1. 서 론
2. 막냉각 시험설비
2.1 막냉각 시험설비 구성
2.2 냉각수 공급설비
2.3 기체 질소 공급설비
3. 막냉각유량예측모델
3.1 구간별 막냉각 수류시험
3.2 막냉각 유량예측모델 1(FCM 1)
3.3 막냉각 유량예측모델 2(FCM 2)
4. 시험 결과
4.1 막냉각 수류시험 결과
4.2 막냉각 유량예측모델 검증
4.3 한국형발사체 시제 #1∼#4 연소시험 결과 고찰
5. 결 론
1. 서 론
한국항공우주연구원은 저비용 및 높은 신뢰성을 목표로 비추력을 증가시킬 수 있는 다단 연소 사이클 방식을 적용한 차세대발사체를 개발하고 있다[1]. 차세대발사체의 액체로켓엔진은 케로신을 추진제로 하여 한국형 발사체 이상의 고압과 고온의 환경으로 작동된다. 따라서 코킹 방지 및 연소실 내벽 온도를 640 K 이내로 유지하기 위해 한국형발사체와 동일하게 재생냉각 방식과, 열차폐 방식, 막냉각 방식을 적용하고 있다[2,3]. 막냉각 방식은 연소실 내부에 flim 형태의 추진제를 균일하게 분사하여 내벽을 보호하는 형식의 냉각 방법으로 Fig. 1과 같이 일정한 각도를 갖는 다수의 홀을 갖는 형태이다.
막냉각은 액체로켓엔진의 냉각성능과 연소성능에 영향을 주요 인자로 막냉각에 공급되는 유량을 최적화하여 설계하고 평가하는 것이 중요하기 때문에 막냉각 특성에 대한 많은 연구가 수행되었다[4,5,6,7].
막냉각 설계유량을 확인하기 위한 수류시험은 물을 사용하여 시험압력을 단계적으로 수행한 후 식 1의 유량 관계식으로부터 유량계수를 산출하였다.
막냉각 유량은 가압 압력에 따른 유량계수의 영향을 받게 되는데, 액체로켓엔진 연소기 막냉각의 압력을 단독으로 제어하여 공급할 수 없을 경우 질량유량을 정확하게 예측하는 것은 매우 중요하다[8]. 따라서 설계유량 및 제작성 확인을 위한 수류시험은 신뢰도를 위해 다수의 시험을 수행하여 평균값을 구하는데, 가압식 수류시험설비 특성상 냉각수를 공급하는 런탱크는 가압 및 해압을 반복해야 하므로, 시간적인 측면과 더불어 실험 비용도 상승하게 된다. 또한 수류시험 유체로 물을 사용하기 때문에 겨울철에 시험을 수행할 경우 많은 환경적인 요인이 발생하게 된다.
본 연구에서는 정확한 막냉각 유량 예측 및 시험 절차를 최적화하기 위해 단계적인 수류시험을 통해 차압, 면적, 밀도, 유량계수와 유량의 관계를 이용한 막냉각 모델(Film Cooling Model, FCM)과 연소시험 시 계측된 실제 유량 값의 비교 및 분석한 결과를 제시하였다.
2. 막냉각 시험설비
2.1 막냉각 시험설비 구성
수류시험설비의 개략도는 Fig. 2와 같으며, 냉각수 공급설비, 기체 질소 공급설비, 및 런탱크로 구성된다.
수류시험을 수행하기 위해 펌프를 사용하여 냉 각수 런탱크에 물을 충전하고, 런탱크 수두를 이용하여 공급 배관에 기포나 이물질을 제거 후 시제의 냉각수 공급라인(1/2”)과 압력 계측 라인(1/8”)을 설치한다. 냉각수 런탱크 가압 전 런탱크 수두를 이용하여 시제에 물을 공급하여 연결부 및 시제의 이상 유무를 최종적으로 확인한 후 냉각수 런탱크를 단계별로 가압하여 막냉각의 설계유량 조건에 만족할 때까지 시험이 수행된다[9].
2.2 냉각수 공급설비
냉각수 공급설비는 저수조, 충전용 펌프, 런탱크로 구성되며, Fig. 3에 나타내었다. 냉각수 충전용 펌프 상부의 위치에 있는 저수조의 용량은 16 m3이며, 상수도 충전 밸브를 사용하여 물이 충전된다. 충전용 펌프는 저수조 하부에 위치하여 저수조의 물을 런탱크에 물을 충전한다. 냉각수가 충전되는 런탱크는 기체 질소로 가압되며, 가압된 냉각수를 막냉각에 공급하여 시험이 수행된다.
