한국추진공학회 2009년도 춘계학술대회 논문집 pp.71~75 2009 KSPE Spring Conference
* 한국항공우주연구원 연소기팀 연락저자, E-mail: [email protected]
30톤급 액체로켓엔진 재생냉각 연소기 저압 연소시험 결과
한영민* ․ 김종규* ․ 이광진* ․ 임병직* ․안규복* ․ 김문기* ․ 서성현* ․ 최환석*
Low Pressure Test Results of Regenerative Cooling Combustion Chamber for 30tonf-Class Liquid Rocket
Engine
Yeoung-Min Han* ․Jonggyu Kim* ․ Kwang-Jin Lee* ․ Byoungjik Lim* ․Kyubok Ahn* ․ Munki Kim* ․ Seonghyeon Seo* ․ Hwan-Seok Choi*
ABSTRACT
Test results of combustion chamber to verify the operation and the combustion performance at low pressure, design and off-design conditions for 30ton-class liquid rocket engine were described. The combustion chamber has nominal chamber pressure of 60 bar, propellant mass flow rate of 89 kg/s, and nozzle expansion of 12. Effects of chamber pressure on combustion characteristic velocity are largely affected by mixture ratio. The specific impulse of combustion chamber is proportional to the chamber pressure regardless of the mixture ratios. The present results can be used as the base to predict the combustion performance of large sized chamber at high pressure while demonstrating the possibility of low pressure firing test of large sized chamber.
초 록
30톤급 액체로켓엔진 재생냉각 연소기에서 넓은 영역에서의 연소기 작동성 및 연소성능 등을 확인 하기 위한 저압 및 설계/탈설계점 연소시험 결과에 대해 기술하였다. 연소기의 연소압력은 60 bar, 추진제 유량은 약 89 kg/s 그리고 노즐 팽창비는 12이다. 연소특성속도에 대한 압력의 영향은 혼합 비 에 따라 크게 나타났다. 연소기의 비추력은 혼합비에 크게 영향을 받지 않았고 압력에 비례함을 알 수 있었다. 본 결과는 향후 대형 연소기에서 저압 연소시험의 가능성을 제시할 뿐만 아니라 대형 연소기의 고압 연소압력에서의 연소성능을 예측하는 기본 데이터로 활용될 수 있을 것이다.
Key Words: Combustion Chamber(연소기), Low Pressure(저압력), Combustion Characteristic Velocity(연소특성속도), Specific Impulse(비추력)
1. 서 론
액체로켓엔진 연소기는 추진제를 균일하게 분 사기로 공급하여 분사하는 연소기 헤드, 추진제 를 혼합한 후 연소시켜 고압 고온의 가스를 생 성하는 연소실, 연소가스를 높은 속도로 방출시 켜 추력을 얻는 노즐 그리고 점화시스템 및 추 력전달 구조물 등으로 이루어져 있다. 이러한 연 소기에서 설계점뿐만 아니라 탈설계점에서 안정 적인 작동은 엔진 운용상의 신뢰도 확보 차원에 서 매우 중요하다[1].
본 논문에서 언급한 연소기는 기존 30톤급 액 체로켓엔진 연소기에 새로운 개념을 도입한 연 소기[2,3]로 산화제 선공급 cyclogram으로 초기 점화 특성 확인을 위한 연소시험[4], 설계점에서 연소기의 작동성 및 연소성능 확인 등을 위한 초기 연소시험[5] 그리고 재생냉각 성능 및 연소 기의 내구성 확인을 위한 연소시험[6] 등을 성공 적으로 수행하였다.
본 논문에서는 이러한 시험 이후 넓은 영역에 서의 연소기 작동성 및 연소성능 등을 확인하기 위한 저압 및 설계/탈설계점 연소시험 결과를 제시하였다. 추진제 혼합비가 설계점과 같이 2.45이고 연소압력이 30/60bar 연소시험, 혼합비 2.1 그리고 연소압력이 30/60bar인 탈설계점의 연소시험, 혼합비 2.8 그리고 연소압력이 30/60bar인 탈설계점의 연소시험 결과를 기술하 였다. 또한 연소압력이 30bar 및 60bar에서 혼합 비에 대한 연소특성속도(C*) 및 비추력 등을 나 타내었으며 압력에 따른 특성을 비교하였다. 본 결과는 향후 대형 연소기에서 저압 연소시험의 가능성을 제시할 뿐만 아니라 대형 연소기의 고 압 연소압력에서의 연소성능을 예측하는 기본 데이터로 활용될 수 있을 것이다.
