Explosive Accidents and Safe Handling of an Experimental Liquid Rocket Engine Using Nitrous Oxide as Oxidizer

(1)

1. 서 론

최근 연료가 고갈되고 환경이 오염됨에 따라 청정 로켓연료 연구가 활발히 진행되고 있다.

Technical Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2015.19.2.046

아산화질소를 산화제로 사용하는 실험용 액체로켓의 폭발사례 및 안전사용방안

최송이

^a

․ 박석영

^a

․ 이동건

^a

․ 김도헌

^b

․ 구자예

^{a, *}

Explosive Accidents and Safe Handling of an Experimental Liquid Rocket Engine Using Nitrous Oxide as Oxidizer

Songyi Choi

^a

․ Sukyoung Park

^a

․ Donggun Lee

^a

․ Dohun Kim

^b

․ Jaye Koo

^{a, *}

a

School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University, Korea

b

Department of Aerospace and Mechanical Engineering, Graduate School of Korea Aerospace University, Korea

*

Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

Nitrous oxide is known as green and safe propellant, and can be supplied by its own vapor pressure. So, many liquid propulsion research institutes and university laboratories use nitrous oxide as oxidizer of experimental liquid rocket engine. However, the unknown explosions occurred twice during hot fire experiments using subscale ethanol/nitrous oxide thruster. In this paper, we surmised that the explosions were caused by the decomposition of nitrous oxide in the injector body and the recondensation of nitrous oxide. Improvement and the safe handling methods are suggested.

초 록

아산화질소는 친환경적이고 비교적 안전하며 자발가압으로 공급될 수 있어서 다수의 액체로켓엔진 관련 연구기관 및 학교에서 산화제로 사용하고 있다. 그러나 본 연구실에서 에탄올 및 기체 아산화질 소 추진제 조합을 이용한 연소시험 중 원인을 알 수 없는 폭발 현상이 다수 발생하였고, 본 논문에서 는 분사기 내부에서의 아산화질소 분해 반응, 아산화질소 공급압력을 높이기 위한 탱크 가열에 따른 배관 내 아산화질소 재응축을 폭발현상의 원인으로 지목하고 해결책 및 안전한 아산화질소 산화제 사 용방안을 제시하였다.

Key Words: Nitrous Oxide(아산화질소), Explosion(폭발), Oxidizer(산화제), Accident(사고), Rocket (로켓)

Received 27 August 2014 / Revised 24 February 2015 / Accepted 13 March 2015 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548

This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org

/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

(2)

Vapor Pressure 52.4 bar

@ 21.1℃

Boiling Point -88.6℃

Melting Point -93.06℃

Liquid Density

(saturation pressure at 0℃) 0.913 kg/liter Critical Temperature 36.4℃

Critical Pressure 72.5 bar

1914년 고다드(Goddard, R.)가 아산화질소(N

2

O) 산화제 및 가솔린 연료를 로켓 실험에 사용하였 으며 유인 우주선인 SpaceShipOne 하이브리드 로켓에서 HTPB 연료와 함께 산화제로 사용되었 다. 에탄올(C

2

H

5

OH)/아산화질소 추진제 조합은 산화제가 안정적이고 저장이 용이하며, 연료는 비 석유연료로써 친환경적이고 연소 시 발생하 는 수트(soot)가 적다는 장점을 가진다.

아산화질소는 무색, 무독성으로 상온에서 증기 압에 의한 자발 가압 및 공급이 가능하고 분해 과정에서 열에너지가 발생하여 단일 추진제로도 사용할 수 있다는 이점이 있다. Table 1은 아산 화질소의 열역학적 상태량을 나타내고 있으며, Eq. 1은 아산화질소의 분해 반응식이다. Fig. 1은 온도에 따른 아산화질소의 증기압을 나타낸 그 래프이다.



_

  → 

_

_{  }



 

_

     (1)

본 연구실에서는 에탄올/아산화질소 추진제 조합을 이용하여 다양한 형태의 분사기에서의 연소성능 및 화염구조형상을 파악하는 실험을 수행하고 있다. 전단 동축 분사기 및 다공성재를 사용한 연소시험 중에 원인을 알 수 없는 폭발

Fig. 1 Vapor pressure of N

2

O[1].

현상이 다수 발생하였고, 고압 볼밸브, 체크밸브 와 추진제 공급 배관이 파손될 만큼 높은 압력 상승이 관찰되었다. 폭발 현상이 발생한 연소시 험 중 수집한 데이터 및 영상을 분석하고 그 원 인을 파악하여 해결방안을 제시함으로써 추후에 발생할 수 있는 사고를 방지하고 보다 안전한 실험을 할 수 있도록 정보를 교류하고자 한다.

