[논문]친환경 추진제를 사용하는 액체로켓엔진의 막냉각링 설계 및 열해석

김정훈; 이재원; 이양석; 고영성; 김유; 김선진

[국내논문] 친환경 추진제를 사용하는 액체로켓엔진의 막냉각링 설계 및 열해석
Design of Film-cooling Ring of The Engine Using Green Propellant And Thermal Analysis 원문보기

김정훈 ((주) 한화 대전공장 개발부) , 이재원 ((주) 한화 대전공장 개발부) , 이양석 (충남대학교 항공우주공학과) , 고영성 (충남대학교 항공우주공학과) , 김유 (충남대학교 기계공학과) , 김선진 (청양대학교 소방안전학과)

본 연구는 친환경 추진제인 과산화수소($H_2O_2$)와 케로신을 추진제로 하는 액체 로켓 엔진에서의 막냉 각 장치 개발을 목적으로 이를 위하여 막냉각링을 설계/제작하고, 수류 시험을 통해 분무 특성과 공급 유량을 확인하였다. 또한 설계/제작된 막냉각링의 성능 예측을 위하여 열해석을 수행하였다. 수류 실험 결과 설계 유량(42.25g/s)이 공급됨을 확인하였고, 상대적으로 유속이 빠르고 홀 개수가 많은 막냉각링이 더 좋은 분무패턴을 보임을 확인하였다. 또한 열해석 결과 설계된 막냉각링이 충분한 냉각 성능을 가짐을 확인하였다.

The purpose of this study is to design of film-cooling ring for the small thrust rocket engine using green propellants(Hydrogen peroxide and kerosene). Cold flow test was carried out to measure the mass flow rate and atomizing characteristic. Required mass flow rate was obtained from thermal analysis of the engine, and measured flow rate 42.25g/s was in the range of permissible coolant flow rate. With the same mass flow rate, cooling ring with more hole and high velocity shows better spray pattern. The result of thermal analysis, cooling ring has enough cooling performance.

