[논문]친환경 추진제를 사용하는 저추력 엑체로켓엔진의 혼합비에 따른 연소 특성

전준수; 김영문; 황오식; 고영성; 김유; 김선진

[국내논문] 친환경 추진제를 사용하는 저추력 엑체로켓엔진의 혼합비에 따른 연소 특성
Study for combustion characteristic according to the O/F ratio of low thrust rocket engine using green propellant 원문보기

전준수 (충남대학교 항공우주공학과) , 김영문 (충남대학교 항공우주공학과) , 황오식 (충남대학교 항공우주공학과) , 고영성 (충남대학교 항공우주공학과) , 김유 (충남대학교 기계공학과) , 김선진 (청양대학교 소방안전관리학과)

본 연구에서는 친환경 추진제인 고농도 과산화수소와 케로신을 사용하는 저추력 이원추진제 로켓 엔진의 O/F ratio에 따른 연소 성능 특성을 파악하였다. 연소시험에 사용된 엔진은 6개의 동축 스월 인젝터로 구성된 멀티 인젝터와 연소실, 노즐로 구성되어있으며, 촉매 점화 방식을 사용하였다. 연소 시험은 O/F ratio 3.8에서 11.0까지 변화시켜가며 수행하였다. 연소 시험 결과를 이용하여 특성 속도($C^*$)와 압력 섭동 값을 계산한 결과, 연소 효율은 O/F ratio 5~6 구간에서 가장 좋았으며 모든 구간에서 연소실 압력대비 압력 섭동 값이 5% 미만으로 안정적임을 확인하였다.

Combustion tests of a low thrust rocket engine was performed to get combustion characteristics, which used a high concentrated hydrogen peroxide and kerosene as the oxidizer and fuel. The engine consisted of multi injector(six coaxial swirl injectors), chamber, nozzle and catalyst ignition system. The test was carried out by changing O/F ratio from 3.8 to 11.0. The experimental results showed that combustion efficiency was highest at O/F ratio from 5 to 6 and pressure fluctuations of all the range were lower than 5%.

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문제 정의

본 연구에서는 과산화수소/케로신을 사용하는 저추력 액체로켓엔진의 O/F ratio에 따른 연소 특성을 비교해보았다. 총 10번의 연소 시험을 통하여 O/F ratio를 3.

제안 방법

본 연구에서는 연소실 압력과 추진제 유량을 측정하여 특성속도(C*)를 구하였고, 구해진 특성속도(C*)를 이용하여 연소 효율을 파악하였다. 또한, 연소 시험 시 연소실 압력 섭동의 최대 RMS(root mean square) 값을 연소실 압력 값의 백분율로 나타내어 연소 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 연소실 압력과 추진제 유량을 측정하여 특성속도(C*)를 구하였고, 구해진 특성속도(C*)를 이용하여 연소 효율을 파악하였다. 또한, 연소 시험 시 연소실 압력 섭동의 최대 RMS(root mean square) 값을 연소실 압력 값의 백분율로 나타내어 연소 안정성을 평가하였다.
연소 시험을 위한 시험 장치는 크게 시험용 엔진과 시험 설비로 구분된다. 시험용 엔진은 인젝터와 연소실, 노즐로 나누어지며, 본 연구에서는 기존에 개발된 엔진을 이용하여 연소 시험을 수행하였다[4]. 시험 설비는 추진제를 저장 및 공급하는 저장 설비와 공급 설비, 추진제 공급을 위한 가압설비, 연소 시험을 수행할 수 있는 연소 시험대와 연소 시험을 자동으로 제어하고, 각종 데이터를 계측할 수 있는 제어계측부로 구성된다[5].
과산화수소/케로신 엔진의 연소성능을 고찰하기 위해 O/F ratio를 변화시키면서 연소 시험을 수행하였다. 추진제는 질소 가압 방식으로 공급하기 때문에 추진제 탱크의 가압 압력을 변화시켜 유량을 변화시켰다.
낮은 O/F ratio 영역은 총 유량 117g/s, 높은 O/F ratio 영역은 총 유량 141g/s로 연소 특성을 확인하였다. 연소시간은 연소실 압력의 정상상태를 고려하여 3초로 하였으며, 그동안 검증된 점화/연소 시험 절차에 따라 시험을 진행하였다[5].
연소 성능을 판단하기 위한 주요 변수인 특성속도(C*)의 이론치와 실험치를 비교하기 위하여, 먼저 CEA code를 이용하여 이론 특성속도를 계산하였다[6]. 또한, 실제 연소 시험 결과를 바탕으로 식 (1)을 이용하여, 특성속도(C*)를 계산하였다.
연소실 압력은 사용되는 추진제 종류, 노즐목 직경, O/F ratio에 의해 결정되는데, 본 연소실험에서는 O/F ratio를 제외하고는 모두 동일하므로 O/F ratio에 대한 연소실 압력 섭동량을 비교해 보았다. Fig.
본 연구에서는 과산화수소/케로신을 사용하는 저추력 액체로켓엔진의 O/F ratio에 따른 연소 특성을 비교해보았다. 총 10번의 연소 시험을 통하여 O/F ratio를 3.8 ~ 11.0까지 변화시켰다. 시험 결과 연소 특성은 O/F ratio 5~6 구간이 가장 좋았으나, 이 구간에서 압력 섭동이 가장 많이 일어남을 확인하였다.