2. 안전 사고 사례

스위스 추진 연구실(Swiss Propulsion Laboratory, SPL)의 Bruno[2] 및 미 공군 연구소 의 Claude[2]는 아산화질소의 폭발 사례, 잠재적 위험성 및 제안사항에 대한 자료 및 논문을 발 표하였는데, 그 내용을 정리하면 다음과 같다.

아산화질소는 보통 포화상태로 저장되어 사용 되며 압력과 온도의 변화에 따라 상이 쉽게 변 하는 특성이 있고, 2개의 상이 존재하면 공급배 관에서 수격작용이 발생 할 높은 잠재적 가능성 을 내포하고 있다. 이는 공동현상에 의해 기포를 발생시켜 충격파에 의한 자가 발화현상을 야기 할 수 있으며, 특히 연료와 가연성물질에 의해 표면이 오염되었을 때 더 두드러지게 나타난다.

아산화질소를 주의 깊게 다루지 않아 발생한 사

고 사례로, 미국 캘리포니아에 위치한 Mojave

Air and Space Port에서의 폭발 사고를 들 수

있다. 이 사고는 그레인이 장착되지 않은 하이브

(3)

Fig. 2 The accident occurred in mojave air and space port[2].

Fig. 3 Damaged trailer tank after the accident[3].

리드 로켓 분사기의 비 연소실험(Cold-flow test) 도중 발생하였다. 이는 오염된 아산화질소 유로 와 공동현상에 의한 수격작용으로 아산화질소가 자가 발화했기 때문에 사고가 발생한 것으로 추 정되며 Fig. 2에 사고 사진을 나타내었다[2].

다른 사례로 네덜란드 에인트호벤에서의 아산 화질소 수송차량의 폭발 사고가 있다. 이 사고는 7.5톤의 과냉 상태 아산화질소 탱크를 운반하는 트럭이 원심 펌프를 이용하여 아산화질소 공급 을 하는 도중 발생하였다. 펌프의 냉각 불량으로 온도가 높아진 아산화질소의 분해반응이 시작하 여 폭발로 이어졌고 5.7 bar의 저압 과냉 탱크로 역화하여 Fig. 3과 4와 같이 장비 전체가 폭발하 는 결과를 초래하였다[3].

이와 같은 사고사례들은 아산화질소도 산소와 마찬가지로 배관의 탈지, 수력학적 특성, 사용

Fig. 4 Damaged N

2

O supply tank after the accident[3].

온도조건 등에 대한 신중한 설계 및 관리가 필 요하다는 것을 의미하며, 실험실급의 저유량/저 압 실험장치에서도 인명 및 경제적 손실을 유발 할 수 있는 사고 가능성을 배제할 수 없음을 뜻 한다.

3. 본 론

3.1 실험 장치 개요 및 실험 방법

Fig. 5는 본 연구실에서 사용한 에탄올/아산화 질소 추진제를 사용한 소형모델 로켓엔진 실험 장치의 개략도이다[4].

50 N 급 소형 추력기는 수직 스탠드에 장치되

어있으며, 산화제와 연료 유동은 자동 공압 밸브

및 시퀀스 제어기를 사용하여 원하는 시기에 추

진제를 공급한다. 에탄올은 기체질소 가압 챔버

를 통하여 분사기에 공급된다. 산화제로 사용된

아산화질소는 고압 탱크에 액체상태로 저장되며,

탱크 상부에 저장 온도에 해당하는 증기압으로

채워진 기상 아산화질소를 레귤레이터를 통해

분사기로 공급한다. 기체 아산화질소는 차압식

오리피스 유량계를 사용하여 체적유량을 측정하

(4)

였고, 에탄올은 터빈 유량계를 사용하여 유량을 측정하였다. 본문 중 다룬 사고사례 Case 1에서 는 분사기 주위 둘레에 형성된 환형 갭을 통하 여 연소기의 질소 퍼지가 이루어졌고, Case 2에 서는 산화제 분사기를 통해 기체 질소를 분사하 여 연소 전과 연소 종료 후에 잔여 가스 및 미 연 액체 추진제를 배출시킨다.