2.3 기체 질소 공급설비
기체 질소 공급설비는 액체질소 저장탱크, 극저온 펌프, 기화기 등으로 구성되며, Fig. 4에 나타내었다. 저장탱크의 최대 저장량은 10 m3이며, 1 MPa 압력 이하로 운용한다. 극저온 펌프는 최대 27.6 MPa까지 가압할 수 있으며 액체질소 저장탱크에서 극저온 질소를 공급받아 전열 온수식 기화기로 이송 및 가압한다. 전열 온수식 기화기에서 액체질소가 기체로 상변화 후 1.3 m3의 압력용기에 20.0 MPa의 압력까지 충전되며, 냉각수 런탱크 가압용 질소로 사용된다.
3. 막냉각유량예측모델
3.1 구간별 막냉각 수류시험
기존 1차 막냉각(First film cooling ring; 1FCR)과 2차 막냉각(Second film cooling ring; 2FCR) 수류시험은 공급압력을 0.5 MPa부터 9.0 MPa까지 단계별로 가압 및 해압을 반복하여 유량과 차압의 관계로부터 유량계수를 산출하였다. Table 1, 2에서 흑색 음영은 막냉각 설계유량 조건에서 벗어나는 영역이고, 빨간색 점선으로 둘러싸인 구간은 설계유량에 근접한 영역으로 이 영역에서 유량계수로 Cd값과 Kv 값을 각각 계산하였다. 설계유량 영역에서의 Cd값을 평균하여 1차 및 2차 막냉각 각각 0.656, 0.653로 산출하였고, 실제 연소시험의 유량 계산에 사용하였다[10].
3.2 막냉각 유량예측모델 1(FCM 1)
동일한 시제를 사용하여 구간별 수류시험과 0.5 MPa부터 9.0 MPa까지 연속적인 수류시험을 각각 수행하여 Fig. 5, 6에 각각 나타내었다. 연속적인 수류시험 결과 Fig. 6과 같이 선형 관계를 확인하였고, 추세식을 도출하여 FCM 1로 정의하였다.
Table 3에 제시한 바와 같이 구간별로 수행한 수류시험의 Cd와 FCM 1로 정의된 모델을 사용하여 산출된 Cd가 각각 0.612, 0.615로 목표 질유량계수의 평균치인 0.653에 비해 낮으나 이는 linear fit 계산시 절편을 포함하고 있기 때문이며 구간별 수류시험과 연속적인 수류시험에서 유량계수는 서로 매우 유사한 것을 확인하였다.
Table 3.
Results of step. vs con.(FCM 1).
Stepped cold flow test | 0.612 |
One continuous cold flow test | 0.615 |
3.3 막냉각 유량예측모델 2(FCM 2)
차압과 체적유량은 수식 2와 같이 정의 되는데, 차압과 유량의 비선형 관계를 유량계수를 차압의 지수함수로 표현하여 유량예측모델 FCM 2로 정의하였다.
FCM 2로 정의된 방법으로 구간별 및 연속적인 수류시험을 수행한 결과를 산출하여 Table 4에 정리하고 Fig. 7, 8에 각각 나타내었다. 3.2에서 언급한 FCM 1의 결과와 동일하게 FCM 2로 정의된 유량예측모델 역시 구간별 및 연속적인 수류시험에 따른 차이는 없는 것으로 확인되었다.
4. 시험 결과
4.1 막냉각 수류시험 결과
한국형발사체 4기의 1차 및 2차 막냉각 시험을 수행한 결과를 Table 5, 6에 제시하였다. 1차 및 2차 막냉각 수류시험은 각각 5회씩 수행하였으며, 앞서 막냉각 수류시험 절차에서 언급한 방법으로 기존의 수류시험에 적용한 유량 결과에서 유량예측모델의 예측유량과 차이를 유량 편차로 정의하여 평균값을 산출하였다. 한국형발사체 시제 1 ~ 4의 시험방법 및 분석 방법은 같으며, 수류시험을 수행하여 FCM 1, 2를 적용한 시험 결과를 Fig. 9, 10, 11, 12에 나타내었으며, 4개의 시제는 거의 유사한 형태의 그래프로 나타나기 때문에 시제 1에 관한 결과 그래프만 제시하였다.
Table 5.
Cold flow test results from development model #1(1FCR).
Table 6.
Cold flow test results from development model #1(2FCR).
