초록 ▼

□ 연구개발 목표
액체추진로켓엔진은 추진력을 얻고자 가스 발생기의 고온 가스를 통해 구동되며 고압의 액체 연료와 산화제를 주연소기에 공급하는 터보펌프를 주로 사용한다. 이러한 터보펌프식 엔진 시스템과 비교하여, 가스 발생기와 터빈 조립체를 전기모터로 대체한 전기펌프식 엔진 시스템은 발사체 엔진 구조를 단순화 할 수 있을 뿐 아니라 발사체의 중량을 줄이고 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 장점을 가진다. 따라서 본 과제에서는 기존 상단 액체로켓엔진에 적용되는 터보펌프 시스템을 전기펌프 시스템으로 대체하기 위하여 모터-회전체-베어링

□ 연구개발 목표
액체추진로켓엔진은 추진력을 얻고자 가스 발생기의 고온 가스를 통해 구동되며 고압의 액체 연료와 산화제를 주연소기에 공급하는 터보펌프를 주로 사용한다. 이러한 터보펌프식 엔진 시스템과 비교하여, 가스 발생기와 터빈 조립체를 전기모터로 대체한 전기펌프식 엔진 시스템은 발사체 엔진 구조를 단순화 할 수 있을 뿐 아니라 발사체의 중량을 줄이고 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 장점을 가진다. 따라서 본 과제에서는 기존 상단 액체로켓엔진에 적용되는 터보펌프 시스템을 전기펌프 시스템으로 대체하기 위하여 모터-회전체-베어링-실 시스템의 설계, 성능 평가, 상태 감시 기술을 개발하였으며 우주발사체 액체로켓엔진에 전기펌프 회전체-베어링 시스템을 적용할 수 있는 독자적인 기술을 확보하고자 한다.

□ 연구개발 내용
본 연구를 통해 우주발사체 액체추진로켓엔진의 핵심요소인 극저온 펌프를 전기모터에 의해 구동시키고자 전기펌프의 회전축 시스템 즉, 모터-회전체-베어링-실을 모두 고려한 핵심요소부품의 설계 기술을 개발하였으며 이를 기반으로 제작한 실험장치를 활용하여 그 성능을 평가하였다. 더 나아가 전기펌프의 구동 과정에서 실시간 상태 감시 및 결함 진단을 통해 작동 중 발생 가능한 문제를 방지할 수 있는 기술 또한 개발하였다. 먼저, 기존 문헌을 통해 터보펌프와 전기펌프의 성능과 특성을 분석하였으며 이를 기반으로 전기펌프의 전기모터 일체형 모터-회전체-베어링-실 시스템의 설계와 해석을 수행하였다. 특히, 극저온 전기펌프에 적용 가능한 모터의 종류별 성능과 구조적 특성을 분석하여 극한의 환경에서 구동 가능하며 우주발사체 액체로켓엔진 전기펌프에 적용하기 가장 적합한 모터와 회전축의 형태를 선정하는 연구를 진행하였다. 또한, 산화제펌프와 연료펌프가 하나의 축으로 구동되는 단일모터 시스템과 두 개의 모터로 산화제펌프와 연료펌프를 각각 구동하는 듀얼모터 시스템의 성능과 효율에 대한 연구도 병행하여 진행하였다. 또한 현재 개발 중인 한국형발사체에 그대로 적용이 가능하도록 모터-회전체-베어링-실 시스템을 설계하였으며 시스템의 구조해석과 베어링 및 실의 검증된 동적 계수를 바탕으로 한 동특성 해석을 수행하였다. 전기펌프 회전축-베어링 시스템의 안정성을 확보하고자 회전축의 구조 강성과 불균형 질량 응답 특성에 따른 회전축의 거동을 예측하여 불안정성을 회피하는 설계기술을 확립하였다. 이를 토대로 상단 액체로켓엔진용 전기펌프에 적용되는 모터-회전체-베어링-실 시스템을 제작하여 회전체동역학적 성능 평가를 진행하였다. 이 과정에서 축 변위, 하우징 진동, 각 요소 부품에서 발생하는 유체압력 그리고 온도 등을 측정할 수 있도록 시스템을 구성하였으며 실제 운전 중 시스템의 실시간 상태를 감시하며 진단할 수 있는 기술을 제안하고 검증하였다. 특히, 전기펌프 회전체-베어링 시스템에서 발생할 수 있는 축 방향 하중 특성과 이를 실시간으로 감시하여 결함을 진단할 수 있는 연구 또한 수행하여 실제 전기펌프 시스템에 모터-회전체-베어링-실 시스템이 적용될 수 있는 기술을 개발하였다.

□ 활용계획 및 기대효과(응용분야 및 활용범위 포함)
본 연구의 결과로 개발된 설계 및 상태 진단 기술을 통해 극한의 환경에서 작동하는 전기펌프 모터-회전체-베어링-실 시스템의 신뢰성 및 내구성을 확보할 수 있다. 이는 향후 계획되어 있는 우주발사체의 개발기간과 제작비용 큰 수준으로 낮출 수 있으며 시간적, 경제적 이익을 창출할 수 있을 것으로 기대한다. 또한 이전에 연구가 부족한 액체로켓엔진 전기펌프 시스템 관련 분야에서 국내 자체적인 기술을 확보하여 전 세계적으로 경쟁력을 갖출 수 있다. 추가적으로 항공우주 분야 이외의 극저온, 고속, 고진동과 같은 극한의 환경에서 작동하는 유체기계 개발에 본 연구 성과가 응용되어 국내 제조 산업의 품질 향상에 이바지할 것으로 기대된다

(출처 : 요약문 3p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발 목표 및 평가항목별 성과 ... 6
• 1-1. 연구개발 목표 ... 6
• 1-2. 평가항목별 성과 ... 7
• 1-3. 목표 미달 시 원인 분석 ... 8
• 1-4. (해당 시) 연구개발 목표 및 주요내용 변경사항 ... 8
• 1-5. 선정/단계/연차점검의견 ... 9
• 2. 추진내용 및 연구개발결과 ... 11
• 2-1. 추진내용 및 연구개발결과 ... 11
• 2-2. 추진 일정 실적 ... 42
• 2-3. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여정도 ... 45
• 2-4. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 46
• 2-5. 계획하지 않은 성과 및 관련 분야 기여사항 ... 47
• 3. 당초 연구계획 대비 주요 변경사항 ... 49
• 끝페이지 ... 50