Nomenclature

BLDC : brush-less direct current

CC : combustion chamber

CFCV : CC fuel control valve

EMA : electro-mechanical actuator

GFV : GG fuel valve

GFCV : GG fuel control valve

GOCV : GG oxidizer control valve

GOV : GG oxidizer valve

MFV : main fuel valve

MPCV : multi-purpose control valve

MOV : main oxidizer valve

PFCV : pre-burner fuel control valve

PFV : pre-burner fuel valve

POV : pre-burner oxidizer valve

1. 서 론

액체 추진제를 사용하는 우주발사체에는 많은 수의 밸브들이 사용된다. 누리호(KSLV-II) 75톤급 엔진의 경우, 40여 개의 밸브(체크밸브 포함)가 사용되고 있다. 체크밸브 이외의 밸브들은 모두 별도의 구동 장치가 필요하다. 구동 장치는 공압, 유압, 전기 구동 방식이 있다. 누리호 75톤급 엔진의 경우, 개폐 밸브는 공압 구동 방식 또는 솔레노이드 방식을, 개폐 기능이 없는 유량 제어밸브는 전기모터 구동 방식을 사용한다. 이는 기존의 우주발사체에서 대부분 유사하게 사용하는 방식이다. 그러나 SpaceX사의 재사용 발사체(Falcon 9)가 세계 상업 위성 발사 서비스 시장을 석권하면서, 민간 우주개발(new space) 시대가 도래하였고 기존의 우주발사체로는 시장에서 경쟁할 수 없는 상황이 되었다. 따라서 위성 발사 서비스 시장에서 선두 자리를 빼앗긴 유럽(ESA)에서는 Ariane 6 이후의 차세대발사체용 엔진으로, 재사용이 가능한 저비용 엔진 개발(prometheus project)을 2015년부터 시작하였다[1,2]. 저비용 엔진의 구현은 단순한 시스템 구성을 통해 가능하다. Prometheus 엔진은 추진제 라인에 4개의 밸브만을 사용하는데, 개폐 및 유량제어 기능이 모두 가능한 밸브(이하, 다목적 제어밸브)로서, 전기모터 구동 방식이다[2]. 참고로 누리호 7톤 및 75톤급 엔진의 추진제 라인에는 Fig. 1과 같이 7개의 밸브(개폐 밸브 4개, 유량 제어밸브 3개)가 사용되었는데[7], 사용된 유량 제어밸브[5]들은 개폐 기능이 없다. 만약 유량 제어밸브를 다목적 제어밸브로 대체하면, 같은 배관에 연결된 개폐 밸브 3개(GOV, GFV, MFV)를 제거할 수 있다. 또한 제거된 개폐 밸브의 구동을 위한 솔레노이드 밸브 3개 및 공압 배관의 제거, 개폐 밸브 구동을 위한 헬륨 공압 탱크 크기 감소 등, 엔진의 무게 및 제작비용 감소에 큰 도움이 될 것이다.

Fig. 1.

Schematic diagram of KSLV-II LRE.

다목적 제어밸브는 해외에서는 유럽과 일본에서의 연구 결과가 문헌[3,4]에 공개되었다. 국내에서는 누리호 7톤 및 75톤급 엔진에 사용된 유량 제어밸브[5]에 개폐 기능을 추가하는 방법으로 다목적 제어밸브의 기초연구[6]가 수행된 바 있다.

본 연구는 상기 기초연구를 기반으로 수행하였으며, 2023년부터 개발이 시작된 차세대발사체(KSLV-III)의 2단 엔진인, 10톤급 다단 엔진[Fig. 2]의 연료 계통에 사용 예정인 MFV와 CFCV를 한 개의 밸브로 대체할 수 있는 다목적 제어밸브의 개발을 통해, 2단 엔진의 무게 및 제작비 절감 가능성을 확인하는 것이 목표이다. 본 논문에서는 다목적 제어밸브 시제품[Fig. 3]의 설계 및 개발 시험 결과를 기술하였다. Fig. 3에서 좌측이 다목적 제어밸브이고 우측이 BLDC(brushless direct current) 모터로 구동되는 EMA이다. 주요 규격은 Table 1과 같다.

Fig. 2.

Schematic diagram of KSLV-III 10 tonf LRE.

Fig. 3.

Prototype of MPCV.

