Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers ISSN:1226-6027(Print) 2288-4548(Online) 한국추진공학회지

액체연료를 사용하는 공기 흡입 추진 시스템의 연소 효율은 연료 분무화 및 연료-공기 혼합 특성에 많은 영향을 받는다. 초음속 횡단류에서 액체 제트는 난류강도, 혼합조건, 기하학적 특성과 같은 물리적 매개변수와 상관된 연료 분무 및 혼합특성을 향상시키는데 효과적이다. 본 연구에서는 초음속 횡단유동에서 액체 제트의 분열 및 혼합 과정을 수치 해석적으로 정밀모사하였다. 균질 혼합 모델, NASG 상태 방정식, 적응형 격자 기법, 그리고 유체-입자 변환 기법을 적용하였다. 마하수 2.0의 초음속 횡단유동에서 액체 제트의 1차 및 2차 분열 과정을 실험결과와 비교 분석하였으며, 본 연구에서 제시하는 수치 기법의 타당성을 확인하였다.

액체 로켓엔진의 구성품인 터보펌프는 실추진제 환경에서 시험을 통해 성능을 검증된다. 본 연구는 성능이 개량된 시험설비에서 상단 엔진에 사용될 터보펌프의 첫 기술개발모델(TDM)을 대상으로 상온 공기를 터빈 구동 가스로 사용한 저회전수 시험을 분석하였다. 그 결과, 회전수는 설계회전수의 65%에 도달했고, 터보펌프의 성능이 예상 범위 내에서 정상적으로 작동하는 것을 확인하였다. 또한, TDM 시험조건에서 사용하는 추진제 오리피스의 유량계수를 도출할 수 있었다. 향후, 본 연구를 바탕으로 다단 연소 사이클 방식의 액체 로켓엔진용 터보펌프의 개발시험에 활용할 계획이다.

본 연구에서는 CFD 해석과 1D 네트워크 모델링 기법을 활용하여 단일버너 연소 시험리그를 대상으로 수소 혼소율과 출력 변화가 연소불안정에 미치는 영향을 분석하였다. CFD 해석을 통해 화염으로부터 time delay와 time delay distribution을 도출한 후, 이를 네트워크 모델에 적용하여 수소 혼소율 및 출력 변화에 따른 연소불안정 특성을 분석하였다. 분석 결과, 주요 모델링 특성이 실험 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 이를 통해 수소 혼소율과 출력의 증가는 time delay와 time delay distribution에 큰 영향을 미치며, 이러한 변화가 연소불안정 특성을 변화시키는 주요 원인임을 확인하였다.

본 연구에서는 재생냉각 채널을 가지는 케로신 연료 직렬 공동형 직접 연결식 초음속 연소기에서 분사기 형상에 따른 연소 특성 확인을 위한 실험 연구를 수행하였다. 전기식 및 연소식 공기 가열기를 함께 사용하여 마하수 2.0의 고 엔탈피 유동이 공급되게 하였다. 분사구 면적 및 개수가 조절된, 동일한 유량을 가진 총 4가지의 분사구 형상이 활용되었다. 각 분사구 형상의 화염 안정화 및 연소 성능을 벽면 정압력 분포, 비연료 소모율, 연료의 가열량을 이용한 정량적 분석 및 화염 가시화 사진을 통한 정성적 분석으로 분류하였다. 보다 높은 연료 유량 조건에서 안정적 화염유지를 위하여, 열 교환 면적 증가 및 냉각 채널의 변화가 필요함을 알 수 있었다.

본 연구는 Pre-detonator에서 연료(C₂H₂, CH₄)에 따른 데토네이션파 특성을 실험적으로 분석하였다. O₂ 산화제, 당량비 0.6~1.6 조건에서 슐리렌, 동압, 초고속 카메라를 활용해 DDT 및 파 발달을 관찰하였다. C₂H₂는 DDT 직후 완전 발달하였고, CH₄는 당량비 증가에 따라 발달 길이가 감소하였다. 본 연구는 연료 특성에 따른 DDT 경향을 확인하고 설계 최적화에 기초 데이터를 제공하고자 한다.

마찰교반용접(Friction Stir Welding, FSW)은 1990년대 초 영국 TWI(The Welding Institute)에서 개발된 고상 접합 기술로, 기존 용접과 달리 재료를 용융시키지 않고 고상 상태에서 결합한다. 이 기술은 열 변형과 결함을 최소화하며, 용접부의 강도와 내구성을 높이는 장점을 가진다. 또한, 기존 용접 방식과 달리 작업자의 숙련도에 의존하지 않고, 치공구의 정밀성과 용접 조건의 안정성에 의해 품질이 결정되므로 동일한 품질의 대량 생산이 가능하다. 본 연구는 스페이스 파이오니어 프로젝트의 일환으로 공통 격벽 추진제 탱크 개발을 목표로 하고 있다. FSW 공정에 필요한 고정밀 치공구의 설계와 제작에 중점을 두고 있으며, 특히 돔 자오선 용접 치구 개발을 통한 구조물의 형상 유지와 일관된 용접 품질 확보에 기여하였다. 이 치구는 용접 과정에서 형상 왜곡을 줄이고, 균일한 용접 압력을 유지하도록 설계되었다. 국내 연구진이 개발한 FSW 치공구는 해외 선진국과의 기술 격차를 줄이는 데 기여했으며, 향후 차세대 발사체 및 우주 산업 관련 기술 확장에 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 이러한 성과는 국내에서 처음으로 대형 원형 및 복잡한 구조물에 FSW 기술을 적용한 사례로, 제조 공정의 혁신을 이끄는 중요한 계기가 되었다. 본 연구를 통해 개발된 FSW 기술을 상용화, 고도화 하여 대형 구조물의 제조 효율성을 향상시키고, 국내 우주 산업뿐만 아니라 항공, 조선, 자동차 분야에서도 혁신적인 제조 공정 개선을 이끌 것으로 기대된다. 이를 통해 국내 제조업의 경쟁력 강화에도 큰 영향을 미칠 것으로 전망된다.

고고도에서 운용되는 위치 자세 제어장치(DACS)의 유도 비행 성능 예측에 필요한 추력 계수를 도출하기 위해, 유동 박리가 발생하는 구간에서 지상 연소시험 및 고도 모의시험을 수행하였다. 목표 운용 고도는 25 km 이상으로, 디퓨저만으로는 목표 고도 달성이 불가능하여 스팀 이젝터와 보조 설비를 설계 및 적용하였다. 지상 시험 및 고도 모의시험을 통해 획득된 추력 계수 데이터는 위치 자세 제어장치를 활용한 정밀 유도 및 제어 기술의 신뢰성을 높이는 데 활용할 예정이다.