硏究論文
고체로켓모터 표면분사 시험모델의 유동 가시화
김도헌* ․ 이인철** ․ 구자예***
†
․ 조용호**** ․ 강문중***** ․ 김윤곤******Visualization of Internal Flows in the Wall-injected Test Model of a SRM
Dohun Kim* ․ Inchul Lee** ․ Jaye Koo***
†
․ Yongho Cho**** ․ Moonjung Kang***** ․ Yoongon Kim******ABSTRACT
The flowfield in a solid rocket motor was simulated at the wall-injection test model, which has a fin-slot grain and submerged nozzle, and visualized by a smoke-wire. The high speed CCD camera captured the visualized images around the nozzle inlet through the grain center port. The vortical tube structure and circumferential flow patterns at the nozzle throat were visualized. The radial momentum transfer caused by the shear-interactions of slot-outlet flow, fin-base flow and grain port flow from upstream worked as the source of these phenomena.
초 록
핀/슬롯 그레인 및 내삽노즐을 가진 고체로켓모터 내부와 동일한 기하학적 형상을 가진 표면분사 시 험모델을 사용하여 연소유동장을 모사하고, 스모크 와이어를 이용하여 유동장을 가시화하였다. 그레인 전방부 투영창을 통해 촬영하는 기법 등에 이용하여 획득된 내삽노즐 선단 인접부의 반경방향 평면상 에서의 유동가시화 이미지 분석을 통해, 슬롯출구 반경방향유동, 핀베이스 축방향유동 및 상류그레인포 트 축방향유동의 상호 전단작용에 의한 반경방향 운동량 전달이 노즐 인접부에서의 선회류 유동 및 와 류튜브 구조를 발생시키는 것으로 나타났다.
Key Words: Solid Rocket Motor(고체로켓모터), Internal Flow(내부유동), Cold-air Flow Simulation (공기 유동모사시험), Wall-injection(표면분사), Roll Torque(롤토크 발생)
접수일 2011. 4. 8, 수정완료일 2011. 5. 11, 게재확정일 2011. 5. 13
* 학생회원, 한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과
** 정회원, 한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과
*** 종신회원, 한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부
**** 정회원, (주)마이크로프랜드 기술연구소
***** 정회원, 국방과학연구소 1기술연구본부 6부
****** 종신회원, 국방과학연구소 1기술연구본부 6부
†교신저자, E-mail: [email protected]
1. 서 론
고체로켓모터 내부의 복잡한 연소유동장은 침 식연소, 롤토크 발생, 노즐 삭마, 유동 불안정성 등의 많은 부정적 영향을 초래할 수 있으므로, 이러한 영향을 최소화하기 위해서는 연소면으로
부터 생성된 연소가스 유동장과 그레인 형상의 상호관계, 특정 유동 발생 메커니즘 등에 대한 분석 및 예측이 필수적이다. 특히, 롤토크(roll torque) 발생유동은 고체로켓모터의 탄도학적 성 능을 떨어뜨리고, 추가적인 롤 방향 자세제어장 치(roll- attitude control system)가 필요하게 된 다. 따라서 롤토크 발생 메커니즘에 대한 이해를 기반으로 이를 최소화할 수 있는 추진제 그레인 형상설계가 필요하며, 그 강도를 예측하여 발사 체 제어시스템에 반영시켜야 한다.
Waesche 등은 물 및 공기를 매질로 사용한 유동모사시험을 통하여, 원통형 그레인 시험모델 의 노즐입구와 공동영역벽면 사이에서의 복잡한 원주방향유동 및 와류유동의 형성을 관찰하였고, 음향학적 상호작용에 의한 그레인 중심부에서의 압력섭동의 원인으로 판단하였다[1]. 또한, 유동 이 완전히 난류로 발달된 상태에서는 내부유동 특성은 레이놀즈 수에 큰 영향을 받지 않았으며 노즐입구부 및 그레인 형상에 지배적인 영향을 받는 것으로 나타났다[2]. Shimada 등은 핀-슬롯 그레인 및 내삽노즐을 가지는 고체로켓모터에서 의 롤토크 발생 메커니즘 분석을 위해 수치적 연구를 수행하고, 슬롯 출구유동과 노즐입구유동 의 상호작용에 의한 것으로 결론지었다[3].