3.2 사고 개요 및 원인분석과 해결방안 3.2.1 Case 1 : 연소기 내부 폭발

본 실험에서는 동축형 다공성재 분사기를 사 용하였으며, 동축형 다공성재 분사기는 리세스 영역 내부에서 반경방향으로 분사되는 기체제트 가 축 방향으로 발달하면서 운동량을 중심 액체 제트로 전달하여 액체제트를 분열하게 한다. 다 공성재는 와이어 방전 가공된 소결 스테인리스 스틸로 제작되었다(Fig. 6). 시퀀스는 아산화질소 의 공급 압력과 온도가 평형상태에 도달한 후 연소가 이루어지게 하기 위하여 아산화질소를 선공급하였다. 아산화질소가 먼저 공급되고 2.8 초 후에 토치점화기가 0.5초 동안 작동하며, 에 탄올은 아산화질소가 공급되고 3초 뒤에 분사된

다. 연소는 3초 동안 지속되며 추진제 밸브가 닫 힘과 동시에 기체 질소로 6초 동안 퍼지를 하였 다(Fig. 7 참고).

Fig. 8, 9는 연소시험 중 연소기 내부에서 폭 발성 점화가 일어나 손상된 연소기/분사기의 상 태를 나타낸 사진이다. 폭발로 인해 연소기 내부 압력이 급격히 증가하여 Fig. 8과 같이 스테인리 스 스틸로 제작된 연소기가 팽창하였으며, Fig.

9와 같이 다공성재가 열손상을 입은 흔적이 관 찰되었다. 또한, 폭발 직후 산화제 공급배관 표 면에 생긴 결빙을 보아, 급격한 온도강하가 있었 음을 짐작할 수 있었다. 해당 시험은 동계기간에 수행되었으며 당시 외기 온도조건(4℃)에서의 아 산화질소 탱크 내부 증기압은 35 bar 였다. 산화 제 공급압력을 확보하기 위해 아산화질소 탱크 를 가열하여 65 bar로 승압된 상태로 시험을 수 행했으며, 탱크는 한 번도 사용된 적이 없이 만 충된 상태였다.

연소 전 아산화질소 공급 시 레귤레이터 상/

하류 사이에서 큰 압력강하가 일어나 산화제 공

급 배관에서 아산화질소의 팽창비가 높아졌고,

이로 인해 아산화질소의 온도가 급격히 감소했

Fig. 5 Schematic of hot fire test facility for nitrous oxide/ethanol liquid rocket engine[4].

(5)

Fig. 6 Schematic of coaxial porous injector[4].

다. Table 2는 해당 실험의 아산화질소 유량 계 측부에서 시간에 따른 압력 및 온도의 변화를 나타내며 각 압력 조건에서 아산화질소의 포화 온도를 함께 표시하였다. 이를 시간 변화 선도로 나타낸 것이 Fig. 10이며 아산화질소가 포화온도 이하로 공급되는 것을 알 수 있다. 따라서 아산 화질소 공급배관 내부에서 재응축 현상이 발생 했음을 알 수 있으며 액상 아산화질소가 혼합된 2상(two phase) 유체 상태로 연소기에 공급되었 을 것으로 판단된다. 따라서 점화 전 액체 아산 화질소가 상온상태의 연소기에 유입되었고 배관 에 비하여 열용량이 큰 연소기와 접촉하여 증발 하면서 점화 직전의 연소기 내부압력이 약 6.5 bar까지 높게 나타난 것으로 생각된다.

Fig. 11은 폭발이 일어난 점화 시기 인근의 분 사기 상류 및 연소실 압력을 나타낸다. 점화 시 퀀스에 따라, 산화제가 약 3초 동안 선공급되었 고, 점화기가 작동된 상태에서 연료가 분사되고 약 400 ms가 지난 후 폭발이 일어났다. 이로 미 루어볼 때 폭발성 점화가 발생한 원인은 다음과 같이 추정된다. (i) 액상 아산화질소 분사로 인한 연소기로의 산화제 과다유입 및 이로 인한 점화 직전 높은 연소실 내부압력이 야기되었고, 이는 연소반응률 증가로 인하여 폭발성 점화를 일으 킬 수 있다. (ii) 산화제가 농후한 조건에서 연료 와 점화에너지가 공급되어 연소반응이 시작되었 고, 연소 및 아산화질소 분해 반응으로 인해 높 은 에너지 방출이 발생, 연소기 내의 높은 추진

Fig. 7 Hot-firing test sequence : oxidizer pre-feeding configuration.

제 밀도로 인해 폭발적인 연소가 일어났을 것으 로 생각된다. (iii) 해당 실험에서 약 400 ms의 점화지연이 관찰되었는데, 이는 산화제 뿐 아니 라 액체 연료의 과도한 연소기 내부 잔류를 야 기할 수 있다(수직 스탠드에 장착하여 사용하였 으나, 액체연료의 표면장력으로 인해 연소기 벽 면에 액막 형태로 잔류).