성능/효과

따라서 총 유량을 141g/s로 수정하여 실험을 수행하게 되었다. 낮은 O/F ratio 영역은 총 유량 117g/s, 높은 O/F ratio 영역은 총 유량 141g/s로 연소 특성을 확인하였다. 연소시간은 연소실 압력의 정상상태를 고려하여 3초로 하였으며, 그동안 검증된 점화/연소 시험 절차에 따라 시험을 진행하였다[5].
총 유량 141g/s 영역에서는 평균적으로 약 6%의 차이가 있으며, 마찬가지로 O/F ratio에 따른 특성속도(C*)의 경향은 일치하였다. 총 유량 117g/s와 141g/s 두 경우 모두 연소 시험에서의 실제 특성 속도가 이론 특성속도와 10% 이내로 일치함을 알 수 있으며, 저추력 소형 엔진임을 감안하면 연소 효율이 양호하다는 것을 알 수 있다. 또한, 과산화수소와 케로신의 이론 당량비는 약 7.
총 유량 117g/s와 141g/s 두 경우 모두 연소 시험에서의 실제 특성 속도가 이론 특성속도와 10% 이내로 일치함을 알 수 있으며, 저추력 소형 엔진임을 감안하면 연소 효율이 양호하다는 것을 알 수 있다. 또한, 과산화수소와 케로신의 이론 당량비는 약 7.4 정도이나 실제 연소 실험에서는 O/F ratio 5~6 이내의 특성속도(C*) 값이 가장 큰 것으로 보아 이 구간에서 효율이 가장 좋은 것으로 나타났다.
0까지 변화시켰다. 시험 결과 연소 특성은 O/F ratio 5~6 구간이 가장 좋았으나, 이 구간에서 압력 섭동이 가장 많이 일어남을 확인하였다. 그러나 O/F ratio 5~6 구간을 포함한 모든 범위에서 연소실 압력 대비 압력 섭동이 5% 미만으로 매우 안정한 것을 확인할 수 있었다.
시험 결과 연소 특성은 O/F ratio 5~6 구간이 가장 좋았으나, 이 구간에서 압력 섭동이 가장 많이 일어남을 확인하였다. 그러나 O/F ratio 5~6 구간을 포함한 모든 범위에서 연소실 압력 대비 압력 섭동이 5% 미만으로 매우 안정한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 추가 실험을 진행하여 재현성을 검증하면 과산화수소/케로신 엔진을 개발하는데 기초자료로 사용될 것으로 판단된다.

후속연구

그러나 O/F ratio 5~6 구간을 포함한 모든 범위에서 연소실 압력 대비 압력 섭동이 5% 미만으로 매우 안정한 것을 확인할 수 있었다. 따라서 향후 추가 실험을 진행하여 재현성을 검증하면 과산화수소/케로신 엔진을 개발하는데 기초자료로 사용될 것으로 판단된다.

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