초록 ▼

III. 연구개발의 내용 및 범위
다단연소 사이클 액체엔진 성능향상 기술연구는 2010년부터 2012년까지 총 3년간 진행이 될 예정이며 다단연소 사이클 액체엔진 중 핵심기술을 분류하고 확보하는데 그 목적이 있다. 이에 따라 다단연소 사이클의 기초 시스템 연구가 실시되었고 가스발생기 사이클과 비교하여 가장 두드러진 특징을 보이고 있는 과산화연소에 대한 연구와 추력 및 압력보상 유량 제어연구를 선정하였다. 과산화연소와 관련된 연구와 관련하여서 예연소기 기술 확보와 기체-액체, 2상 분사기의 기초시험 및 데이터 확보를 연구개발 목

III. 연구개발의 내용 및 범위
다단연소 사이클 액체엔진 성능향상 기술연구는 2010년부터 2012년까지 총 3년간 진행이 될 예정이며 다단연소 사이클 액체엔진 중 핵심기술을 분류하고 확보하는데 그 목적이 있다. 이에 따라 다단연소 사이클의 기초 시스템 연구가 실시되었고 가스발생기 사이클과 비교하여 가장 두드러진 특징을 보이고 있는 과산화연소에 대한 연구와 추력 및 압력보상 유량 제어연구를 선정하였다. 과산화연소와 관련된 연구와 관련하여서 예연소기 기술 확보와 기체-액체, 2상 분사기의 기초시험 및 데이터 확보를 연구개발 목표로 설정하였다. 또한 제어연구로서는 추력제어밸브의 수학적 모델링과 기본설계 제어알고리즘 등을 수행하였다.
보다 구체적으로 2010년 연구 개발은 다음과 같은 업무 범위와 목적을 갖는다.
- 예연소기 개발을 위헤 기초 자료 조사 및 특성을 연구하고 연소압 약 200 bar의 예연소기모델링 및 설계를 수행한다. 또한 설계된 예연소기를 모델로 하여 다단연소 사이클 엔진의 기본성능 해석기술을 개발한다.
- 산화제 과잉 연소기 헤드 및 연소실을 설계/제작하고 기초시험을 실시한다.
- 예연소기에 사용가능한 차압 18 bar 내외, 산화제 기준 분사기당 유량 0.5~0.75 kg/s의 단일 분사기 설계 및 수류시험을 실시한다.
- 산화제 과잉 고온 환경(500K 이상, O/F 15~60)에서의 재료 시험을 실시한다.
- 고압 브레이징 기술을 개발한다.
- 수학적 모델링 및 해석을 통해 압력보상식 추력제어밸브 기본 설계를 수행한다.
- 추력 및 혼합비 제어 알고리즘 설계 기술(해외협력 포함) 연구를 수행한다.

Abstract ▼

III. Contents and Scope of the Research
The research project, 'Technology Research on the Performance Enhancement of Stage Combustion Cycle Liquid Rocket Engines' was planned for 3 years from 2010 to 2012. The main objectives are the classification and secure of the core technologies of the stage

III. Contents and Scope of the Research
The research project, 'Technology Research on the Performance Enhancement of Stage Combustion Cycle Liquid Rocket Engines' was planned for 3 years from 2010 to 2012. The main objectives are the classification and secure of the core technologies of the stage combustion cycle. As an accordance of these objectives, fundamental system research on the stage combustion cycle was performed. As a result, oxygen rich combustion, thrust control and flow regulation were selected. Preburner technologies with oxygen rich combustion technologies and gas-liquid injector technologies including basic tests and setting up the basic database of spray characteristics were studied for the main research topic. In addition, mathematical modeling and control algorithm of basic design of thrust control valve were performed.
More specifically the research objectives of year 2011 are shown in the follows
- Research of basic data and characteristics of preburners. Modeling preburner with combustion pressure 200 bar. Analysis of basic functions of stage combustion cycle the preburner
- Designing the preburner with oxygen rich mixing head and combustion chamber
- The injectors have the pressure loss and mass flow rate about 18 bar and 0.5~0.75 kg/sec, respectively. The injector is a simplex type and hydraulic tests is performed.
- Anti-oxidization test of the chamber materials is performed under oxygen rich high temperature atmosphere (500 K, O/F 15~60).
- Developing brazing technology for high pressure
- Designing flow regulation device by mathematical model and analysis
- Research on design of the control algorithm for thrust and mixture ratio

