Characteristics of Gel Propellant Spray from a Pintle Injector

핀틀 인젝터를 사용한 젤 추진제 분무 특성 연구

이건웅^*ㆍ송우석^*ㆍ황주현^*ㆍ황용석^**ㆍ구자예^†

Characteristics of Gel Propellant Spray from a Pintle Injector

Keonwoong Lee, Wooseok Song, Joohyun Hwang, Yongseok Hwang and Jaye Koo

Key Words: Multi-hole pintle injector(다중 홀 핀틀 인젝터), Gel propellant(젤 추진제), Spray visualization(분무 가시화)

Abstract

Shear coaxial injectors were commonly used in rocket engine combustor. They showed good combustion performance.

However it is not easy to control the thrust. Pintle injectors were not as popular as the coaxial injectors so far, they have a great advantage over the coaxial injectors. That is, it is relatively easy to control the thrust. Spray characteristics of gel type propellant from movable sleeve pintle injector were investigated. Water with 0.05% of Carbopol 940 was used as gel simu- lant instead of kerosene gel combined with Thixarol ST for academic purpose. Experiments were performed in various tem- perature, pressure and pintle opening condition. The results were compared with neat liquid spray. It is also verified that the capabilites of the injector by adjusting the pintle opening.

1. 서 론

액체로켓 엔진의 추력제어를 위하여 대표적으로 고차 압 인젝터, 이중 매니폴드 인젝터 및 가변 면적 인젝터 가 대표적으로 연구, 이용되어왔다⁽¹⁾. 고차압 인젝터는 고차압을 만들기 위한 내압 용기의 무게 증가 및 신뢰도 의 문제가 있으며, 이중 매니폴드 인젝터는 매니폴드의 작동에 따른 특정 영역에서의 비선형적 추력 변화로 인하 여 특정 추력 조건에서의 사용이 어려운 단점이 있다.

가변 면적 인젝터는 일반적으로 형상이 고정된 다른 인젝터와 다르게, 별도의 구동부가 존재하여 인젝터의 분사면적을 변화시켜 여러 분사조건에서 적절한 분무,

연소 효율을 얻을 수 있다⁽²⁾. 또한 하나의 인젝터로 로 켓 엔진에 필요한 모든 추진제의 질량유량을 연소실에 공급할 수 있어, 수많은 인젝터로 이루어진 챔버 플레이 트의 무게를 경감할 수 있는 장점을 가지고 있다⁽³⁾.

젤 추진제는 기본 유체(Base fluid)에 점증제를 혼합 하여 제작하며, 비뉴턴 유체로서 전단율에 따라 점성이 변하는 특성을 지니고 있다. 젤 추진제는 평상시에는 고 체 추진제와 같은 거동을 보이나, 일정 이상의 전단응력 하에서 점성이 급격하게 감소되어 액체 추진제와 같이 낮은 점도로 공급이 가능하다. 그러나 점도가 아무리 감 소하더라도 뉴턴 평탄면(Newtonian-plateau) 이하로는 감소하지 않으며, 이는 일반적인 액체의 점도에 비해 높 은 편에 속한다. 따라서 젤 추진제는 같은 물질의 액체 추진제에 비하여 분무/연소 성능이 떨어지며, 전단력이 약해지면 그 경향이 더 뚜렷해지기 때문에, 저추력조건 에서 추력제어에 어려움이 발생한다.

2.1 젤 모사 추진제

실험에 사용된 젤 모사추진제는 실 추진제로 연구되 (Recieved: 18 May 2019, Recieved in revised form: 17 Jun

2019, Accepted: 18 Jun 2019)

*한국항공대학교 대학원 항공우주및기계공학과

**국방과학연구소 제4 기술연구본부

†책임저자, 회원, 한국항공대학교 항공우주및기계공학부 E-mail : [email protected]

TEL : (02)300-0116 FAX : (02)3158-0117

고 있는 Thixatrol ST를 혼합한 케로신 젤을 모사하기 위하여, 기본 유체로 물을, 점증제로 Carbopol 940를 채 택⁽⁶⁾하였다. 젤 추진제의 균일한 혼합을 위하여 자동 교 반기를 이용해 제작되었으며, 실험에 사용할 모사 추진 제는 Table 1 및 Fig. 1과 같이 실 추진제와 유사한 0.05% Carbopol 940 워터젤로 선택하였다.