롤토크 발생유동 메커니즘의 이해를 위해, 핀/
슬롯 그레인 및 내삽노즐을 장비한 고체로켓모 터 내부와 동일한 기하학적 형상을 가진 반경류 표면분사(wall-injection) 시험모델을 제작하고, 그레인 전방부에서 그레인 중심 포트를 통해 내 삽노즐 선단 인접부의 반경방향 평면에서의 유 동을 가시화하여, 롤토크를 야기하는 것으로 생 각되는 내부유동들 간의 상호작용에 대한 현상 학적 분석을 수행하였다.
2. 표면분사 시험모델의 내부유동 가시화실험
2.1 시험모델 내부형상
NASA SCOUT (Solid Controlled Orbital Utility Test) 프로그램 중 수행된 118회의 고체 로켓모터 발사체 비행시험 자료분석에 따르면,
Fig. 1 Internal Geometry of Test Model
롤토크는 고체로켓모터에 따라 그 크기가 약 1~170N-m로 차이가 매우 크며, 발생시기가 다 르게 나타난다. 특히, 핀/슬롯 그레인 및 공동영 역을 가진 고체로켓모터의 연소 초기에 내부 연 소유동장의 와류생성 및 상호작용에 의해 큰 크 기의 롤토크가 발생하는 것으로 나타났다[4, 5].
시험모델은 Fig. 1과 같이 전방은 원통형, 후방 은 5개의 핀/슬롯을 가진 형태의 그레인과 내삽 노즐을 가진 고체로켓모터와 동일한 기하학적 형상을 가지도록 설계되었다.
2.2 유동모사기법
고체로켓모터의 연소유동장은 추진제그레인 표면에서 수직방향으로의 질량분사로 간주할 수 있다. 시험모델은 Fig. 2와 같이 다공판 및 금속 망을 사용하여 표면분사를 모사하였으며, 노즐 하류에 설치된 흡입식 풍동을 이용하여 유동이 발생된다.
후방 핀/슬롯 그레인 및 내삽노즐을 가지는 시험모델형상에서, 유동은 Fig. 3과 같이 크게 슬롯출구 반경방향유동, 핀베이스 축방향유동, 상류그레인포트 축방향유동으로 나눌 수 있으며 (그림의 이해를 돕기 위해 Fig. 3은 슬롯이 90˚로 배치된 4핀 그레인에 대략적인 유동형태를 표시 하였다), 각 유동들 간의 상호작용이 롤토크 발 생에 미치는 영향을 파악하기 위하여 시험모델 은 2D 및 3D로 제작되었다.
2.3 3D 반경류 표면분사 시험모델
3D 반경류 표면분사 시험모델은 Fig. 3과 같 이 STS304재질의 Φ2 mm, 3P 다공판을 절곡/용 접하여 제작하였으며, 상/하류에서 흡입되는 공 기 유량의 균일도를 위해 아크릴 재질의 외측
Fig. 2 Schematic of Wall-Injection Test Setup
Fig. 3 Classification of Flows inside Fin-Slot Grain
Fig. 4 Schematic View of 3D Radial Wall-Injection Test Model
Fig. 5 Visualized Section of Test Model and Captured Image
케이스에 155개의 직경 1.5 ~ 3.0 mm 흡입노즐 이 반경방향으로 설치되었다. 흡입 노즐의 배치 에 따라 시험모델의 유입공기 유량분포가 변화 하며, 이에 따른 내부유동장 형태의 변화를 관찰 할 수 있도록 하였다.
