초록 ▼

III. 연구개발의 내용 및 범위
다단연소 사이클 액체엔진 성능향상 기술연구는 2010년부터 2012년까지 총 3년간 진행이 될 예정이며 현재까지 2년간의 연구가 수행되었다. 연구 목표를 다단연소 사이클 액체엔진의 핵심기술을 분류하고 확보하는 것으로 설정하고 다단연소 사이클의 기초 시스템 연구가 우선 실시되었다. 이 결과에 따라 가스발생기 사이클과 비교하여 가장 두드러진 특징을 보이고 있는 산화제 과잉연소에 대한 연구와 추력 및 압력보상 유량 제어연구를 선정하였다. 산화제 과잉 연소 연구의 내용으로는 연소압 약 200 bar

III. 연구개발의 내용 및 범위
다단연소 사이클 액체엔진 성능향상 기술연구는 2010년부터 2012년까지 총 3년간 진행이 될 예정이며 현재까지 2년간의 연구가 수행되었다. 연구 목표를 다단연소 사이클 액체엔진의 핵심기술을 분류하고 확보하는 것으로 설정하고 다단연소 사이클의 기초 시스템 연구가 우선 실시되었다. 이 결과에 따라 가스발생기 사이클과 비교하여 가장 두드러진 특징을 보이고 있는 산화제 과잉연소에 대한 연구와 추력 및 압력보상 유량 제어연구를 선정하였다. 산화제 과잉 연소 연구의 내용으로는 연소압 약 200 bar O/F 60의 예연소기 연소시험, 기체-액체, 2상 분사기 기초시험 및 데이터 확보 등을 수행하였다. 제어 연구로서는 우크라이나의 Yuzhnoye SDO와 국제협력을 수행하고 이와 병행하여 추력제어밸브의 수학적 모델링과 기본설계 제어알고리즘 등을 개발하였다.
보다 구체적으로 2011년 연구 개발은 다음과 같은 업무 범위와 목적을 갖는다.
- 2010년 수행된 예연소기 설계와 기초해석을 바탕으로 분리형 예연소기 예연소기의 수류시험 및 연소 시험
- 연소시험을 통한 안정적 시동절차 확립 및 연소안정성 확인
- 예연소기에 발생된 고온 산소 사용가능한 기체-액체 이상유체 분사기 설계 및 수류시험
- 압력보상식 추력제어밸브 제작 및 수학적 모델링 및 해석을 통한 시험
- 추력 및 혼합비 제어 알고리즘 설계 기술(해외협력 포함) 연구를 수행

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 scheduled for 3 years from 2010 to 2012. The main objectives are the classification and secure of the core technologies of the sta

