한국추진공학회 2010년도 춘계학술대회 논문집 pp.81~84 2010 KSPE Spring Conference
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* 충남대학교 항공우주공학과 ** 충남대학교 기계공학과
*** 청양대학교 소방안전관리학과 연락저자, E-mail: [email protected]
과산화수소/케로신 단일 인젝터 설계 및 혼합비에 따른 연소특성
김보연* ․ 이양석* ․김근철* ․고영성* ․김 유** ․ 김선진***
A Study on Design and Combustion Characteristic of a H
2
O2
/Kerosene Uni-Injector Rocket EngineBoyeon Kim* ․ Yangsuk Lee* ․Geunchul Kim* ․Yungsung Ko* ․ Yoo Kim** ․ Sunjin Kim***
ABSTRACT
In this study, a coaxial swirl injector using hydrogen peroxide and kerosene was designed and combustion performance tests were performed to evaluate combustion characteristic according to mixture ratio. Spray characteristic of the injector was verified by cold flow test and combustion performances according to mixture ratio were evaluated by the characteristic exhaust velocity. Test results showed that the combustion efficiency at the design condition was about 95% and the pressure fluctuation was very small.
초 록
본 연구에서는 과산화수소와 케로신을 추진제로 사용하는 로켓 엔진의 혼합비에 따른 연소특성을 파 악하기 위해 동축 스월형의 단일 인젝터 로켓엔진을 설계 및 제작하여 연소실험을 수행하였다. 수류 실험을 통해 설계/제작된 단일 인젝터의 분무 성능을 검증하였으며, 연소 시험은 혼합비에 따른 연소 성능을 특성배기속도로 평가하였다. 연소 시험은 다양한 혼합비에서 성공적으로 수행되었으며, 설계점 에서의 연소 효율이 약 95% 이상이었으며 연소실 압력 섭동도 매우 작은 것으로 확인되었다.
Key Words: Liquid Rocket Engine(액체로켓엔진), Hydrogen Peroxide(과산화수소), Kerosene(케로 신), Uni Injector(단일 인젝터), Coaxial Swirl(동축스월), C*(특성배기속도)
1. 서 론 과산화수소는 로켓추진제로서의 오랜 활용 역 사를 가진 추진제로 고밀도, non-cryogenic, 저독 성 등의 장점으로 인하여 로켓 개발 역사 초기 에 많이 사용되었으나, 1960년대 이후 성능이 보 다 우수한 하이드라진과 사산화질소 등으로 대 체되었다. 하지만 최근 들어 과산화수소의 안정
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성이 크게 개선되면서 저장성이 매우 향상되었 으며, 친환경 추진제로서 최근에 다시 많은 관심 을 받고 있는 추세이다[1].본 연구에서는 향후 다중 분사기 형태의 과산 화수소/케로신 이원추진제 액체로켓엔진 개발의 선행단계로서 과산화수소와 케로신을 추진제로 하는 단일 인젝터 형태의 이원추진제 액체로켓 엔진을 설계/제작하고, 수류 실험과 연소 실험을 통하여 연소 성능을 평가하였다. 연소 성능의 평 가에는 특성속도()를 이용하였으며, 연소실 압 력 섭동의 최대값을 연소실 압력 값의 백분율로 나타내어 연소 안정성을 평가하였다[2,3].
2. 엔진 설계 및 제작
본 연구에서의 엔진 설계 목표치는 Table 1과 같으며, 미립화 특성이 우수한 동축 스월형 인젝 터로 설계하였다. 먼저 CEA 코드를 이용하여 최 적의 Isp를 갖는 혼합비를 구하여 혼합비를 7.6 을 설계점으로 정하였고, 인젝터 차압은 5 bar로 선정하였다[4]. Table 2는 인젝터 설계 조건을 나 타낸 것이며, Fig. 1은 일반적인 동축 스월형 인 젝터 설계 방식에 따라 설계/제작된 단일 인젝 터 믹싱 헤드를 나타낸 것이다[5].
연소실은 과산화수소/케로신 조합의 연소실 특성 길이인 1.65m와 CEA 코드로 계산된 물성치를 이용하여 설계되었으며, 설계된 연소실 의 형상은 Table 3과 같으며 노즐 출구 직경은 지상 시험용으로 결정되었으며 graphite 노즐을 사용하였다.
3. 실험장치 및 방법
3.1 수류 시험
연소 시험에 앞서 설계/제작된 분사기의 성능 및 제작성 검토를 위하여 수류시험을 수행하였 다. 수류 시험은 모의 추진제인 물을 이용하여 수행하였으며, 질소 가압 방식으로 물을 공급하 였다. Fig. 2는 수류시험을 위한 장치도이다.
설계조건 내용
추진제 Oxidizer : 95% H2O2
Fuel : Kerosene
추력 (진공) 83 N
연소압 10 bara
1000 Table 1. Engine design parameter
설계조건 연료 산화제
차압 [] 5 bar 5 bar
유량 [g/s] 3.16 24
Inlet Orifice 2 2
Table 2. Injector Design Parameter
Fig. 1 Uni-injector mixing head
Chamber length (
) 125.13
Chamber diameter (
) 68
Nozzle throat diameter (
) 7.47
Nozzle exit diameter (
) 11.67
Convergence half angle 30°
Divergence half angle 15°
Table 3. Dimensions of combustion chamber
3.2 연소 시험
수류 시험으로 검증된 분사기는 연소 시험을 통하여 성능을 검증하였다. 연소 시험은 가스산 소와 가스메탄을 사용한 가스토치 점화방식을 사용하여 수행하였고, 연소시험에 사용된 밸브 시크원스는 Fig. 3과 같다. 설계 혼합비 7.6을 기 준으로 연소 시험을 수행하고, 두 곳의 탈설계점 에서 연소시험을 각각 수행하였다. 또한, 연소 시험은 재현성 확인을 위해 각각 2번씩 총 6회 수행하였다. Figure 4는 수직스탠드에 장착된 엔 진을 나타낸 것이다.