유동장은 스모크 와이어를 이용하여 가시화하 였으며, 표면분사를 위한 다공판은 불투명하므로 Fig. 2 및 Fig. 5와 같이 그레인 전방부의 투영창 을 통해 노즐방향으로 고속 촬영된다. 이때, 반경 방향 및 원주방향 유동이 가시화되며, 축방향으 로의 유동은 시간에 따른 초점영역 통과여부를 통해 유추할 수 있다. 본 논문에서 3D 반경류 표 면분사 시험모델의 가시화된 이미지에는 핀/슬 롯 구조물이 나타나지 않으며, 각 부분의 슬롯 및 핀베이스를 지칭할 때는 Fig. 5에 표시된 바 와 같이 1에서 5번까지의 숫자로 구분하였다.
2.4 2D 반경류 표면분사 시험모델
슬롯출구에서의 반경방향 유동은 상류 원통형 그레인에서 발달된 축방향 유동과 만나 운동량 교환이 이루어지고 노즐을 통해 빠져나가게 된 다. 동시에 이 유동은 핀베이스 면을 따라 흐르 는 축방향 유동과 상호작용하고, 롤토크를 발생 시키는 원주방향유동이 생성된다. 따라서 핀베이 스 축방향유동을 제외한 상태에서의 유동형태를 관찰할 필요가 있으므로 Fig. 6과 같이 2D 반경 류 표면분사 시험모델을 설계/제작하였다. 유동 은 3D 시험모델과 마찬가지로 그레인 연소면에 해당하는 부분의 다공판을 통해 유입되어 노즐 을 통해 빠져나간다. 1차유동 흡입부는 유량의 균일한 분포를 위해 58개의 Φ 1.5직경의 흡입노
Fig. 6 2D Radial Wall Injection Test Model
Fig. 9 Sequence of Visualized Axisymmetric Vortex Structures at Nozzle Throat (Δt : 2 ms) Fig. 7 Pentagonal Light Source (10W L.E.D x 5)
Fig. 8 Smoke Probe System
즐이 가공되었으며, 2차유동 흡입부는 STS304재 질의 Φ2, 3P 다공판 및 225 의 금속망 으로 구성되어있다.
2.5 가시화 기법
시험모델 내부 유동장은 스모크 와이어로, 흡 입노즐 및 스모크 프로브를 통해 가시화된다. 스 모크 와이어는 Φ 0.1 mm 니켈-크롬 와이어를 사용하였으며, 액체파라핀/윤활유 혼합물이 연막 제로 사용되었다. 스모크 프로브는 가압식 연막
제 이송챔버, 2 kW급 Φ 20 mm 원통형 히터 및 상분리장치가 적용되었다.
표면분사 시험모델의 내부에서 스모크 와이어 에 의해 발생된 연기의 가시화를 위해 광원을 조사해야 하는데, 3D 반경류 표면분사 시험모델 은 불투명한 다공판으로 구성되어 외부에서 내 부로의 원활한 광원조사가 어렵다. 따라서 기존 의 아크릴재질 노즐의 전반사를 이용한 광원조 사와 함께[3], Fig. 7과 같이 다공성재의 핀베이 스면 5개 부분으로 200,000 lx 이상의 10 W급 L.E.D 광원 5개를 조사하여, 1000 fps 이상의 고 속으로 노즐선단부 내, 외측 표면에서의 유동장 가시화이미지를 수집할 수 있게 하였다.
3. 시험결과 및 분석
3.1 노즐목 인접부에서의 유동형태
3D 반경류 표면분사 시험모델에서 롤토크를 발 생시키는 원주방향 유동의 생성여부를 관찰하기 위하여, 노즐목 유속이 약 30 m/sec일 때 노즐목 인접부 단면에서의 유동분포를 가시화하였다.
Figure 9는 노즐목에서 가시화된 축대칭 형상 의 와류구조를 나타내며 각 사진 사이의 시간간 격은 2 ms이고 선명한 구분을 위해 흑백반전되 었다. 촬영된 노즐 선단부 표면 아랫부분의 검은 선은 노즐의 균열이 아니라 빛반사를 막기위해 도포된 도료가 일부 벗겨진 것이다.