2. 설계 및 구성

2.1 다목적 제어밸브

Fig. 4는 다목적 제어밸브의 개념도이다. 추진제 유량을 조절하는 방식은 기존 유량 제어밸브[5]와 같다. 즉, EMA와 연결된 구동축이 회전하면 슬리브가 좌우로 이동하면서 슬리브와 플런저 사이의 유로 면적을 변경하여 유량을 조절한다. 한편, 개폐 밸브의 기능 구현을 위해 씰(A,B)을 추가하였다. 슬리브를 우측 끝까지 이동시켜 씰 A를 플런저 벽에 닿게 하면, 유로가 차단되어 추진제가 흐르지 않게 된다.

Fig. 4.

Conceptual configuration of MPCV.

2.2 제어밸브 구동기

Fig. 5는 전기모터 구동기(EMA)의 개념도이다. BLDC 모터, 브레이크 액세서리, 감속기어, 포텐셔미터 등으로 구성되어 있다. 기존 누리호용 제어밸브 구동기[7]와는 달리, 감속기어로 유성기어 대신에 하모닉 드라이브를 적용하였다. 하모닉 드라이브는 기어 백래시가 매우 작고, 토크 전달 능력, 소형화 및 경량화 측면에서 유성기어보다 유리하다. 또한 기어가 맞물리는 속도가 느려서 유성기어보다 조용하고 진동이 작다.

Fig. 5.

Conceptual configuration of EMA.

2.3 제어기

산업용 제어기(NI사의 cRIO)를 이용하여 Fig. 6과 같이 다목적 제어밸브 개발을 위한 전용 제어기를 구성하였다. 기존의 누리호 유량제어밸브 지상 시험용 제어기와 제어 S/W를 일부 수정하여 다목적 제어밸브 구동기에 적용된 신규 모터를 제어할 수 있도록 하였다.

Fig. 6.

Configuration of controller[5].

3. 개발 시험

3.1 고유유량특성 시험

제어밸브의 유량계수(K_v)는 식 (1)과 같이 표현한다. Q는 유량(m³/h), G는 비중, ΔP는 입출구 압력차(bar)이다.

Fig. 7은 다목적 제어밸브의 고유유량특성 시험 결과이다. 밸브 개도 변화(0~205도)에 따른 유량계수(K_v)는 0~15.8의 값을 가진다. 유량계수는 설계 요구 조건은 만족하였으나, 밸브 개도 33도를 전후로 하여 유량계수가 급격히 변하고 있다. 이러한 급격한 변화는 제어 측면에서 바람직하지 않은데, 부드럽게 유로 면적이 증가하도록 플런저 형상을 변경하여 개선할 수 있다.

Fig. 7.

Inherent flow characteristic of MPCV.

3.2 강도 및 기밀시험

Fig. 8과 같이 질소 가스를 이용하여 강도 및 기밀시험을 수행하였다. 강도 시험은 밸브 개방 상태에서 28.2 MPa로 가압하여 수행하였으며, 파손 및 영구 변형이 없음을 확인하였다.

Fig. 8.

Proof and leakage test setup.

기밀 요구조건은 최대 0.5 cm³/s 이하이다. 밸브 차단 상태에서의 입출구 유로 기밀시험 결과, 입구압 2.0 MPa(출구압은 대기압)에서 누설이 없어 요구 조건을 만족하였다. 한편, 밸브 개방 상태에서는 25.8 MPa로 가압하여 기밀시험을 수행하였다. 제어밸브 구동축의 로터리 씰에서 누설이 0.15 cm³/s로, 요구 조건을 만족하였다.

3.3 응답 특성 시험

다목적 제어밸브는 유량 제어뿐만 아니라, 개폐 밸브 역할도 수행해야 하므로 빠른 응답 특성이 필요하다. 누리호 로켓엔진에 사용되는 개폐 밸브들의 응답 시간(maneuvering time)은 7~45 msec 수준으로 매우 빠르다. 그러나 다목적 제어밸브는 전기모터로 구동되므로 공압 구동기를 사용하는 기존 개폐 밸브처럼 빠른 작동을 구현하는 데에 어려움이 있다. 왜냐하면 응답 시간이 빠를수록 큰 힘의 모터가 필요하고, 이는 밸브 무게 증가를 초래하므로 적절한 선에서 타협해야 한다. 해외 사례[3,4]에서 전기모터로 구동되는 다목적 제어밸브의 응답 시간은 1~1.5초 수준이다.

본 다목적 제어밸브 EMA의 모터 회전속도는 0~7,000 RPM까지 제어할 수 있다. 엔진 시동 및 정지 시에 빠른 밸브 개폐를 위해, 작동 초기에는 최대 속도인 7,000 RPM으로 작동하고 목표 개도에 가까워지면 모터 회전속도가 감소하도록 비례 제어 알고리즘을 적용하였다.