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 요약문 ... 3
• Contents ... 20
• 차 례 ... 25
• 표 차례 ... 30
• 그림 차례 ... 32
• 제1장 서 론 ... 38
• 제1절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 38
• 제2절 연구개발의 내용 및 범위 ... 40
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 42
• 제1절 국외 기술개발 현황 ... 42
• 1. 세계적 기술발전 단계 현황 ... 42
• 2. 20년 후 선진국의 기술 발전 미래 전망 ... 42
• 가. 미래 기술발전 방향 및 중점 연구개발 분야 ... 42
• 나. 미래 선진국 기술발전 단계 ... 43
• 다. 미래 연구개발/기술혁신 주도 예상 국가 및 기관/기업 ... 43
• 제2절 국내 기술개발 현황 ... 43
• 1. 국내 기술 도입 및 발전 과정 ... 43
• 2. 국내 기술학습 단계 현황 ... 44
• 3. 현재까지 기술발전 방향 ... 44
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 45
• 제1절 다단연소사이클 기초성능해석 및 예연소기 규격 설정 ... 45
• 1. 다단연소 사이클 액체로켓엔진의 특성 ... 45
• 2. 다단연소사이클 기초성능해석 ... 46
• 3. 예연소기 규격 결정 ... 47
• 가. 예연소기의 요구사항과 개발 규격 ... 47
• 나. 예연소기 탈설계점 연소특성 ... 49
• (1) 예연소기 설계점 값 ... 49
• (2) 탈설계점 프로그램 설명 ... 50
• (3) 탈설계점에서 연소실내 연소특성 계산 로직 ... 52
• (4) 프로그램 사용법 ... 53
• (5) 탈설계점 수행 결과 ... 54
• (6) 탈설계점 특성 ... 55
• 제2절 예연소기 헤드 설계 및 제작 ... 57
• 1. 플랜지형 혼합헤드 설계 특징 ... 57
• 2. 벌집형 분사기 배열에 따른 연소실 내 혼합비 분포 예측 ... 58
• 가. 와류형 분사기의 분무형상 ... 59
• 나. 분사기 축 근처의 추진제 분포 ... 59
• 다. 예측 결과 ... 62
• 3. 혼합헤드 연료 측 유동설계 ... 62
• 가. 연료 주입구 공급배관 설계 ... 63
• 나. 분기 유로 기본 설계 ... 63
• 다. CFD 해석 ... 64
• 4. 혼합헤드 산화제 측 유동설계 ... 66
• 가. 산화제 공급부 스크린 설계 ... 66
• 나. CFD 해석 ... 67
• 다. 분리형 혼합헤드 내 분사기 배열 ... 71
• 라. 혼합헤드 분사균일성 평가를 위한 모의 유체 수류시험 ... 72
• 5. 산화제 과잉 예연소기 플랜지형 혼합헤드 점화시험 ... 74
• 가. 시험장치 및 시험방법 ... 74
• 나. 실유체 수류시험 및 점화시험 결과 ... 75
• (1) 실유체 수류시험 ... 75
• (2) 점화시험 ... 78
• 제3절 예연소기 연소실 및 냉각채널 설계 ... 83
• 1. 예연소기 냉각채널 유로 개념 설계 ... 83
• 2. 냉각채널 형상 설계 ... 84
• 3. 중앙 매니폴드 설계 ... 85
• 4. 1차원 평면 모델 ... 86
• 가. 유동해석 ... 87
• (1) 입구 및 출구 조건 ... 87
• (2) 압력분포 ... 87
• (3) 속도분포 ... 89
• 나. 압력 손실 모델링 ... 91
• (1) 난류유동에 의한 압력 손실 ... 92
• (2) 급격한 방향전환에 의한 압력손실 ... 93
• (3) 유로단면적의 급격한 변화에 의한 압력손실 ... 95
• 다. 냉각채널 평면 모델의 수치해석과 모델링 결론 ... 97
• 5. 냉각채널 형상에 따른 차압변화 ... 98