5개의 각 슬롯에서 반경방향으로 빠져나오는 유동이 노즐 선단부 전방에서 핀베이스 면을 따
Fig. 10 Circumferential Flow Pattern at Nozzle Throat after 8 ms Elapsed from Fig. 9
라 공동영역 방향으로 흐르는 유동과의 전단작 용에 의해 발생된 와류의 강도가 비슷할 경우 서로간의 균형이 유지된 상태에서 이와 같은 형 태가 나타나는 것으로 생각되며, 약 8 ms가 경 과된 후 Fig. 10과 같이 와류강도의 불균형이 발 생하여 원주 반시계방향의 선회류로 발달되는 것이 관찰되었다.
3.2 노즐 선단부 표면 인접부에서의 유동형태
노즐목에서의 유동가시화를 통해 표면분사 시 험모델에서 반시계방향의 선회류가 생성되는 것 을 확인하였으며, 그 메커니즘의 명확한 분석을 위해 노즐 선단부 상류 인접부에서의 유동형태 를 가시화하였다. 슬롯 출구유동 및 핀베이스 유 동의 가시화를 위해 노즐 선단부 전방 15 mm지 점에 Fig. 11과 같이 5번 슬롯과 2번 핀베이스의 중심을 횡단하는 방향으로 스모크 와이어가 배 치되었다.
Fig. 11 Transversely Aligned Smoke Wire
정상상태의 유동장이 형성된 상태에서 스모크 와이어를 작동시켜 연기를 발생하였을 때 시간 에 따른 가시화된 유동패턴을 크게 초기, 중기, 말기로 나누어 Fig. 12에 나타내었으며, 이는 가 시화된 유동이 순차적으로 형성되는 것이 아니 라 발생된 연기가 유동장을 따라 흐르면서 순차 적으로 가시화되는 것을 의미한다. 노즐선단부 바깥 원주면에 보이는 그림자(흑백반전이므로 밝 은 부분이 그림자)는 슬롯부분의 다공판이 외측 에서 내부를 향해 조사된 광원을 가림으로 인한 것이며, 이 부분에 슬롯 출구면이 존재한다.
Figure 12 (a)는 스모크 와이어에서 연기가 발 생된 초기 약 75 ms 경에 가시화된 유동패턴을 나타낸다. 5번 슬롯내부에서 생성된 연기는 슬롯 출구유동을 따라 노즐중심부로 흐르고, 원주방향 으로 넓게 분포된 복잡한 난류형상을 띈다. 이는 슬롯출구 반경방향 유동이 4번, 5번 핀베이스면 축방향 유동과의 상호 전단작용에 의한 것으로 생각되며, 2번 핀베이스 중심선에서 발생된 연기 는 슬롯출구 유동의 영향을 거의 받지 않고 노 즐을 통해 빠져나가거나 노즐 내삽부 외곽 주위 의 공동영역으로 유입된다.
스모크 와이어가 작동되고 약 500 ms가 지나 면 도포된 연막제의 소진에 따라 연기의 발생이 멈추게 되는데, Fig. 12 (b) 는 연기의 발생이 줄 어들기 시작하는 약 350 ms 경의 가시화된 유동 패턴이다. 5번 슬롯 내부에서는 먼저 연기생성이 중단되어 슬롯출구유동은 가시화되지 않고, 노즐 중심부에서 노즐목을 통해 축방향으로 빠져나가 는 유동만이 가시화되고 있다. 2번 핀베이스 면 에서 발생된 유동은 일부 공동영역으로 유입되 고, 재순환유동을 거쳐 다시 노즐 외측 선단부를 따라 노즐목을 통해 외부로 배출된다. Fig. 12 (b)에 공동영역으로 유입된 연기가 노즐 외측 선 단부 표면을 따라 노즐목을 향해 빠져나가는 것 이 가시화되었다(4시~5시 방향).