젤 추진제는 보통 전단율에 따라서 점성이 희박해지 는 전단박화 현상을 보이는 특성을 가지고 있으며, 젤의 점도를 모사하기 위한 방법으로 Hershel-Bulkely fluid 모델링이나, Power-law 모델링을 활용한다. 그 중 워터 젤은 항복응력이 약해 항복응력항이 존재하는 Herschel- Bulkely 모델링 보다는 Eq. (1) 및 Eq. (2)와 같은 Power- law 모델링이 적합하다.

(1)

(2)

여기서 n은 Flow index, k는 Consistency index로 칭해 진다. 젤 추진제의 실측은 모두 한국고분자연구소에 의

뢰하여 회전형 점도계를 이용해 진행되었다. 회전형 점 도계는 회전자를 시료안에 넣어 모터를 이용해 회전시 켜 점도를 측정하는 장비로, 연속적인 전단율 변화에 따 른 시료의 점도 측정에 유리하다. n은 전단박화로 젤 추 진제가 묽어지는 정도를, k는 전단박화 전 초기 점도와 연관이 있는 항이다. Fig. 2는 0.05% 워터젤의 전단율에 따른 점도 변화와 Power-law Fitting 결과를 나타내며, 여기서 n은 0.47, k는 0.58 정도로 계산되었다. 산화제를 모사하기 위하여, 실제 액체 산화제로 활발히 연구가 진 행되고 있는 과산화수소⁽⁷⁾를 모사하기 위하여 표면장력 및 점도가 유사한 물을 모사추진제로 채택하였다.

2.2 분무 실험 및 가시화

실험에 사용된 워터젤의 공급을 위하여 Fig. 3와 같은

τ k γ·= ⁿ y_eff τ

---γ· k γ·^{n 1–}

= =

Table 1 Comparison between kerosene gel and water Gel Kerosene Gel Water Gel Gelling agent Thixatrol ST Carbopol 940 Proportion of

Gelling agent [%] 5.0 0.05 [Pa-s] 0.034 0.015 σ [mN/m] 860 570-1100

η_∞

Fig. 1 Comparison of various gels

Fig. 2 Viscosity of 0.05% Water gel depending on shear rate and its power-law modeling

Fig. 3 Schematic of flow visualization experimental appa- ratus⁽⁶⁾

Fig. 4 Schematic of pintle injector

Table 2 Design parameters of pintle injector Acronym Value Pintle Rod Radius Rpr 3.175 mm Center Post Radius Rcp 3.7 mm

Outer Post Radius Ro 4.75 mm Sleeve Tip Angle θtip 35 Degree

Hole Diameter dh 0.8 mm

No. of Hole - 12 EA

Opening Distance Lop Up to 1.6 mm

Fig. 5 Comparison of liquid/liquid spray and gel/liquid spray at various injection pressure

공급 시스템⁽⁸⁾을 구축하였다. 분사 압력은 압력 트랜스 듀서를 인젝터의 환형 및 핀틀 갭 입구 근처에 하나씩 배치하여 계측하였으며, 환형 갭에 사용할 물은 펌프를 이용해 순환식으로 공급하며, 핀틀 갭으로 공급되는 워 터젤은 가압 탱크를 이용하여 인젝터로 공급하였다. 분 무의 가시화는 SST-90 LED를 광원으로, CCD 카메라를 이용하여 50 μs의 노출시간으로 촬영하였으며, 한 실험 당 약 100장 정도의 이미지를 가시화하여 평균 이미지 제작에 사용하였다.

2.3 가변 면적 핀틀 인젝터

분무 실험에 사용된 가변 면적 핀틀 인젝터는 연소실 압력 10 Bar, 최대 추력 500 N의 성능을 가진 Lab-scale 추력기를 목적으로 제작되었다⁽⁹⁾. Fig. 4은 가변 면적 핀 틀 인젝터의 단면도를 도시하였으며, Table 2에 자세한 형상인자를 나타내었다.