Fig. 9는 열손상된 다공성재를 나타내며, 급격 한 연소 압력증가는 분사기에서의 역류를 야기 하며 이 때 표면적이 넓어 산화제와의 metal-burning이 일어나기 쉬운 다공성재(소결 스테인리스스틸)에서 반응이 일어난 것으로 생각 된다.

추후에 같은 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해 분사기 상류에 오리피스를 설치하여 공급 배관 내에서 압력 강하에 따른 아산화질소의 온 도 강하를 최대한 줄이고, 역류에 대한 안정성을 높여 점화 시의 연소안정성을 높였다. 또 레귤레 이터 하류에 열교환기를 설치하여 큰 압력강하 로 인해 기체 아산화질소가 액체로 응축하는 것 을 방지하고자 했다. 열교환기는 1 kW 히터와 구리튜브로 구성되어 있으며, 열전달 매질로는 물을 사용하였다(Fig. 5 참조).

3.2.2 Case 2 : 분사기 상류 배관 폭발

Case 1과 달리 Case 2에서는 연소시험 중 분

사기에서 폭발적인 연소반응이 일어나 분사기

상류부의 배관 및 유체제어장치가 손상되는 사

고가 발생하였다. 해당 사고가 발생한 실험에서

는 전단동축형 분사기를 사용하였으며, 토치점화

(6)

Fig. 8 Expanded combustion chamber after the explosion.

Fig. 9 Sintered stainless steel(left) and damaged sintered stainless steel after explosion(right).

Time after GAS v/v openning

(sec)

P

GAS, flow

(bar)

T

saturation

(K)

T

GAS, flow

(K)

0.6 21.85 260.66 264.0

0.8 19.38 256.37 263.5

1.0 17.61 253.06 260.3

1.2 16.9 251.67 257.2

1.4 16.99 251.84 255.9

1.6 17.18 252.22 255.2

1.8 17.04 251.94 253.0

2.0 16.74 251.35 250.3

2.2 16.5 250.86 249.2

Table 2. Saturation temperature and feeding temperature of nitrous oxide during hot-fire test.

기를 사용하여 점화가 이루어졌다. 토치점화기는 기체 아산화질소와 기체 메탄을 사용하였으며,

Fig. 10 Comparison between saturation temperature and feeding temperature of nitrous oxide during hot-fire test.

Fig. 11 Time trace of propellant injection and combustion pressure.

제작 직후 O/F비만 조정되었고 최적 작동조건

이 덜 찾아진 상태였기 때문에 작동 시 점화기

내부에서의 연소압력 피크가 다소 높은 상태였

다. 폭발 시 데이터 수집 시스템의 오류로 인해

분사기 및 연소기 내부의 압력 변화는 알 수 없

었으나 분사기에서의 압력강하는 약 8 bar로 초

킹조건을 만족하는 유동조건이었다. 폭발 직후

분사기를 분해했을 때 Fig. 13과 같이 산화제 분

사기 내부에 에탄올 연료가 고여있는 것을 볼

수 있었는데, 이는 Fig. 12에 나타낸 바와 같이

연소시퀀스 시작 전 질소퍼지 시 분사기 둘레의

환형 갭을 통해 연소실 압력이 상승했고, 분사기

팁(A)에 맺힌 액체연료가 분사기 내부(B)로 역류

(7)

Fig. 12 Sectional drawing of coaxial injector.

한 것으로 생각된다.

점화를 시도할 때 토치 점화기가 데토네이션 화염파를 생성하는 역할을 하여(pre-detonator) 연소기 내부의 미연추진제의 화학반응 속도를 증가시켰고, 따라서 점화 시 방출된 에너지가 높 아져 연소기 내부로 분사된 추진제의 데토네이 션 연소(M>1)를 야기했을 가능성도 배제할 수 없었다. 데토네이션 화염으로 발생한 압력파가 초킹상태(M=1)로 아산화질소를 분사하는 기체 분사기를 역행했고, 이로 인해 분사기 내부의 아 산화질소의 온도와 압력이 상승하여 분해반응을 야기한 것으로 추정된다. 배관 내 기체의 몰 (mole)수가 증가함과 동시에 분해 시 방출된 열 에너지 때문에 온도와 압력이 상승하면서 자연 발화가 일어날 수 있다[5]. 자연발화에 의한 화 염이 배관의 상류 쪽으로 전파[6]하면서 나일론 합성 폴리머 재질의 유연 배관(최대 사용압력 약 440 bar) 내부가 산화제와 빠른 속도로 연소 반 응을 일으켜 Fig. 14와 같이 파손되었으며 역류 를 방지하기 위해 장치한 체크밸브(Max. press.

rating up to 216 bar)와 볼밸브(Max. press.

rating up to 152 bar), 압력 트랜스듀서도 각각 Fig. 15, 16과 같이 크게 파손되는 결과를 초래 했다.