스모크 와이어의 연기발생이 완전히 중지된 약 580 ms 경 공동영역으로 유입된 연기가 노즐 목을 통해 빠져나가면서 3번 슬롯출구 반경방향 유동과의 상호 전단작용을 통해 발생된 와류튜 브구조가 Fig. 12 (c)에 가시화 되었다[4]. 와류의
79.02 ms 79.90 ms 80.96 ms
(a) Visualized Patterns of Initial Time (Δt : 0.88 ms)
352.00 ms 352.88 ms 353.76 ms
(b) Visualized Patterns of Middle Time (Δt : 0.88 ms)
569.36 ms 570.24 ms 571.12 ms
(c) Visualized Patterns of End Time (Δt : 0.88 ms) Fig. 12 Visualized Flow Patterns at Submerged Surface of Nozzle
Fig. 13 Schematic of Visualized Flow Patterns
방향은 3번슬롯의 중심선을 기준으로 오른쪽편 은 시계방향, 왼쪽편은 반시계방향으로 관찰되었 으며, 이는 슬롯출구 유동의 반경방향 운동량에 의한 것임을 나타낸다. Fig. 13은 Fig. 12에서 가 시화된 유동패턴을 개략적으로 도식화한 그림이 다.
노즐 선단부에서 슬롯 출구유동이 노즐 선단 부에서의 와류튜브 형성에 미치는 영향을 판단 하기 위해, 2D 반경류 표면분사 시험모델을 이 용하여 Fig. 14와 같이 축-반경방향 평면 유동의 가시화가 수행되었다. 슬롯에서의 반경방향 유동 은 노즐선단부 끝단에서부터 가속되어 운동량이 증가되면서 노즐목을 통해 빠져나간다. 슬롯 후 방부에서의 유동은 주기적인 축방향 섭동을 보 이는데, 이는 상류 원통형 그레인에서 노즐 방향 으로 흐르는 유동이 슬롯에서의 반경방향유동과 만나면서 발생하는 것으로 생각된다. 슬롯출구 유동의 운동량, 섭동주기 등은 노즐선단부에서 생성되는 와류튜브의 특성에 큰 영향을 미치는 인자로 생각되며, 시험모델의 흡입유동 분포의 변화를 통해 슬롯 출구유동과 핀베이스면 유동 의 운동량 비율에 따른 와류튜브구조의 변화에 대한 고찰이 수행되었다.
3.3 흡입유동 분포에 따른 유동형태
슬롯 유동이 와류튜브 형성에 미치는 영향을 알아보기 위하여, 3D 반경류 표면분사 시험모델 의 외측 케이스에 설치된 흡입노즐의 위치 변경 을 통해 시험모델로 유입되는 흡입유동 분포를
Fig. 14 Periodically Fluctuating Flow at Aft-end of Slot (Δt : 5.64 ms)
변화시켰다. 흡입유동은 스모크 프로브를 이용 해 가시화하여 다공판을 통과하는 유량의 차이 를 확인하였으며, 각 흡입노즐 위치에 따른 다 공성 재로 유입되는 유동의 대략적인 형상을 Fig. 15에 나타내었다. Fig. 15 (a)는 슬롯유동, Fig. 15 (b)는 핀베이스 유동의 비율이 더 높을
(a) (b)
Fig. 15 Circumferential Locations of Inlet Nozzles and Schematic of Flow Patterns, (a): Slot Flow -Dominant, (b): Fin-base Flow-Dominant
(a) (b)
Fig. 16 Visualized Vortex Tube Structures, (a): Slot Flow-Dominant, (b): Fin-base Flow-Dominant
때의 구성이다. 각 구성에서의 노즐목 유동가시 화 이미지는 Fig. 16과 같으며, 슬롯 유동의 비 율이 더 높은 경우, 높은 슬롯 출구 유동의 운 동량으로 인해 노즐목 인접부에서 나타나는 와 류튜브의 직경이 핀베이스 유동 비율이 높을 때 보다 더 크게 나타났고, 그 발생빈도가 더 높았 다. 핀베이스 유동의 비율이 높은 경우에는 큰 축방향 운동량에 의해 와류튜브의 발생률이 매 우 낮았다. 따라서 슬롯에서의 반경방향 유동의 운동량은 노즐에서의 원주방향 유동형성에 큰 영향을 미친다고 볼 수 있으며, 상류 그레인에 서의 축방향 유동과의 섭동으로 인한 운동량 크 기의 변화는 각 슬롯 영역에서 발생하는 와류튜 브의 강도불균형을 야기하는 것으로 결론내릴 수 있다.
