[논문]Multi-port 하이브리드 로켓의 연소 특성

김수종; 민문기; 조성봉; 문희장; 성홍계; 김진곤

Multi-port 하이브리드 로켓의 연소 특성
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김수종 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과) , 민문기 ((주)SEST) , 조성봉 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과) , 문희장 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 성홍계 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 김진곤 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

하이브리드 로켓의 원통형 multi-port 그레인에서 그레인 포트 개수 변화에 따른 연소특성을 고찰하였다. 후퇴율의 경우 그레인 포트 개수가 증가할수록 연료 포트 후퇴율과 끝단면 후퇴율 모두 증가하였다. 성능변수의 경우 그레인 포트 개수가 증가할수록 O/F 비는 낮아졌고, 비추력은 높아졌다.

In this paper, the combustion characteristics of hybrid rocket were studied with various port number of the cylindrical multi-port grain. For the regression rate case, as the port number increases, the both port regression rate and end-surface regression rate tend to increase. For the performance parameter case, as the port number increases, the O/F ratio tends to decreases and the specific impulse tends to increase.

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 가장 단순한 형상인 원통형 multi-port 그레인을 사용한 lab-scale 하이브리드 로켓추진기관을 설계, 제작하여 실험 연구를 수행하였다.

제안 방법

Single-port 그레인의 경우 연료 끝 단면적이 포트 내부 면적보다 상대적으로 작아 끝 단면 연소량을 구분하여 고려하지 않아도 되나, multiport 그레인의 경우 다수의 포트가 배치되어야 하므로 연료의 외경이 커지게 되고 이에 따라 양 끝 단면이 포트 내 면적과 비교하여 작지 않으며 연소량 또한 많아 구분하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 후퇴율을 연료 포트 내 후퇴율인 #와 연료 끝 단면 후퇴율인 #로 나누어 고찰하였으며 1차 연소 실험을 수행한 뒤 1차 질량을 측정하고, Fig. 3에 표시된 4의 길이까지 연료의 양 끝 단면을 균일하게 잘라낸 뒤 2차 측정을 하여 각 후퇴율을 계산하였으며 계산에 사용한 식은 아래와 같다.
산화제인 기체 산소는 압력조절기와 소닉노즐을 통해 일정한 유량으로 공급되며 초킹 조건에 의해 연소실 압력에 영향 받지 않는다. 산화제 공급 유량은 TFM(turbine flow meter)을 이용해 측정하였다. 점화 장치로는 전방연소실(pre-chamber) 일체형 토치식 점화기를 제작하여 부탄, 산소 흔합 가스에 spark를 가해 점화하는 방식을 사용하였으며 각각의 포트에 안정적인 점화 열원을 공급함을 확인하였다.
연소기는 산화제분사기 , 전방 연소 실, 후방연소 실 (post-chamber), 연료 그레인, 노즐로 구성하였으며 전방 연소실과 후방연소실에 각각 압력 센서를 장착하였고 노즐은 구리로 제작하여 물냉각하였다. 실험 조건은 Table.
산화제 공급 유량은 TFM(turbine flow meter)을 이용해 측정하였다. 점화 장치로는 전방연소실(pre-chamber) 일체형 토치식 점화기를 제작하여 부탄, 산소 흔합 가스에 spark를 가해 점화하는 방식을 사용하였으며 각각의 포트에 안정적인 점화 열원을 공급함을 확인하였다. 실험은 PLC(program logic control)를 통해 제어되며 DAQ 보드를 이용하여 각 센서로부터의 데이터를 획득하였다.
실험은 PLC(program logic control)를 통해 제어되며 DAQ 보드를 이용하여 각 센서로부터의 데이터를 획득하였다. 추력 측정을 위하여 연소기를 LM가이드 위에 장착하고 로드셀을 이용하여 추력을 측정하였다.

대상 데이터

Multi-port 하이브리드 로켓추진기관은 산화제공급 장치, 점화 장치, 데이터 획득장치 및 연소기로 구성되며 Fig. 1과 같이 구성하였다. 산화제인 기체 산소는 압력조절기와 소닉노즐을 통해 일정한 유량으로 공급되며 초킹 조건에 의해 연소실 압력에 영향 받지 않는다.
점화 장치로는 전방연소실(pre-chamber) 일체형 토치식 점화기를 제작하여 부탄, 산소 흔합 가스에 spark를 가해 점화하는 방식을 사용하였으며 각각의 포트에 안정적인 점화 열원을 공급함을 확인하였다. 실험은 PLC(program logic control)를 통해 제어되며 DAQ 보드를 이용하여 각 센서로부터의 데이터를 획득하였다. 추력 측정을 위하여 연소기를 LM가이드 위에 장착하고 로드셀을 이용하여 추력을 측정하였다.

성능/효과

Fig. 4에서 알 수 있듯이 그레인 포트 개수가 증가할수록 포트 내 후퇴율은 증가하였다. 이는 연료의 양 끝 단면에서의 연소가스와 포트 개수가 늘어남에 따라 증가한 연소가스가 연소실 압력을 상승시키고, 압력 증가에 민감하게 작용하는 저 산 화제 유속 구간에 해당하는 본 연구의 산화제 유속 범위의 경우 압력상승으로 증가된 복사 열전달에 의해 후퇴율이 증가한 것으로 판단된다.
동일 산화제 유량이 그레인 포트 내로 공급되는 경우 포트 개수가 늘어날수록 고체연료 연소량이 증가하므로 O/F 비는 낮아졌고 비추력은 증가하는 경향을 보였다. 또한 실험점들은 포트 개수가 늘어날수록 CEA code[6]를 이용한 비추력최대값이 발생하는 O/F 비 2 근방으로 접근함을 알 수 있다.
본 연구를 통해 multi-port 그레인을 사용함으로써 최대 비추력 O/F 비에 근접할 수 있음을 확인하였으며, 포트 개수가 늘어남에 따라 포트 후퇴율과 끝 단면 후퇴율 모두 증가함을 알 수 있었다. 후퇴율과 질량유속 관계식은 포트 개수에 관계없이 적용할 수 있는 일반화된 식으로 표현할 수 있었다.
후퇴율과 질량유속 관계식은 포트 개수에 관계없이 적용할 수 있는 일반화된 식으로 표현할 수 있었다.

후속연구

또한 실험점들은 포트 개수가 늘어날수록 CEA code[6]를 이용한 비추력최대값이 발생하는 O/F 비 2 근방으로 접근함을 알 수 있다. 이를 통해 multi-port 그레인을 사용함으로써 최대 비추력을 나타내는 O/F 비에 근접한 연소를 이룰 수 있을 것으로 판단된다.

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