기체메탄-액체산소 이원추진제 추력기의 최적설계 및 성능시험평가

Abstract

본 연구는 행성간 탐사선, 중궤도 및 정지궤도 발사체 등의 AKE, 궤도기동 및 3축 자세제어 등에 활용, 탑재되는 차세대 친환경 이원추진제 추력기의 선행 연구개발 과정의 일환으로, 이원액체추진제 추력기의 개발에 필요한 전 주기적인 과정을 소개하고, 이론성능해석과 단위 구성품에 대한 기초시험으로 획득한 데이터를 종합/분석하여 200 N급 기체메탄-액체산소 이원추진제 추력기의 설계를 수행하였다. 또, 설계검증에 필요한 성능평가 핵심기술(정밀유량측정, 정밀추력측정, 극저온 추진제 공급시스템 등)을 구축하였다. 먼저, CEA를 이용한 이론성능해석을 통해 메탄-산소 이원추진제 혼합비 및 연소압력 변화에 따른 로켓성능특성을 분석하였다. 또한, 1차원 액적의 기화 해석을 통해 추력기의 특성길이를 도출하였고, 연소실 내부압력에 따른 노즐의 준 1차원 등엔트로피 성능해석을 수행하여 최적 팽창비를 결정하였다. 이를 통해 메탄을 연료로 하는 소형로켓엔진의 형상설계변수를 도출하였다. 다음으로, 이원추진제 로켓엔진 핵심부품에 대한 성능평가로서 스월 동축형 인젝터를 설계하였고, 리세스 길이 및 분사조건에 따른 분무특성을 상세히 분석하였다. 그 결과, 분사조건 및 인젝터의 구조변수인 리세스가 추진제 혼합특성에 상당한 영향을 미치는 바, 해당연구를 통해 추력기에 적용될 변수의 특성을 도출하였다. 또, 엔진 내부에서 형성되는 메탄-산소 확산화염의 특성은 추력실을 모사한 모델연소기를 활용하여 연소시험을 수행하였고, 화염의 가연한계(또는 연소안정한계)와 동역학적 거동 및 구조를 도출하여 분사조건에 따른 연소특성을 상세히 분석하였다. 형성된 화염의 가연한계는 detached and anchored flame regime, blow-off regime I, II로 분류되어 나타났고, 화염의 구조는 인젝터 종류에 따라 크게 두 종류로 분류되었다. 스월을 동반한 화염은 길이가 길고 폭이 넓은 부상화염으로 나타났으며, 운동량 플럭스 비, 추진제 레이놀즈 수와 함께 OH 라디칼 방사강도가 상승하였다. 전단 동축형 인젝터를 통해 형성된 부착화염은 길이가 길고 폭이 좁은 형태를 띄었으며, 실험변수에 따라 OH 라디칼 방사강도의 증감 경향이 스월의 것과 유사하게 나타났다. 그러나 짧은 유동정체시간과 제한된 크기의 연소실로 인해 실험조건에 따른 추진제 반응율의 상승폭은 그리 크지 않았다. 최종적으로 화염의 가연한계 및 구조 특성 도출 결과, 전단 동축형 인젝터에 비해 높은 연소안정성, 인젝터 및 노즐로의 열전달량 감소, 그리고 우수한 연소효율 등을 가지는 스월 동축형 인젝터가 메탄-산소 추력기의 인젝터로서 더욱 적절함을 확인하였다. 최종적으로 선행연구를 바탕으로 200 N급 기체메탄-액체산소 이원추진제 추력기의 설계·제작 및 구성품 성능을 검증하였고, 지상연소성능 평가를 위해 추진제 질량유량, 연소실 내부 압력, 그리고 특성배기속도와 같은 주요성능 변수를 도출하여 개발모델에 대한 성능평가 및 목표성능조건과 비교·분석이 수행되었다. 추가적으로 설계 성능시험은 설계표준 모델에 대한 성능검증 목적과 함께 자체 구성한 정밀추력측정장치, 데이터 수집 및 제어 장치, 극저온 추진제 공급 시스템, 정밀유량측정시스템 등에 대한 작동성 실증을 위해 이행되었고, 메탄-산소 이원추진제 추력기의 최적설계제원 데이터베이스 도출을 위한 성능평가 및 핵심기술의 기반을 구축하였다.