4. 결 론
표면분사 시험모델을 이용한 고체로켓모터의 공기유동 모사시험에서 그레인전방 투영창을 통 한 유동가시화를 통해, 노즐목에서 원주방향 유 동이 관찰되었고, 그 발생 원인 및 메커니즘에 대한 분석 결과는 다음과 같다.
(1) 다공판을 이용한 3D 반경류 표면분사시험모 델의 노즐목 인접부에서 슬롯의 반경방향 중 심선에 대칭하는 원주방향으로 균일한 와류 구조가 간헐적으로 나타났으며, 이 와류구조 의 균형이 무너지며 롤토크 발생원인으로 생 각되는 원주방향 선회유동이 발생하였다.
(2) 반경방향 운동량이 지배적인 슬롯출구유동은 대부분 노즐목을 통해 가속되며 빠져나가고, 핀베이스면을 따라 축방향으로 노즐을 통과 하는 유동 및 공동영역에서 노즐선단부 표면 을 따라 노즐목으로 빠져나가는 유동과의 운 동량 교환에 의해 와류튜브구조가 형성된다.
(3) 핀베이스면에서의 유동은 공동영역으로 일부 유입되며, 정체영역으로 볼 수 있는 공동영 역에서 재순환유동을 형성할 것으로 추측되 며, 일부 노즐선단부의 표면을 따라 노즐목 을 통해 빠져나가는 유동은 슬롯출구 후방의 노즐 선단부노즐 선단부 표면을 따라 흐르는 유동과 상호 전단작용하여 노즐목 인접부에 서 와류튜브구조를 형성한다.
(4) 핀베이스 중심선에서 발생된 연기에 의해 가 시화된 공동영역에서 노즐 선단부표면을 따 라 흐르는 유동은 노즐목에서 나타난 원주방 향유동과 동일하게 시계방향으로 오프셋되어 있었다. 이는 Shimada 등의 수치해석 결과와 같이 롤토크 발생유동이 공동영역에서도 존 재할 수 있음을 의미하므로[3], 공동영역에서 의 유동특성에 대한 추가적인 실험적연구가 필요할 것으로 생각된다.
(5) 슬롯유동이 지배적인 경우 와류튜브의 직경 및 발생빈도가 높게 나타났으며, 슬롯출구유 동의 반경방향 운동량은 와류튜브의 크기 및 강도에 영향을 주는 주된 인자로 판단된다.
후 기
이 연구는 국방과학연구소의 기초연구사업 ” 고체추진기관의 실험적 내부유동 연구“ (과제번 호: ADD-09-01-05-11)로 수행되었으며, 이에 감 사드립니다.
참 고 문 헌
1. R. Waesche et al., "Effects of Grain and AFT-Dome Configuration on Aft-End SRB Internal Flows," AIAA/ASME/SAE/ASEE 24th Joint Propulsion Conference, AIAA 88-3184, 1988
2. R. Waesche et al., "Effects of Grain and AFT-Dome Configurationon Aft-End SRB Internal Flows," AIAA/ASME/SAE/ASEE 25th Joint Propulsion Conference, AIAA
89-2421, 1989
3. Toru Shimada, Nobuhiro Sekion, and Mihoko Fukunaga, "Numerical Investigation of Roll Torque Induced by Solid Rocket Motor Internal Flow," AIAA 2008-4891, 2008
4. J. Swithenbank and G. Sotter, "Vortex Generation in Solid Propellant Rockets,"
AIAA Journal, Vol. 3, No. 7, 1964
5. R.N. Knauber, "Roll Torques Produced by Fixed Nozzle Solid Rocket Motors," 31 st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, AIAA 95-2874, 1995
6. 김도헌, 조용호, 이열, 구자예, 김윤곤, 강문 중, “내삽노즐 고체로켓의 공기유동모사시험 을 통한 내부유동 가시화,” 한국추진공학회 2010년도 추계학술대회 논문집, 2010, pp.181-185