Fig. 9와 같이 작동 유체로 물을 이용하여 다양한 밸브 입구 환경(입구 압력: 0.5~4 MPa, 출구 압력: 대기압)에서 MPCV 개방 시(1.5초에 개방 명령 인가)의 응답 특성을 시험하였다. 이때, MPCV의 목표 개도는 145도로 설정하였다. Fig. 10과 같이 최종 밸브 개도는 입구압과 상관없이 145~146도로, 1도 오차 내에서 위치하는 것을 볼 수 있다. 밸브 개방 응답 시간은 약 0.52초로 해외 사례[3,4]보다 빠르다. Fig. 11에서 V(전압)는 제어기에서 모터 드라이버(Fig. 6의 Amplifier)로 전달되는 모터 회전속도 명령 값을 나타내는데, 0~5 V는 0~7,000 RPM에 해당한다. 1.5초에 밸브 개방 명령이 인가되면서 최대 모터 회전속도인 5 V가 인가된다. 이후 약 1.85초부터 모터 정지를 위한 비례 제어가 수행되어 전압이 급감한다. 모터 회전속도는 Fig. 12와 같이 개방 초기에는 비슷하게 증가하지만, 실제 밸브 개방으로 유량이 발생하는, 약 1.6초부터는 입구 압력이 높을수록, 모터 회전속도가 더 크게 줄었다가 다시 커지는 것을 볼 수 있다.

Fig. 9.

MPCV flow test setup.

Fig. 10.

Valve position.

Fig. 11.

Command signal for motor speed control.

Fig. 12.

Motor rotational speed.

이는 입구 압력이 높을수록 밸브 개방 시 발생하는 유체력(밸브를 닫히게 하는 힘)이 커지기 때문이다. 따라서 유체력을 이기고 밸브를 개방시키기 위해 모터 전류도 Fig. 13과 같이 입구 압력이 높을수록 증가하는 것을 볼 수 있다. 참고로 본 밸브는 개도가 15도보다 작을 때까지는 밸브 구조상 유로가 차단되므로 Fig. 7과 같이 유량계수, Kv는 ‘0’이다. 따라서 Fig. 12과 같이 밸브 개방 명령 이후, 밸브가 개방되어 유량이 발생하기 전인 약 1.6초까지는 모터 회전속도가 입구 압력에 영향을 거의 받지 않는다.

Fig. 13.

Motor current.

3.4 진동 환경시험

발사체는 비행 중에 극심한 진동을 겪게 된다. 이러한 진동 환경에서 다목적 제어밸브의 강건성을 확인하기 위해 Fig. 14와 같이 가진기를 이용하여 진동 환경시험을 수행하였다.

Fig. 14.

Vibration test setup.

랜덤 진동, 정현 진동 시험 수행 후, 기밀 및 성능에 문제없이 밸브가 정상적으로 작동하였다.

3.5 내구성 시험

다목적 제어밸브의 내구성을 검증하기 위해, 대기압에서 140회, 23.5 MPa 압력 조건에서 70회 왕복 작동하였다. 작동 시, 모터의 회전속도는 최대 속도인 7,000 RPM으로 설정하였다. 내구성 시험 후, 밸브 작동에 문제가 없었으며 기밀시험에서도 요구조건을 만족하였다.

4. 결 론

차세대발사체 2단용 10톤급 엔진의 연소기 연료 개폐밸브와 연소기 연료 유량제어밸브를 하나의 밸브로 대체할 수 있는 다목적 유량제어밸브를 개발하였다. 시제품에 대한 개발 시험에서 모든 요구조건을 만족하였다. 본 연구를 통해 획득한 다목적 제어밸브 설계 및 개발 기술은 차세대발사체 또는 저비용 발사체용 로켓엔진의 무게 및 제작비 절감에 도움이 될 것으로 판단된다.

향후 2차 시제품에서는 플런저 형상을 수정하여 저개도에서 유량계수가 급변하는 현상을 개선할 계획이다. 한편, 본 다목적 제어밸브는 연료(등유)용으로 개발하였으나, seal 등의 구성품들이 극저온 환경(액체 산소)에서도 작동할 수 있도록 설계하였다. 따라서 2차 시제품에서는 극저온 환경시험도 수행하여, 극저온용 밸브로의 활용 가능성도 검증할 계획이다.