 대기로 방출하였다. 시험 결과 용기부에서는 공급시험에서와 유사한 결과를 나타내었고 대기압으로 해압되는데 약 126초가 소요되었다.
5 bar로 상승하였다. 파이로밸브의 작동은 압력센서 PT5101과 PT5102를 기준으로 판단할 수 있었으며 공급시험 결과 파이로밸브는 안정적으로 작동되었다. 공급시험시 파이로밸브를 통과하는 가압제 온도(TT5100)는 -182.
후속연구
본 연구에서는 극저온 상태의 가압제를 사용하는 액체추진기관 가압시스템에 적용 가능한 파이로밸브에 대한 개발시험을 안정적으로 수행하였고 내압 및 기밀시험, 진동시험, 공급시험, 배출시험에서 설계 조건을 모두 만족시켰다. 본 연구에서 설계/제작된 파이로밸브는 발사체용으로 적용이 가능할 것으로 사료된다.
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