추후에 같은 현상이 발생하지 않도록 아산화 질소 분사기의 상류에 소결필터를 장착하여 역

Fig. 13 Ethanol inside of oxidizer injector.

Fig. 14 Damaged high-molecular-compound flexible hose.

화와 분해반응의 확산을 막고, 기존에 사용했던 고분자화합물 유연배관대신 스테인리스로 제작 된 유연배관으로 교체하여 배관의 파손을 막았 다. 실험을 진행할 때 연료만 분사하고 퍼지를 수행 할 경우 에탄올이 산화제 분사기 내부에 유입할 가능성이 있으므로 산화제 분사기 내부 도 반드시 별도로 퍼지 하도록 했다. 또한 토치 점화기의 점화제 유량 및 작동 시퀀스 등의 작 동조건 최적화 과정을 통하여 과도한 점화에너 지가 공급되는 것을 방지하였다.

3.2.3 해결방안 적용 후 연소실험 결과

Fig. 17은 사고 사례 분석을 통해 제시된 안전

사용방안을 적용 후의 연소시험 시 측정된 압력

및 온도 선도를 나타낸다. 아산화질소 공급온도

는 완전한 기상이 공급될 수 있도록 열교환기를

통해 포화온도보다 약 30 K 높게 유지되었다.

(8)

Fig. 15 Damaged ball valve.

Fig. 16 Damaged pressure transducer.

Fig. 17 Pressure and temperature traces of the hot firing test using supplemented facility.

분사기 상류에서의 오리피스 직경 축소를 통하 여 분사기에서의 산화제 및 연료 차압을 높여 점화 시 압력 피크 시 추진제 역류 가능성 및 유량변화량을 줄였다. 동일한 산화제 선공급 시 퀀스에서 다회의 실험 시 안정적인 연소가 가능 하였으며, 목표한 실험결과[4]를 도출할 수 있었 다.

되었다. 외기 온도가 낮은 동계기간에 기체 아산 화질소를 사용할 경우 레귤레이터 등에서의 급 격한 팽창으로 인해 아산화질소의 온도가 포화 온도 이하로 떨어 질 수 있다. 이로 인해 공급배 관 내에서 재응축으로 인한 2상 유동이 초래될 수 있고 아산화질소의 질량유량이 설계유량을 초과할 수 있음을 유념해야한다.

또한 점화 시 데토네이션파가 발생 할 경우 산화제 분사기로 화염이 역류하여 연료가 없는 조건에서도 아산화질소의 분해로 인해 높은 에 너지가 발생하여 폭발할 위험이 있을 것으로 생 각되며 이를 방지하기 위해 점화 시퀀스를 최적 화하고, 체크 밸브와 역류하는 화염의 전파를 방 지하기 위한 다공성재 필터를 분사기 상류에 2 중으로 설치하는 것이 안전할 것으로 판단된다.

제시된 해결방안을 적용 후의 연소실험에서는 사고사례와 같은 폭발현상이 재현되지 않았으며, 안정적인 연소실험이 가능하였다.

후 기

이 논문은 2014년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단 우주핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행된 연구임 (NRF-2012M 1A3A3A02033146).

References

1. Hodge, H.J., "Vapor Pressure, Latent Heat

Of Vaporization, And Triple-Point

Temperature Of N

2

O," Part of Journal of

Research of the National Bureau of Standards,

(9)

Vol. 34, Issue 3, pp. 281-293, 1945.

2. Berger, B., "N2O safety," World Wide Web location http://www.spl.ch/publication /SPL_Papers/N2O_safety_e.pdf, Swiss propulsion laboratory, Oct. 2007.

3. Merrill, C., "Nitrous Oxide Explosive Hazard," Air Force Research Laboratory, AFRL-RZ-ED-TP-2008-184, 2008.

4. Kim, D., Lee, K. and Koo, J., "Effect of Wall-Injection Length on Spray Core and Combustion Performance in a Coaxial

Porous Injection," 50th AIAA/ASME/SAE/

ASEE Joint Propulsion conference, Cleveland, OH, USA, AIAA 2014-3585, July 2014.

5. Kramer, A.F., "Summary of Nitrous Oxide Investigations," Air Force Weapons Laboratory, AFWL TR-75-231, 1976.