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Fig. 2 Schematic of cold flow testFig. 3 Valve sequences of a combustion test
Fig. 4 Installed uni-injector engine
4. 결과 및 고찰
4.1 수류시험
Fig. 5는 각각 과산화수소와 케로신의 분무 사 진을 나타낸 것으로서, 과산화수소 분산각 81°, 케로신 분산각 41°로 설계 분산각보다 다소 작 은 값이 측정되었다. 이는 분사기의 직경이 매우 작으며, 추진제가 분사기를 통해 스월 형태로 분
(a) H2O2 (b) Kerosene Fig. 5 The result of hydraulic test
사되면서 생기는 마찰 손실 때문이라고 판단된 다. 하지만 미립화 성능은 과산화수소 분사기, 케로신 분사기 모두 양호한 것을 확인할 수 있 다.
4.2 연소시험
Figure 6은 설계점 조건에서의 연소 시험에서 획득된 압력 곡선으로서 연소실 압력이 일정하 게 형성됨을 확인할 수 있으며, Table 4는 모든 시험 조건에서의 O/F ratio에 따른 압력과 특성 배기속도 등을 정리한 것이다. 계산된 특성 속도 값은 CEA 코드를 이용하여 계산된 것으로 이 값을 이론값으로 정의하였고, 연소 성능은 실험 치와 이론값과의 비교로 나타내었다. 이론값의 경우 혼합비가 6.56일 경우 최고 1631.9
이 고, 혼합비가 커질수록 점점 줄어드는 경향을 보 인다. 연소 실험에서 획득된 연소실 압력과 측정 된 노즐목, 총 유량 값을 통하여 계산된 특성속 도는 혼합비가 8일 때 최고값 1570.2
을 나 타내고 혼합비가 커질수록 다소 감소하는 것으 로 나타났다. Fig. 7은 특성 속도 효율을 나타낸 것으로 이것은 연소 효율을 나타내며, 평균적으 로는 약 95% 정도의 연소 효율을 나타내는 것으 로부터, 설계/제작된 단일 분사기 엔진의 연소 성능이 상당히 높은 것을 확인할 수 있다. Fig.8은 혼합비에 따른 연소실 압력 섭동 값을 나타 낸 것으로 혼합비가 증가할수록 점차로 증가하 는 경향을 보이고 있지만, 일반적으로 연소실의 압력 섭동이 연소실 평균 압력 대비 5% 이내이 면 안정적인 연소가 일어났다고 판단하게 되는 데 모든 혼합비에서 압력 섭동값이 0.75%이내로
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Fig. 6 Chamber pressure at O/F 7.76No. O/F Pc [bara] C* [m/s]
Theory
C* [m/s]
Experiment
1 6.36 10.4 1633.2 1522.2
2 6.42 10.4 1632.9 1547.1
3 7.76 10.6 1609.6 15345.0
4 8.00 10.8 1603.8 1570.2
5 9.79 10.7 1553.5 1479.5
6 10.27 10.6 1540.2 1516.5
Table 4. The result of tests
Fig. 7 C*,
according to mixture ratioFig. 8 Pressure fluctuation according to mixture ratio
서 본 연구에서 개발된 단일 분사기의 연소 안 정성이 매우 뛰어남을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 과산화수소/케로신을 사용하는 동축 스월형 단일 인젝터 엔진을 설계 및 제작 하여 수류 시험, 연소 시험을 수행하였다. 수류 시험 결과 설계 분산각보다 작은 분산각을 형성 하였지만, 미립화 성능은 양호하였다. 연소 시험 결과 혼합비가 8.0일 때 C*가 가장 높게 측정되 었다. C*의 효율은 약 95% 이상, 압력섭동은 1%
미만으로 매우 효율적이며 안정적 연소가 일어 난 것을 확인하여 설계/제작된 인젝터의 성능을 검증하였다. 본 연구에서 설계/제작된 단일 인젝 터는 향후 개발되어질 과산화수소/케로신 다중 분사기 엔진 설계의 참고 자료로 사용될 수 있 을 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 한국과학재단 NSL (National Science Laboratory)의 연구지원을 받아 수행하 였습니다.
참 고 문 헌
1. M. C. Ventura and P. Mullens, "The Use of Hydrogen Peroxide for Propulsion and Power“, AIAA-99-2880
2. Sutton, G. P., Rocket Propulsion Elements, 7th ed., John Wiley & Sons Inc., 2001 3. 김보연, 황오식, 이양석, 고영성, 김유, 김선
진, “과산화수소/케로신 점화용 분사기 설계 및 분무특성에 관한 연구,” 한국추진공학회 춘계학술대회, 2009
4. NASA Lewis Research Center, "CEA (Chmical Equilibrium with Application)"
5. Bayvel, Orzevhowski, Liquid automization, Taylor&Francis, 1993