시험 결과 한국형발사체 시제 1의 유량 편차는 1FCR FCM 1 2.88%, FCM 2 0.42%, 2FCR FCM 1 1.41%, FCM 2 0.22%의 유량 편차가 각각 확인되었으며, 시제 2의 유량 편차는 1FCR FCM 1 3.28%, FCM 2 0.02%, 2FCR FCM 1 1.54%, FCM 2 0.44%, 시제 3의 유량 편차는 1FCR FCM 1 4.5%, FCM 2 0.13%, 2FCR FCM 1 2.29%, FCM 2 0.24%, 시제 4의 유량 편차는 1FCR FCM 1 2.42%, FCM 2 0.75%, 2FCR FCM 1 1.38%, FCM 2 0.22%의 유량 편차가 각각 확인되었다.
시험 결과를 종합해 보면 1차 막냉각은 0.1 ∼ 4%의 유량 편차가 발생하였고, 2차 막냉각은 0.2 ∼ 2.29%의 유량 편차가 발생하였으며, FCM 1은 시제 3, FCM 2는 시제 4에서 가장 큰 유량 편차가 확인되었다. 유량 편차에 대한 원인으로 가압 압력, 시제 가공 정밀도, 센서 계측 오차, 유량계 측정 정밀도 등이 있을 수 있으나, 같은 시험설비에서 수행한 시험으로 막냉각 홀에 대한 가공오차가 유량 편차의 큰 원인인 것으로 판단된다.
4.2 막냉각 유량예측모델 검증
막냉각 유량예측모델 FCM 1은 질량유량이고 FCM 2는 부피 유량을 나타낸다. 연소시험은 실제 유체인 연료를 사용하기 때문에 FCM 2에서 계산된 물의 밀도 1000 kg/m3를 연료 밀도인 765 kg/m3으로 환산하였다. 이를 통해 FCM 1, 2를 비교한 결과를 Fig. 13, 14에 나타내었다. 분석 결과 FCM 1을 사용한 1차 및 2차 막냉각의 유량 편차는 각각 3.27%, 1.77%이며, FCM 2를 사용한 1차 및 2차 막냉각의 유량 편차는 0.28% 및 0.27%로 1차 및 2차 막냉각 결과 모두 커브 형태의 FCM 2가 FCM 1보다 정확도가 높게 나타났다. FCM 2가 FCM 1에 비해 밀도, 면적을 고려하지 않고 오직 차압으로 유량을 예측함으로 인해 변수가 적기 때문에 복잡한 유량 특성이 FCM 2의 유량예측모델이 더 잘 반영되는 것으로 판단됨에 따라 연소시험 데이터 FCM 2를 사용하여 분석하였다.
4.3 한국형발사체 시제 #1∼#4 연소시험 결과 고찰
한국형발사체의 시제 #1 ∼ #4의 막냉각 유량 연소시험 결과와 FCM 2를 사용하여 예측한 유량을 비교한 결과를 Table 7, 8과 Fig. 15, 16, 17에 각각 나타내었다. 4개 시제에 대한 시험 결과 분석 결과 1차 막냉각의 경우 최소 –0.002, 최대 0.009, 2차 막냉각의 경우 최소 0.001, 최대 0.007의 유량 편차가 나타나는 것으로 확인되었다. 1차 및 2차 막냉각 모두 유량 편차가 1% 이하로 나타남에 따라 막냉각 유량을 예측하는 모델의 정확도가 우수한 것으로 확인되었다.
Table 7.
Comparison of test results(1FCR).
Table 8.
Comparison of test results(2FCR).
5. 결 론
효율적인 막냉각의 설계유량 검증을 위하여 단계별 가압 및 연속적인 수류시험을 수행하여 유량을 예측할 수 있는 2가지 모델(FCM 1, FCM 2)을 도출하였다. FCM 1은 유량 관계식에서 밀도, 면적, 차압, 유량계수와 질유량과 선형적 관계를 이용하였고 FCM 2는 차압과 유량의 비선형 관계를 통해 유량계수로 차압의 지수함수로 표현되는데, 단계별 가압과 연속적인 수류시험 간의 오차가 작아 1회의 수류시험만으로도 설계유량 검증이 가능한 것으로 확인되었다.
수류시험 결과 FCM 1과 FCM 2의 최대유량 편차는 각각 3.27%, 0.28%로 FCM 2가 정확한 것으로 나타났으며, 연소시험 시 FCM 2로 예측한 유량과 실제 유량과의 오차도 1% 미만으로 정확도가 매우 우수한 것으로 확인되었다. 막냉각 유량예측모델 FCM 2를 사용하면 연속적인 1회 수류시험만으로도 설계유량을 확인할 수 있을 뿐만 아니라 연소시험 시 유량을 예측할 수 있지만, 4개의 시제로 판단하기에는 한계가 있으므로 지속적인 DATA 축척 및 분석을 수행하여, 향후 액체로켓엔진 연소기 개발에 활용될 예정이다.