연료를 모사한 워터젤은 인젝터 중앙의 핀틀 갭을 통 해 분사되며, 산화제를 모사한 물은 인젝터의 환형갭을 통하여 분사된다.

핀틀 갭의 분사면적은 핀틀 개도에 따라 열린 원형 홀의 넓이이며, 환형 갭의 분사면적은 Eq. (3)을 따른다.

(3) 핀틀 인젝터의 핀틀 갭 면적과 환형갭의 면적은 모두 핀틀 개도와 선형과 가깝게 비례하며, 이로서 핀틀 개도 하나만을 변화하여 가변 면적을 구현할 수 있다.

면적 변화에 따른 분무 변화를 살펴보기 위하여, 핀틀 인젝터 분무 분석에서 주로 사용되는⁽¹⁰⁾운동량비를 도 입하였다.

(4)

3. 가시화 실험 결과

3.1 상온 젤 분무 가시화

추진제의 젤화가 분무에 끼치는 영향을 살펴보기 위 하여, 핀틀 갭과 환형 갭 모두 액체가 분사되는 액체/액 체 분무와 핀틀 갭에서는 젤 추진제가 분사되는 젤/액체 분무의 차이를 비교하였다. 동일한 분사 차압 및 개도 조건에서의 대표적 이미지를 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5에서, (a)와 (b) 및 (c)와 (d)는 각각 같은 분사 조건 의 액체/액체 및 젤/액체 분무이다. 분사 압력이 비교적

낮은 Fig. 5의 (a)와 (b)에서, 젤/액체 분무는 액체/액체 분무에 비하여 분무각이 좁아지며, 축방향 분열길이가 길어지는 모습을 보였다. 이는 고점성으로 인하여 핀틀 갭의 젤 공급 유량이 감소하고, 반경방향 운동량이 감소 하여 일어나는 일로 보인다. Fig. 5의 (c)와 (d)는 동일한 개도 조건에서 분사 압력을 환형 및 핀틀 갭 모두 3배 증가시켰을 때의 분무 이미지로서, 젤/액체 분무의 유량 이 늘어나면 분무각이 Fig. 6와 같이 액체/액체 분무에 근접하게 증가하는 것으로 확인되었다. 분무각의 계산 은 약 100장 정도의 순간 이미지를 이용해 평균 이미지 를 만들고, 그 이미지에서 핀틀 팁 아래 5 mm 부분의 분무 경계를 이용하여 측정하였다. 고압에서의 젤/액체 분무의 분무각 회복은 젤 추진제의 전단박화(Shear thin- ning) 특성으로 인해, 고유량 조건에서 젤 추진제의 점 Aannular=πLopsinθtip(2Ro–Lopsinθtipcosθtip)

TMR M_radial Maxial

--- m·_ptV_pt m·annVann ---

= =

Fig. 6 Spray half angle depending on mass flow rate of simulants

Fig. 7 Water gel vicosity depending on temperature

도가 줄어들어 공급 유량이 늘고, 반경방향 운동량이 증 가한 결과로 보인다.

3.2 저온 젤 분무 가시화

추진제의 온도 변화에 따른 젤 추진제 분무의 변화를 살펴보기 위하여, Fig. 7과 같이 같은 워터젤을 온도를 달리하여 회전형 점도계를 이용한 점도 측정을 수행하 였다. 그 결과 10^oC의 추진제는 상온 추진제에 비하여 같은 전단율에서 약 30% 정도 점도가 높은 것을 확인 하였다.

온도 조절이 가능한 냉장고에 젤 추진제를 저장한 후

10^oC의 온도를 가지는 젤 추진제를 추진제 공급장치에 옮겨 분무실험을 실시하였다. 우선 젤 추진제의 공급 온 도 정도를 확인하기 위해 예비실험을 실시하였으며, 그 결과는 Fig. 8과 같다. 약 30초 간 젤 추진제를 공급하 였으며, 9^oC 정도의 공급온도가 20초 이상 꾸준히 유지 됨을 확인하였다.

