초록 ▼

□ 연구개발 목표 및 내용
• 최종 목표
본 연구과제의 최종목표는 우주추진 액체로켓의 장기작동을 위한 막냉각의 해석모델을 확립하는 것이다. 액체 막냉각은 대류 및 복사 열전달 뿐 아니라 난류 유동, 연소 현상 등 고도로 복잡한 현상들이 복합적으로 영향을 미치므로 엄밀한 해를 구하는 것이 불가능하다. 과거에 제시되었던 모델들은 주로 대류 및 복사 열전달에 의해 증발하는 냉각제의 손실량을 계산하여 액체 막냉각 길이를 예측하였으나 냉각제의 열분해 및 연소 현상을 반영하지 못하여 액체로켓 설계에 적용될 수 있을 정도의 정확도를

□ 연구개발 목표 및 내용
• 최종 목표
본 연구과제의 최종목표는 우주추진 액체로켓의 장기작동을 위한 막냉각의 해석모델을 확립하는 것이다. 액체 막냉각은 대류 및 복사 열전달 뿐 아니라 난류 유동, 연소 현상 등 고도로 복잡한 현상들이 복합적으로 영향을 미치므로 엄밀한 해를 구하는 것이 불가능하다. 과거에 제시되었던 모델들은 주로 대류 및 복사 열전달에 의해 증발하는 냉각제의 손실량을 계산하여 액체 막냉각 길이를 예측하였으나 냉각제의 열분해 및 연소 현상을 반영하지 못하여 액체로켓 설계에 적용될 수 있을 정도의 정확도를 확보하지 못했다. 이에 본 연구에서는 냉각제의 연소특성을 추가적으로 고려하여 정확도가 향상된 액체 막냉각 예측 모델을 확립하고자 한다.
• 전체 내용
우주추진 액체로켓의 냉각제로 쓰이는 추진제의 경우 급격한 열분해로 인한 decomposition flame과 연소로 인한 bipropellant flame의 이중화염구조를 갖는다고 알려져 있다. 이러한 연소특성은 하이브리드 연소라 하며 막냉각 해석모델에 적용 시 냉각제의 열분해와 연소 등을 동시에 고려할 수 있다. 막냉각 해석모델 확립을 위한 연차별 연구내용은 다음과 같다.
- 1차년도
막냉각 해석모델을 위한 기초조사 및 분석을 수행하고 입력 변수로 활용될 냉각제 및 연소가스의 물성치를 확보한다. 또한 액체로켓 막냉각해석모델의 지배방정식 등을 도출한다.
- 2차년도
액체로켓 막냉각 해석모델을 확립한다. 이 때, 하이브리드 연소모델의 Arrhenius equation 중 Pre-exponential factor는 연소실험을 통해 결정하고, 추가적인 실험을 통해 모델을 검증한다.
- 3차년도
Pre-exponential factor는 액체로켓의 작동 조건 및 설계 조건에 따라 변하므로, 영향을 미치는 변수를 도출하고 연소실험을 통해 변수와 pre-exponential factor와의 관계를 도출한다. 이를 통해 임의의 연소실 환경 및 액체로켓 작동 조건에서의 막냉각 거동을 예측할 수 있다.

□ 연구개발성과
추진제 반응성을 고려한 액체로켓 막냉각 해석모델 확립
이원추진제 추력기 연소실험을 통한 액체로켓 막냉각 해석모델 검증
연소실험을 통해 막냉각 해석모델 계산에 필요한 반응상수 도출

□ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
우리나라 우주개발 중장기 계획에 따르면 2020년 달 궤도선, 2030년 달 착륙선, 2035년 소행선 탐사선 등의 우주임무가 예정되어 있다. 이 때 우주추진 액체로켓은 궤도 수정 및 착륙 등의 임무를 수행하기 위해서 필수적이며, 특히 장기작동을 위한 냉각 기술이 확보되어야 한다. 하지만 냉각 기술의 경우 해외로부터의 기술도입이 불가능하므로 자력 기술 확보가 시급하다. 본 연구를 통해 확보된 막냉각 해석모델은 향후 우주추진 액체로켓 개발의 핵심 자력기술이 될 것이라 판단되며, 나아가 추진시스템의 핵심 구성요소인 연소기 최적설계를 위한 해석모델의 일부로도 활용될 수 있다. 또한, 우주추진 액체로켓 설계는 전통적으로 실험적 접근방법에 크게 의존해 왔다. 실험적 접근방법은 정확도는 높으나 막대한 비용과 시간이 소모된다는 단점이 있다. 따라서 본 연구를 통해 확보된 높은 정확도의 막냉각 해석모델을 활용하여 탐사용 우주선 엔진으로 이용되는 액체로켓 엔진 개발을 단축시킬 수 있을 것으로 기대한다. 이와 더불어 본 연구를 통해 기존에 발표된 열전달 기반 막냉각 해석모델에 비해 향상된 정확도의 해석 모델을 확립하였으므로, 설계 과정을 확립할 수 있을 것으로 판단한다.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 19
• 1) 연구수행 결과 ... 19
• 2) 연구목표 달성 정도 ... 22
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 23
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 23
• 6. 참고문헌 ... 24
• 끝페이지 ... 24