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

항공용 가스터빈 엔진의 고성능, 고효율화와 관련하여 터빈 슈라우드와 블레이드 팁 사이 간극제어를 위해 적용된 마모성 세라믹코팅은 의도적인 마모를 위해서 일정한 기공율을 가지게 되는데, 기공에 의해 낮아진 코팅 경도로 인해 운용 간 엔진 내ㆍ외부에서 발생 가능한 침식 입자에 의해 추가적인 마모가 발생해 엔진성능이 저하되고, 국부적인 유동 불안정성을 유발할 수 있다. 본 논문은 이러한 마모성 세라믹코팅의 코팅면의 내침식 특성을 평가할 수 있는 시험장치(ASTM G76)의 분말 분사시스템, 테스트 스탠드 및 제어/DAS 시스템에 관한 설계 및 제작 결과에 대해 기재하였다.

막냉각이 적용된 연소실의 냉각제 유량에 따른 냉각 효과를 모사하고자 3차원 수치해석이 수행되었다. 주 산화제와 냉각제로 사용된 액체산소는 DPM(discrete phase model) 기법을 통해 그 거동이 계산되었으며, 주 추진제의 유량은 고정된 채 냉각제의 유량만을 변화시켜 이에 따른 효과가 비교되었다. 계산 결과, 연소실 내벽의 온도분포를 통해 막냉각이 적용될 시 벽면 부근에서의 온도 저하가 명확히 관찰되었으며, 냉각제 유량이 증가할수록 화염의 강도는 약해지는 반면, 플룸 영역 내의 충격파의 구조는 선명해짐이 관찰되었다.

본 연구는 3톤급 메탄 로켓 엔진에 사용되는 전단 동축형 분사기들에 대하여, 분사기 형상에 따른 추력 제어 성능을 분석헀다. 리세스 길이와 산화제 테이퍼 각도를 형상변수로 설정하여 총 4가지 타입의 분사기를 제작하였고, 100 %에서 20 %까지의 단계적인 추력에 따른 분무 특성과 연소 특성을 비교 및 분석하였다. 분무 특성은 상압 수류실험을 통해 분석하였으며, back light 기법을 통한 분무 이미지를 통해 Dark core length와 SMD(sauter mean diameter)를 측정하였다. 또한 단일 인젝터 연소기에 대한 연소 전산해석을 통해 연소 특성을 예측하였으며, 연소실 압력, 특성 속도, 운동량 플럭스 비, 그리고 화염 형상을 분석했다.

MET는 특정 전파 모드에서 마이크로파의 공진을 유도하는 공진 캐비티의 설계가 핵심이다. 그러나, MET에는 공진 캐비티 내부의 공진 특성을 변화시키는 구성 요소가 포함되어 있다. 공진 특성은 전기장 세기에 직접적인 영향을 미칠 뿐만 아니라, 공진 캐비티의 설계 방향을 결정하는 중요한 기준이 되므로 체계적인 분석이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 2.45 GHz, 1 kW급 MET의 공진 캐비티 설계를 목표로, 구성 요소의 크기 및 위치 변화에 따른 공진 특성을 수치모사를 통해 분석하였다. 또한, 이 결과를 바탕으로 효율성과 운용 안정성을 고려한 설계 방안을 제시하였다.

접촉점화성 추력기는 우주 탐사 및 국방 분야에서 신속 정밀한 기동을 보장하기 위한 필수 요소이다. 한편 접촉점화성 하이브리드 추력기는 신속 재점화 응답성, 저온 장기 저장성 등의 장점으로 특수한 우주 임무에 활용하기 위해 최근 많은 주목을 받고 있다. 이러한 필요성을 바탕으로 국내외 대학들 중심으로 접촉점화성 하이브리드 추력기에 관한 연구가 광범위하게 이루어지고 있다. 본 논문에서는 접촉점화성 하이브리드 추력기의 국내외 기술 개발 동향을 소개하고 접촉점화성 재래식 산화제와 저독성 산화제를 사용한 결과들을 비교하였다. 그리고 접촉점화성 하이브리드 추력기의 우주 탐사 및 국방 분야에서의 활용 방안을 소개하고 예비 설계를 바탕으로 타당성을 검토하였다.

본 연구에서는 전자-기계식 점화안전장치의 다양한 온도 조건과 장전 전압 조건에서 전류 파형 분석을 수행하며 점검장비를 이용한 장전 시간 계측 결과와 비교하여 장전 메커니즘을 연구한다. 점검장비로 계측한 장전시간 결과 높은 온도에서 장전 시간이 증가하고 낮은 온도에서 감소하였다. 이를 분석하기 위해 장전 전압과 온도 조건에 따라 전류 파형을 계측하여 장전 시간을 분석한다. 저온 환경과 높은 전압인가 조건에서 장전 시간은 감소하며 고온 환경과 낮은 전압조건에서 장전시간이 증가하는 경향이다. 온도조건에 따른 장전 시간 경향 분석을 위해 상온, 고온, 저온 조건에서 장전 전압 인가 시 토크모터 저항 값을 분석하여, 높은 온도에서 저항이 증가하고 전류는 감소하여 장전시간이 증가함을 확인하였다. 결과적으로 장전 전압이 일정할 때, 온도 환경에 따라 장전 시간 차이를 확인하였다.

Ridge-cut 타입 폭발볼트의 내부 형상변수에 따른 수치해석 결과와 분리 성능 시험을 통해 얻은 파단면의 형상을 비교 분석하고 수치해석에 대한 효용성을 확인하였다. 수치해석 결과에서 내부 형상 변수에 따라 파단면의 발달 형상에 큰 차이가 발생하였으며 분리 성능 시험에서도 파단면의 형태에 차이가 있음을 확인하였다. 두 결과에서 동일하게 내경이 줄어들고 충격파 반사면의 각도가 작은 모델이 분리 성능이 가장 좋음을 확인하였다. 수치해석 결과가 실제 분리 파단면을 정확하게 예측할 수 없었으나 파단부의 면적이 넓게 형성되도록 내부 형상변수를 설정하고 분리 성능 시험을 통해 설계 인자를 조절해나가는 것이 적절할 것으로 판단된다.

액체로켓 엔진을 안전하게 운영하기 위해서 점화는 매우 중요하며, 우주발사체 재사용을 위해서는 엔진 재점화 기능이 필수이다. 기존 액체로켓 엔진 점화방식과 달리 비접촉식인 레이저 점화는 공간적 점화 위치 결정과 함께 상대적으로 간소한 시스템 구성이 가능하다. 레이저 적용으로 점화 에너지를 얻는 여러 가지 방법 중에서 레이저 광원의 특정한 파장에 구애받지 않는 비공진 점화방식 연구가 활발하다. 액체로켓 엔진 연소 환경에서 레이저 펄스 에너지, 레이저 파장, 엔진에 적용한 점화시스템 구성 형태, 발생 펄스 형태 등의 차이에 의해 수행된 연구 결과의 주요 내용을 정리했다. 향후 친환경 재사용 발사체 액체로켓 엔진에 적용될 수 있는 레이저 점화시스템 개발 방향에 관한 제언을 담았다.