Figure 9은 같은 분무 조건에서의 상온 추진제와 저온 추진제의 분무를 비교한 것이다. 추진제의 종류와 분사 압력이 같음에도 저온 추진제의 분무는 상온 추진제 분무 에 비하여 분무각이 좁아짐을 확인하였다. 이는 앞서 액 체/액체 및 젤/액체 분무를 비교했을때와 마찬가지로, 저 온 젤 추진제가 상온에 비하여 점도가 약 30% 정도 높아, 이로인하여 반경방향 운동량이 줄어든 결과로 보인다.

3.2 분사 면적 변화

공급압력을 그대로 유지하며, 핀틀의 개도를 변화시켜 면적을 변화시켰을 경우의 분무 이미지와 실험 조건을 Fig. 10에 나타내었다. 핀틀 개도를 줄이게 되면, 환형 슬 리브 갭과 핀틀 갭의 면적이 동시에 줄어들어 유량이 줄 어들게 되며, 특히 핀틀 갭의 젤 분무의 속도가 빨라지며 반경방향 운동량 증가로 인해 TMR이 늘어나게 된다. 그 러나 환형갭 또한 분사면적이 줄어들어 분사속도가 빨라 지게 되므로 Fig. 10과 같이 분무각은 큰 차이가 없으나, 액막이 완전히 분열되는 분열길이가 줄어들게 되어 유량 이 줄어들어도 분무 성능이 유지될 수 있게 된다.

Fig. 8 Gel simulant injection temperature

Fig. 9 Gel/Water Spray visualization images of pintle injector at different temperature

4. 결 론

핀틀 인젝터의 젤 추진제 분무 특성 연구를 위하여, 핀틀갭과 환형갭의 면적 제어가 동시에 가능한 가변 면 적 핀틀 인젝터를 제작하였다. 실험에 사용될 워터젤은 회전형 점도계를 이용한 점도 측정을 통해, 케로신 젤과 비교하여 0.05% 농도의 Carbopol 940 워터젤로 선정하 였다.

젤 추진제 분무의 영향을 살펴보고자 공급 조건을 같 게 유지하며 액체 분무와 젤 분무를 비교하였다. 젤 추 진제의 분무는 액체 분무에 비하여 높은 점도로 인하여 분무각이 감소하는 모습을 보이나, 이는 분사 압력이 고 압으로 갈수록 차이가 적어지는 모습을 보였다. 이는 젤 추진제의 전단박화로 인하여 점점 젤 추진제의 점도가 액체와 비슷해지며 나타난 결과로 보인다. 또한 저온 젤 추진제 분무 실험을 통해, 젤 추진제의 점도가 높은 저 온 분무에서는 같은 공급조건임에도 분무각이 줄어들어 젤 추진제의 온도 변화로 인한 점도 차이가 분무에 영 향을 끼침을 확인하였다. 마지막으로 인젝터의 가변 면 적 분사 성능을 검증하기 위하여 핀틀 개도를 변화시켜 젤 분무를 가시화 하였으며, 분사 면적이 감소한 결과 특히 핀틀 갭 분무의 속도가 빨라지며 TMR이 증가하 며 분무의 분열길이가 짧아지는 결과를 확인하였다. 젤 추진제의 경우 보통 반응성 금속입자를 첨가하여 연소

성능을 끌어올리는데, 이 경우 금속입자를 첨가하지 않 았을 경우보다 액적의 연소 시간이 수 배 정도 길어지 는 것으로 보고되고 있다⁽¹¹⁾. 따라서, 저추력 조건에서 분무 분열성능을 유지하는 것이 젤 추진제 로켓 엔진에 서 중요한 이슈이며, 실제 분무 분열 길이가 짧아지는 현상을 확인하여 젤 추진제를 핀틀 인젝터에 채택할 수 있을것으로 기대된다.

후 기

본 연구는 국방과학연구소의 순수기초연구사업(17- 113-504-013)과 서울대학교 차세대 우주추진 연구센터 의 지원(NRF-2013R1A5A1073861)을 받아 수행되었으 며, 이에 감사드립니다.

참고문헌

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(2) G. A. Dressler and J. M. Bauer, “TRW Pintle Engine Heritage and Performance Characteristics”, Proceed- Fig. 10 Spray visualization images of pintle injector at different pintle opening distance

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