초록 ▼

- 1차년도 초임계 고압분무의 거시적 특성 연구를 수행함
◦ 축소형 기체중심 스월 분사기 설계/제작 및 초임계 조건에서 분무 상사조건 연구
◦ 임계상태에 따른 모사추진제 분무의 거시적 특성 연구
- 2차년도 초임계연소시험을 위한 설비구축 및 예비연소시험을 수행함
◦ 기체산소/케로신를 사용하여 최고 압력 60bar, 최대 산화제 유량 500 g/s, 연료 유량 200 g/s 공급 시스템 설계 및 제작
◦ 점화 시퀀스 튜닝 및 예비연소시험을 통한 연소성능 및 안정성 평가를 수행함
- 3차년도 연소

- 1차년도 초임계 고압분무의 거시적 특성 연구를 수행함
◦ 축소형 기체중심 스월 분사기 설계/제작 및 초임계 조건에서 분무 상사조건 연구
◦ 임계상태에 따른 모사추진제 분무의 거시적 특성 연구
- 2차년도 초임계연소시험을 위한 설비구축 및 예비연소시험을 수행함
◦ 기체산소/케로신를 사용하여 최고 압력 60bar, 최대 산화제 유량 500 g/s, 연료 유량 200 g/s 공급 시스템 설계 및 제작
◦ 점화 시퀀스 튜닝 및 예비연소시험을 통한 연소성능 및 안정성 평가를 수행함
- 3차년도 연소진단기법을 이용한 초임계 기체산소-케로신 추진제 점화연구를 수행함
◦ OH 자발광 가시화기법 및 PMT를 이용한 연소진단기법 검토 및 설비구축
◦ 화염 가시화데이터의 이미지 프로세싱을 통한 화염구조 판별기법 연구
- 4차년도 연소진단기법을 이용한 초임계 기체산소-케로신 추진제 연소연구를 수행함
◦ 연소반응 경계층에서의 분열 거동 분석을 통해 임계압력에 따른 화염구조 연구
◦ 초임계 기체산소-케로신 연소의 분사기 인접부에서의 화염 anchoring 구조 연구
- 5차년도 분무조건, 형상인자에 따른 초임계 연소 및 성능연구를 수행함
◦ 초임계 연소가시화 시험을 통해 기체산소-케로신 화염구조 연구
◦ 추진제 온도에 따라 추진제 분무 중심 길이 및 에너지 방출 섭동의 연소특성 연구


(출처 : 보고서 요약서 3P)

Abstract ▼

I. Purpose
◉ Necessity of research on combustion characteristics of gas-liquid propellant for establishment of technology for a high-performance liquid rocket engine
▸ A main combustor of the liquid rocket engine operates in high pressure condition to generate high thrust, and oxygen excessiv

I. Purpose
◉ Necessity of research on combustion characteristics of gas-liquid propellant for establishment of technology for a high-performance liquid rocket engine
▸ A main combustor of the liquid rocket engine operates in high pressure condition to generate high thrust, and oxygen excessive gas (gaseous)from a preburner and kerosene (liquid) burned in a supercritical condition.
▸ A research of supercritical combustion of gaseous oxygen and liquid kerosene is required to develop the oxidizer rich liquid rocket engine witha staged combustion cycle and these researches have been studied in many countries
▸ It is very rare that the experimental visualization of supercritical flame using gaseous oxygen-kerosene

II. Contents
[1st year]
▸ Design and manufacture of subscale injector and visualization test under high-pressure injection condition for supercritical injection condition
▸ Spray visualization experiment under subcritical to supercritical conditions using subscale injector
▸ Study on critical parameters such as critical state, propellant spray, and temperature of mixture

[2nd year]
▸ Design and production of propellant supply and data acquisition systems
▸ Design and production of visualization combustor to detect flow field
▸ Experiment was conducted to visualize the transient behavior of reactive flow field during ignition sequence tuning and ignition

[3rd year]
▸ Research on combustion diagnosis technique using shadowgraph and OH* chemiluminescence visualization technique
▸ Reserach on combustion diagnosis technique using spectrometer and PMT
▸ Discrimination technique study using image processing from flame visualization data
▸ Ignition characteristics and flame structure development during transition

[4th year]
▸Spray/flame structures/behavior under various thermodynamic conditions
▸Flame anchoring at near-injector region in steady state

[5th year]
▸ A research on flame structure by injection conditions and shape factor
▸ A research on performance coefficient by injection conditions and shape factor
▸ Combustion performance by propellant temperature