• 6. 냉각채널 형상 결정 ... 100
• 가. 버전별 차압 ... 102
• 나. 버전 별 온도 분포 ... 103
• 다. 버전 별 분석 ... 105
• 라. 예연소기 연소 특성 ... 106
• 마. 분리형 예연소기 냉각채널 수류 시험 ... 110
• (1) 시험 조건과 시험 방법 ... 111
• (2) 시험 결과 ... 114
• (3) 결과분석 ... 121
• 제4절 예연소기 구조 해석 및 시편 시험 ... 123
• 1. 구조 해석 및 시험 ... 123
• 가. 시편 구조 해석 및 시험 ... 123
• (1) 헤드 강도 시편 ... 124
• (2) 연소실부 강도 시편 ... 127
• 나. 연소실 구조 해석 ... 131
• (1) 연소실 구조 해석 개요 ... 131
• (2) 1차 연소 구간 해석 ... 132
• (3) 2차 연소 구간 해석 ... 134
• 다. 개발 강도 시험 및 해석 ... 137
• (1) 헤드 ... 137
• (2) 연소실 내/외피 조립체 ... 138
• (3) 연소실 내/외피 플랜지 조립체 ... 139
• (4) 헤드 연소실 조립체 ... 142
• 라. 연소실 외피 소재 변경 검토 ... 146
• (1) XM-19와 316L의 비교 검토 ... 146
• (2) 인장 시험 및 브레이징 접합부 검토 ... 147
• 2. 내산화성 시험 ... 152
• 가. 목적 ... 152
• 나. 시험기구 ... 152
• 다. 시험방법 ... 153
• 라. 시험결과 ... 154
• 제5절 분사기 설계 및 제작 ... 155
• 1. 단일 스월 분사기 ... 155
• 가. 개요 ... 155
• 나. 분사기 설계 ... 156
• 다. 설계 적용 및 수류시험 ... 160
• 2. 이상유체 분사기 ... 163
• 가. 개요 ... 163
• 나. 이상유체 분사기 TM-00 ... 165
• 다. 이상유체 분사기 TM-01 ... 169
• 라. 이상유체 분사기 TM-00-B ... 171
• 마. 이상유체 분사기 TM-02 ... 174
• (1) 시험 장비 구성 ... 175
• (2) 리세스가 없을 경우의 분무각도 측정 ... 178
• (3) 노즐 끝에서 액막이 분열되는 운동량비 찾기 ... 178
• (4) 운동량비에 따른 분무각도 ... 181
• (5) 운동량비에 따른 파열길이 ... 187
• 제6절 액체로켓엔진 제어기술 연구 ... 192
• 1. 추력제어밸브 및 제어기 ... 192
• 가. 추력제어밸브 ... 192
• 나. 제어밸브 제어기 (FCVC : Flow Control Valve Controller) ... 193
• 다. 추력제어 모사 시스템 모델링 및 해석 ... 193
• (1) 개요 ... 193
• (2) 추력제어 모사 시스템 모델 ... 194
• (3) 추력제어 알고리즘 설계 ... 196
• 라. 추력제어 모사 시스템 실험 및 분석 ... 197
• (1) 개요 ... 197
• (2) 추력제어밸브(TCV) 입구 압력 변경 시험 ... 197
• (3) 실험 결과와 해석 결과 비교 ... 199
• 2. 압력보상식 추력제어 밸브 개발 ... 200
• 가. 압력보상식 추력제어밸브 기본 설계 ... 200
• 나. 수학적 모델링 및 이론분석 ... 200
• (1) 수학적 모델링 ... 200
• (2) 이론적 분석 ... 202
• 다. 시스템 해석 ... 203
• 라. 해석 및 실험결과 비교 분석 ... 204
• 제4장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 209
• 제1절 연구개발 목표 달성도 ... 209
• 제2절 대외기여도 ... 210
• 제5장 연구개발 결과의 활용계획 ... 211
• 제1절 추가연구의 필요성 ... 211
• 제2절 활용계획 ... 211
• 제6장 참고문헌 ... 212