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문제 정의

그러나 국내에서는 아직 과산화수소/케로신 액체 로켓 엔진에 대한 연구가 미흡한 상태이며 또한 막냉각에 대한 연구는 전무한 상태라고 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 과산화수소/케로신 액체 로켓 엔진의 막냉각링 개발에 앞서 막냉각링을 설계/제작하고 수류 시험을 통해 분무 특성과 공급 유량을 파악하였다. 또한 설계/제작된 막냉각링의 성능 예측을 위하여 연소시험에 앞서 열해석을 수행하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 과산화수소/케로신 액체 로켓 엔진의 막냉각링 개발에 앞서 막냉각링을 설계/제작하고 수류 시험을 통해 분무 특성과 공급 유량을 파악하였다. 또한 설계/제작된 막냉각링의 성능 예측을 위하여 연소시험에 앞서 열해석을 수행하였다.
본 실험에서는 추진제로는 친환경 추진제인 고농도 과산화수소를 산화제로 케로신을 연료로 사용하고 막냉각용 냉각제로는 과산화수소를 사용하였다. 냉각제의 공급 유량은 총 추진제의 10 ~ 20%로 결정하였으며, 오리피스를 이용한 유량 제어가 가능하도록 설계하였다.
또한 냉각제의 공급 유속은 0.2m/s와 16.5m/s로 공급할 수 있도록 설계하였다.
막냉각 공급 유로의 개수는 냉각제의 총 유량과 공급 유로의 총면적을 고정시킨후 냉각 채널의 개수만 15개와 30개로 설계하여 공급 유로의 분포도에 따른 실험이 가능하도록 설계하였다. 마지막으로 막냉각 공급 유로의 선회각의 변화에 따라 막냉각이 가능하도록 설계하였다.
막냉각 공급 유로의 개수는 냉각제의 총 유량과 공급 유로의 총면적을 고정시킨후 냉각 채널의 개수만 15개와 30개로 설계하여 공급 유로의 분포도에 따른 실험이 가능하도록 설계하였다. 마지막으로 막냉각 공급 유로의 선회각의 변화에 따라 막냉각이 가능하도록 설계하였다.
추진제의 유량은 산화제가 149g/s 이며 연료는 20g/s 이다. 공급 유로의 개수는 15개와 30개 두 가지로 설계하였다. 공급 유량과 공급 유로의 개수에 따라 공급 유로의 면적은 식 (1)에서 유도된다.
막냉각제는 연소실 내벽에 ’번아웃(burnout)‘이 생기지 않도록 연소실 내부에 고르게 분사시켜야 한다.[4] 이를 위해서 본 연구에서는 공급 유로를 등간격으로 배치하였으며 선회각을 주어 분사되도록 하였다. 선회각은 연소실 축방향과 18˚, 36˚, 54˚를 이루어 분사되도록 설계하였다.
[4] 이를 위해서 본 연구에서는 공급 유로를 등간격으로 배치하였으며 선회각을 주어 분사되도록 하였다. 선회각은 연소실 축방향과 18˚, 36˚, 54˚를 이루어 분사되도록 설계하였다.
본 연구에서 설계/제작된 막냉각링의 분무 형태와 유량을 파악하기 위하여 수류시험을 수행하였다.
2와 같이 모의 추진제 공급장치, 실험대(test section)로 구성되어 있다. 모의 추진제로는 취급이 용이한 탈이온수(dionized water)를 사용하였고, 추진제를 냉각링으로 공급하기 위해 고압의 가스 질소를 추진제 탱크에 직접 공급하여 탱크를 가압하는 가압방식을 사용하였다. 추진제 탱크 및 냉각링 내부에서의 압력 데이터는 전기식 압력 센서를 이용하여 측정하였고, 데이터 수집과 개인용 컴퓨터를 이용하여 데이터를 처리하였다.
모의 추진제로는 취급이 용이한 탈이온수(dionized water)를 사용하였고, 추진제를 냉각링으로 공급하기 위해 고압의 가스 질소를 추진제 탱크에 직접 공급하여 탱크를 가압하는 가압방식을 사용하였다. 추진제 탱크 및 냉각링 내부에서의 압력 데이터는 전기식 압력 센서를 이용하여 측정하였고, 데이터 수집과 개인용 컴퓨터를 이용하여 데이터를 처리하였다.

대상 데이터

본 실험에서는 추진제로는 친환경 추진제인 고농도 과산화수소를 산화제로 케로신을 연료로 사용하고 막냉각용 냉각제로는 과산화수소를 사용하였다. 냉각제의 공급 유량은 총 추진제의 10 ~ 20%로 결정하였으며, 오리피스를 이용한 유량 제어가 가능하도록 설계하였다.

성능/효과

3을 보면 설계 온도라고 할 수 있는 연소실 재질(SUS 316)의 녹는점을 넘지 않는 것을 알 수 있다. 따라서 열해석 결과 막냉각 유량으로 총유량의 20%가 적절함을 확인하였다.
막냉각링을 설계/제작하여 수류 시험 한 결과 설계 유량(42.25g/s)이 공급됨을 확인하였고, 상대적으로 유속이 빠르고 홀 개수가 많은 막냉각링이 연소실 벽면을 고르게 냉각시킬 수 있는 분무 패턴을 보임을 확인하였다. 또한 열해석 결과 총 유량의 20%에 해당하는 냉각제를 사용하였을 경우 연소실이 버티기에 충분한 냉각 성능을 가짐을 확인하였다.
25g/s)이 공급됨을 확인하였고, 상대적으로 유속이 빠르고 홀 개수가 많은 막냉각링이 연소실 벽면을 고르게 냉각시킬 수 있는 분무 패턴을 보임을 확인하였다. 또한 열해석 결과 총 유량의 20%에 해당하는 냉각제를 사용하였을 경우 연소실이 버티기에 충분한 냉각 성능을 가짐을 확인하였다.

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