2. 30톤급 산화제 선공급 재생냉각 연소기
2.1 재생냉각 연소기
본 논문에서 기술하는 노즐 팽창비 12인 75톤 연소기의 1/2.5 축소형 모델 연소기는 기존 개발 한 30톤급 연소기에 새로운 개념을 도입한 연소 기이다. 액체산소와 케로신을 추진제로 사용하고
연소기 규격은 기존 연소기와 동일하다. 연소압 력은 60bar, 혼합비는 2.44, 전체 추진제 유량은 88.8kg/s, 연소실 직경은 360mm, 노즐목 직경은 180.5mm, 노즐출구직경은 625mm(노즐 팽창비 12)로 연소특성속도는 약 1710m/sec을 목표로 설계되었고 상세한 것은 참고문헌[3]에 제시하였 다. 점화 시스템을 변경하였으며 기존의 경우 최 외곽 연료 냉각 분사기에 의한 추가적인 연소실 벽면 냉각을 하였지만 본 연소기의 경우 연소실 벽면의 2곳 막냉각링을 이용한 냉각을 도입하였 다. 산화제 공급배관을 기존의 측면 공급에서 중 앙 공급으로 변경하였다.
Fig. 1 Regenerative Combustion Chamber (Nozzle Expansion Ratio(e) 12)
2.2 연소기 장착 및 연소시험 영역
본 30톤급 산화제 선공급 재생냉각 연소기의 연소시험을 위하여 설비의 산화제 배관을 수정 하여 분사기 헤드 중앙으로 산화제를 공급하였 고, 점화기 라인을 수정하여 중앙 점화기 1개, 연소실의 측면 6개 분사기로 점화제 및 연료가 공급될 수 있도록 하였다. 연소기의 연소시험 영 역은 추진제 혼합비가 2.45이고 연소압력이 30bar인 DP'와 연소압력이 60bar인 DP, 혼합비 가 설계점 보다 낮은 2.1이고 연소압력이 30bar 인 OD8'와 연소압력이 60bar인 OD8 그리고 혼 합비가 설계점 보다 높은 2.8이고 연소압력이 30bar인 OD6'와 연소압력이 60bar인 OD6로 설 정하였다.
Chamber Pressure vs O/F Ratio
25 30 35 40 45 50 55 60 65
1.50 2.00 2.50 3.00 3.50
O/F Ratio
Chamber Pressure (Bara) .
SDM#1(예상점)
Fig. 2 Operating Window of Combustion Chamber 3. 시험 결과
3.1 혼합비 2.45, 압력 30/60bar(DP', DP) 연소시험 Full-scale 재생냉각 연소기에 대한 설계점 60 초 연소시험 후 내구성 문제가 없다고 판단하여 저압특성을 파악하기 위해 혼합비 2.45이면서 연 소압력이 30/60bar인 DP'/DP 16초 연소시험을 수행하였다. 연소기 점화 순서는 기존과 같이 산 화제 선공급 cyclogram이며 저압에서 재생냉각 및 연소성능 확인을 위한 8초의 연소시간을 할 당했으며 나머지 8초는 설계점에 할당하였다.
Fig. 3 Manifold & Chamber Pressure at DP‘ & DP
연소시험은 성공적으로 수행되었으며 30bar 저압조건에서 연소기의 작동성에 문제가 없었다.
저압조건에서 연소기의 연소압력은 29,7bar, 유 량은 44.1kg/sec, 추력은 10톤, 연소특성속도(C*) 는 1735m/sec, 비추력은 228sec 그리고 혼합비
는 목표치인 2.45보다 작은 2.2를 보여주었다. 설 계점에서는 기존의 시험과 유사한 결과를 보여 주었다. 냉각 케로신 온도 상승은 저압인 경우 약 51K로 60bar 경우의 59K보다 작은 값인데 이 는 혼합비 및 연소압력 감소에 의한 것으로 판 단된다. 저압에서의 압력섭동은 rms 기준 약 0.25bar로 연소압력 기준 0.8%의 값을 보여주어 설계점에서의 섭동과 비슷하다.
Fig. 4 Kerosene Cooling Temperature at DP‘ & DP
Fig. 5 Chamber pressure Fluctuation at DP‘ & DP
3.2 혼합비 2.1, 압력 30/60bar(OD8', OD8) 연소시험 혼합비가 2.1로 설계점보다 낮고 연소압력은 30/60bar인 탈설계점 OD8'/OD8에 대한 16초 연소시험을 수행하였다. 혼합비가 낮아 냉각은 문제없지만 안정적인 연소 및 성능을 확인하는 시험이다.
혼합비가 낮은 저압에서 안정적인 연소를 보 여 주었으며 연소기의 하드웨어적인 손상은 전 혀 발생하지 않았다. 저압(OD8')에서 연소압력은 29.7bar, 유량은 44.4kg/sec, 추력은 10톤, 연소특
성속도는 1723m/sec, 비추력은 226sec, 혼합비는 목표치와 비슷한 2.0을 보여주었다. 탈설계점 OD8에서는 압력은 59.9bar, 유량은 88kg/sec, 연 소특성속도는 1751m/sec, 비추력은 262sec, 혼합 비는 2.1을 보여주었다. 냉각 케로신 온도 상승 은 30bar나 60bar에서 거의 비슷한 50K의 상승 을 보여주었는데 이는 온도 상승이 연소압력보 다는 추진제의 혼합비에 더 민감하다는 것을 의 미한다.