Results
[1st year]
▸ Design and production of gas-centered swirl and shear coaxial injector
▸ Design and production of high-pressure injection systems considered pressure increasing and cryogenic propellant inflow
[2nd year]
▸ Propellant supply system for design mass flow rate, 500 g/s (oxidizer), 200 g/s (fuel), and combustion chamber pressure, 60 bar
▸ Study of Ignition sequence tuning using subscale combustor and flame visualization during ignition transition
▸ Established method of heat loss prevention of projection window for confinement by high-temperature combustion gas.
[3rd year]
▸ Diagnosis technique of flame structure from the shadowgraph technique and OH* chemiluminescence visualization
▸ Confirmed unstable spray with low frequency from shear stress which has high injection velocity of gas and high density of fuel jet
▸ Qualitative analysis for flame development during ignition transition with reactive flow field visualization
[4th year]
▸ Confirmed the effect of local diffusion mixing increases with the instability of boundary layer in fuel jet fragmentation and mixing process with increasing combustion pressure
▸ Observed the localized fuel rich region occurs periodically due to the interaction and superposition between the reaction front layer and the dense gas oxygen-burn gas superstructure at the reaction boundary layer
▸ Confirmed the tendency that the interaction between kerosene and gas-oxygen jet in shear boundary layer from the tip of the injector to the downstream of spray increases as the combustion pressure increases
▸ Presence of another boundary layer inside the gas jet due to temperature, species concentration, density gradient in the vicinity of the injector
[5th year]
▸ Confirmed effect of unstable spray on flame under supercritical condition
▸ Characteristic velocity affected by propellant mass flow rate under constant momentum flux ration condition
▸ Spray core length decreased as fuel temperature increased, and fluctuation of energy emission increased as fuel temperature increased

Future Plan of Research and Development Results
▸ The result is helpful to design injector and combustor based on combustion characteristics of gas-liquid propellants in a supercritical condition developing a high-performance liquid rocket engine with staged combustion cycle
▸ The result can be used as fundamental data of combustion performance and characteristics due to various propellant temperatures, spray characteristic parameters and injector geometries
▸ It is possible to apply visualization and diagnostic techniques for high-pressure combustion to development of main combustor for a stagedcombustion cycle engine

(출처 : SUMMARY 7P)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• S U M M A R Y ... 7
• 목차 ... 9
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 11
• 가. 연구개발의 목표 ... 11
• 나. 연구개발의 필요성 ... 11
• 2. 연구수행내용 및 성과 ... 13
• 가. 1차년도(2012) 연구결과 요약 ... 16
• (1) 초임계 상태 기체-액체 분무 관련 문헌 및 기술자료 조사 ... 16
• (2) 초임계 조건에서의 분무 상사조건 연구 ... 17
• (3) 초임계 조건에서의 분무 시험용 축소형 분사기 및 고압 분무 가시화 실험 시스템의 설계및 제작 ... 19
• (4) 전단 동축형 분사기에서 단일 액체 추진제의 아임계-초임계 분무 가시화 시험 ... 22
• (5) 전단 동축형 분사기를 이용한 기체-액체 추진제의 아임계-초임계 분무 가시화 실험 ... 28
• (6) 기체중심 스월 분사기를 이용한 기체-액체 추진제의 아임계-초임계 분무 가시화 실험 ... 31
• 나. 2차년도(2013) 연구결과 요약 ... 34
• (1) 축소형 추진제 공급 및 계측 시스템의 설계 및 제작 ... 34
• (2) 설계유량 추진제 공급 및 계측 시스템의 설계 ... 36
• (3) 축소형 연소유동장 가시화 연소기의 설계 및 제작 ... 38
• (4) 설계유량 연소유동장 가시화 연소기의 설계 및 제작 ... 38
• (5) 점화 시퀀스 튜닝 및 예비실험 ... 40
• (6) 연소 유동장 가시화 실험 안정성 평가 ... 42
• (7) 점화 시 연소유동장의 과도 거동 가시화 실험 ... 42
• 다. 3차년도(2014) 연구결과 ... 44
• (1) Shadowgraph 및 OH* 자발광 가시화 기법을 이용한 거시적 연소진단기법 연구 ... 44
• (2) 분광기(spectrometer) 및 PMT(Photomultiplier tube)를 이용한 정량적 연소진단기법 연구 ... 65
• (3) 화염 가시화데이터의 이미지 프로세싱을 통한 화염구조 판별기법 연구 ... 70
• (4) 기체산소-케로신 추진제의 점화특성 및 점화 시 임계조건 천이에 따른 화염구조 발달 연구 ... 75
• 라. 4차년도(2015) 연구결과 ... 82
• (1) 초임계 가시화 연소 실험 시스템 보완 ... 82
• (2) 연소조건에 따른 연소 유동장 구조 연구 ... 87
• (3) 연소조건에 따른 화염 구조 연구 ... 106
• (4) 초임계 기체산소-케로신 연소의 분사기 인접부에서의 고정 화염구조 연구 ... 115
• 마. 5차년도(2016) 연구결과 ... 117
• (1) 고온, 고압의 연소 시험을 위한 실험 장치의 보완 ... 117
• (2) 분무조건 및 형상인자에 따른 기체산소-케로신 화염구조 연구 ... 121
• (3) 분사기 및 연소기 형상인자에 따른 성능계수 변화 연구 ... 123
• (4) 추진제 온도에 따른 연소특성 연구 ... 127
• 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 140
• 3-1. 목표 ... 140
• 가. 연구개발의 최종목표 ... 140
• 나. 연차별 연구개발 목표 및 내용 ... 141
• 3-2. 목표 달성여부 ... 142
• 3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 144
• 4. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 145
• 가. 연구개발결과의 활용방안 ... 145
• 나. 기대성과 ... 145
• (1) 학술적 기대성과 ... 145
• (2) 경제적 기대성과 ... 145
• (3) 산업적 기대성과 ... 145
• 붙임. 참고문헌 ... 146
• 끝페이지 ... 148