III. Contents and Scope of the Research
The research project, 'Technology Research on the Performance Enhancement of Stage Combustion Cycle Liquid Rocket Engines' was scheduled 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, a fundamental system research on the stage combustion cycle was performed. As a result, oxygen rich combustion, thrust control and flow regulation were selected. In the year of 2010, 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. In 2011, preburners with 60 bar of the combustion pressure and O/F 60 were built and tested. The tests composed of hydraulic, the hot fire and other minor tests. The researches on the control included international cooeration and manufacture and tests of the control valve.
More specifically the research objectives of year 2011 are shown in the follows - Head-chamber separable preburner models were manufactured and tested.
- A starting sequence was established and stable combustions were confirmed.
- Liquid-gas, two phase injectors were designed and tested.
- A pressure compensating type thrust control valve was manufactured and tested based on the mathematical model and analysis.
- International cooperation was performed to study the thrust and/or O/F ratio control algorithm and controller design technologies.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 3
• SUMMARY ... 10
• Contents ... 18
• 차례 ... 21
• 표 차례 ... 24
• 그림 차례 ... 25
• 제 1 장 서론 ... 29
• 제 1 절 연구개발의 목적 및 필요성 ... 29
• 제 2 절 연구개발의 내용 및 범위 ... 31
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 32
• 제 1 절 국외 기술개발 현황 ... 32
• 1. 세계적 기술발전 단계 현황 ... 32
• 2. 20년 후 선진국의 기술 발전 미래 전망 ... 32
• 가. 미래 기술발전 방향 및 중점 연구개발 분야 ... 32
• 나. 미래 선진국 기술발전 단계 ... 32
• 다. 미래 연구개발/기술혁신 주도 예상 국가 및 기관/기업 ... 33
• 제 2 절 국내 기술개발 현황 ... 34
• 1. 국내 기술 도입 및 발전 과정 ... 34
• 2. 국내 기술학습 단계 현황 ... 34
• 3. 현재까지 기술발전 방향 ... 34
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 35
• 제 1 절 산화제 과잉 예연소기 헤드 및 연소실 설계/제작 및 기초시험 ... 35
• 4. 예연소기 냉각채널과 연소실 열유동해석 ... 35
• 가. 예연소기 연소실 열 유동 해석: TM01-v2 ... 41
• 나. 예연소기 연소실 열 유동 해석: TM03-v1 ... 42
• 다. 예연소기 연소실 열 유동 해석: TM03-v3 ... 44
• 라. 예연소기 연소실 열 유동 해석: TM03-v4 ... 44
• 마. 예연소기 연소실 열 유동 해석: TM03-v5 ... 45
• 바. 예연소기 냉각채널과 연소실의 열 유동 해석 결과 ... 46
• 5. 분사홀 변경 검토 ... 49
• 6. 물 냉각 노즐 설계 검토 ... 51
• 가. 210 bar 연소 정상 상태에서 노즐 부분의 가스 온도 해석 ... 51
• 나. 위험한 상황 가정 ... 53
• 다. 물 냉각 노즐 설계 해석 ... 54
• 7. 예연소기 강도 및 기밀 시험 ... 58
• 8. Jet-A와 TEAL 연소 비교 ... 59
• 가. 서론 ... 59
• 나. TEAL 연소 ... 59
• (1) TEAL 특성 ... 59
• (2) TEAL 연소 ... 61
• 다. Jet-A 연소 ... 62
• (1) Jet-A 특성 ... 62
• (2) Jet-A 연소 ... 63
• 라. 결론 ... 64
• 9. 다단연소사이클 엔진과 가스발생기 사이클 엔진이 환경에 미치는 영향 비교 ... 64
• 가. 서론 ... 64
• 나. 8톤급 액체로켓엔진 ... 64
• 다. O/F ratio와 배출가스 ... 65
• 라. 가스발생기 사이클 엔진과 다단연소 사이클 엔진 배출 연소화합물 비교 ... 66
• 마. 결론 ... 69
• 제 2 절 내산화 예연소기 제작 공법 개발 ... 70
• 10.분리형 예연소기 제작 ... 70
• 11.산화제 분사기 접합 ... 70
• 12.연소실 중앙 LOx 분사공 직경 ... 71
• 13.연소실부 내피와 난류링의 접합 ... 72
• 제 3 절 산화제 과잉 연소성능 시험 검증 기술 ... 74
• 14.시험설비 ... 74
• 15.수류시험 ... 76
• 16.연소시험 ... 79
• 가. TM01 (혼합헤드 1호기) ... 80
• 나. TM02 (분리형 혼합헤드 2호기) ... 90
• 다. TM03 (분리형 혼합헤드 3호기) ... 94
• 라. TM04 (분리형 혼합헤드 4호기) ... 112
• 제 4 절 기체/액체 이상유체 분사기 기술개발 ... 116
• 17.시험 방법 ... 116
• 가. 상압수류시험 ... 116
• 나. 이미지 프로세싱 기법 ... 117
• 다. 광학 프로브 ... 118
• 라. 내부 유동 가시화 ... 119
• 18.시험 결과 및 토의 ... 120
• 가. 분무각 측정을 통한 분무특성 시험 ... 120
• 나. 광학 프로브를 이용한 분무특성 시험 ... 123
• 다. 내부 유동 가시화 ... 127
• 19.연구 내용 결과 정리 ... 129
• 제 5 절 압력보상식 추력제어밸브 제작 ... 130
• 20.기술검증 1차 시제(TM1) 개발 결과 ... 130
• 21. 기술검증 2차 시제(TM2) 설계 ... 133
• 제 6 절 추력제어 알고리즘 개발 ... 135
• 22.개요 ... 135
• 23.제어밸브 제어 S/W 개발 ... 135
• 가. Host sub S/W ... 136
• (1) 제어밸브 위치 자동제어 모드 ... 136
• (2) 제어밸브 위치 수동제어 모드 ... 136
• (3) 제어밸브 위치 제한 ... 136
• (4) 추력제어 모드 ... 136
• (5) 혼합비제어 모드 ... 137
• (6) 센서 설정 모드 ... 138
• 나. FPGA sub S/W ... 138
• 다. RT sub S/W ... 139
• 라. 향후 계획 ... 140
• 24.해외협력 ... 140
• 가. RD-8 엔진의 추력제어시스템 구성 ... 140
• (1) 압력 센서(PT) ... 141
• (2) 추력제어밸브(TR, EA) ... 142
• 나. RD-8 엔진의 추력제어 알고리즘 ... 144
• 다. 향후 계획 ... 144
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ... 145
• 제 1 절 연구개발 목표 달성도 ... 145
• 제 2 절 대외 기여도 ... 146
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용 계획 ... 147
• 제 1 절 추가연구의 필요성 ... 147
• 제 2 절 활용계획 ... 147
• 제 6 장 참고문헌 ... 148