Fig. 6 Manifold & Chamber Pressure at OD8‘ & OD8
Fig. 7 Kerosene Cooling Temperature at OD8‘ & OD8
3.3 혼합비 2.8, 압력 30/60bar(OD6', OD6) 연소시험 혼합비가 2.8로 설계점에 비해 높고 연소압력 이 30/60bar인 탈설계점 OD6'/OD6에 12초 연 소시험을 수행하였다. 혼합비가 높아 가혹한 재 생냉각 조건인 관계로 연소시험 시간을 줄여 시 험을 수행하였다.
연소시험은 성공적으로 수행되었으며 혼합비 가 높은 관계로 기존 연소시험에서 쌓였던 연소 실 벽면의 soot가 없어진 것 이외에 하드웨어적 인 손상은 없었다.
(a) Nozzle Exit (b) Injector Head Fig. 8 Photo after Combustion Test
Fig. 9 Manifold & Chamber Pressure at OD6‘ & OD6
Fig. 10 Kerosene Cooling Temperature at OD6‘ & OD6
혼합비가 높은 OD6'에서의 압력은 29.6bar, 유 량은 44.0kg/sec, 추력은 10톤, 연소특성속도는 1729m/sec, 비추력은 229.1sec, 혼합비는 목표치 인 2.8에 비해 낮은 2.4를 보여주었다. 낮은 혼합
비는 설비의 오리피스 한계에 의한 것이다. 탈설 계점 OD6에서의 압력은 59.7bar, 혼합비는 2.8, 연소특성속도는 1738m/sec, 비추력은 266sec이 다. 저압에서의 냉각 케로신 온도 상승은 약 50K이고 60bar에서는 67K로 온도상승은 혼합비 에 의존함을 보여주고 있다.
3.4 연소시험 결과 정리
본 연소기로 수행한 위 연소시험에 대한 결과 를 정리하였다. 30bar와 60bar 연소압력에서 연 소특성속도 차이는 혼합비 2.1, 2.45, 2.8에서 각 각 1.6, 1, 0.5% 정도 감소했으며 설계점에서 모 두 최대값을 보여주고 있다. 비추력 차이는 혼합 비에 관계없이 두 압력 사이에서 약 37sec가 발 생했는데 이는 압력 감소에 따른 것이다. 기존의 경우 비추력이 혼합비 2.5근처에서 최대값을 보 여 주었지만[7] 본 결과의 경우 시험 data 개수 가 작아 명확치 않다.
OD8' DP' OD6'
연소압력(bar) 30 30 30
혼합비 2.0 2.2 2.4
C*(m/sec) 1723 1735 1729 비추력(sec) 226 228 229
OD8 DP OD6
연소압력(bar) 60.4 60.9 60.3
혼합비 2.1 2.5 2.8
C*(m/sec) 1751 1754 1738 비추력(sec) 262 266 266 Table 1 Test Results of Combustion Chamber
4. 결 론
30톤급 액체로켓엔진 재생냉각 연소기에서 넓은 영역에서의 연소기 작동성 및 연소성능 등 을 확인하기 위한 저압 및 설계/탈설계점 연소 시험을 성공적으로 수행하였다. 연소특성속도는
혼합비가 감소함에 따라 압력효과가 크게 나타 남을 알 수 있었다. 하지만 연소기의 비추력은 혼합비에 크게 영향을 받지 않았고 단지 압력에 비례함을 알 수 있었다. 본 결과는 향후 대형 연 소기에서 저압 연소시험의 가능성을 제시할 뿐 만 아니라 대형 연소기의 고압 연소압력에서의 연소성능을 예측하는 기본 데이터로 활용될 수 있을 것이다.
참 고 문 헌
1. Huzel, D. K. and Huang, D. H., Modern Engineering for Design of Liquid - Propellant Rocket Engines, Vol. 174, AIAA, 1992 2. 최환석, 설우석, 이수용, “KSR-III 액체추진제
로켓 엔진 개발,” 한국추진공학회지, 제8권 제3호, 2004, pp.75～86.
3. 김종규 외, “선화제 선공급 액체로켓엔진 연 소기의 설계/제작,” 한국항공우주학회 추계 학술대회, 2008.11
4. 한영민, 김종규, 이광진, 임병직, 안규복, 김 문기, 서성현, 최환석, “액체로켓엔진 연소기 산화제 선공급 Cyclogram에 의한 점화특 성,” 한국추진공학회 추계학술대회, 2008.11, pp.137-142
5. 한영민, 안규복, 임병직, 김종규, 이광진, 서 성현, 최환석, “선화제 선공급 액체로켓엔진 재생냉각 연소기의 초기 연소시험 결과,” 한 국항공우주학회 추계학술대회, KSAS08-2618, 2008.11, pp.831-834
6. 한영민 외, “30톤급 액체로켓엔진 재생냉각 연소기의 산화제 선공급 연소시험,” 한국항 공우주학회 추계학술대회, KSAS09-1618, 2009.04, pp.680-683
7. 한영민 외, “실물형 재생냉각 액체로켓엔진 연소기 연소시험,” 한국항공우주학회 추계학 술대회, 2007.11
