한국추진공학회 2009년도 추계학술대회 논문집 pp.353~358 2009 KSPE Fall Conference
* 한국항공우주연구원 연소기팀 연락저자, E-mail: [email protected]
75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비 기본설계
임병직*․김종규* ․이광진* ․김문기*․안규복*․강동혁*․서성현*․한영민*․최환석*
Preliminary Design of Test Facility for 75 tonf Class Liquid Rocket Engine Combustor
Byoungjik Lim*․Jonggyu Kim*․Kwang-Jin Lee*․Munki Kim*․Kyubok Ahn*․Donghyuk Kang*․Seonghyeon Seo*․Yeong-Min Han*․Hwan-Seok Choi*
ABSTRACT
For the successful development of 75 tonf class liquid rocket engine, a plenty of tests on each engine component has to be performed and this is equally true for a combustor. However the test facility which is in operation at Korea Aerospace Research Institute lacks its capacity to perform fire tests of a 75 tonf class combustor at its nominal thrust. Since the test facility has to be ready prior to the start of development tests, it is very urgent to establish the test facility. The preliminary design of a test facility for a 75 tonf class combustor which was performed according to the urgent necessity is described in the paper.
초 록
75톤급 액체로켓엔진의 성공적인 개발을 위해서는 각 구성품에 대한 다수의 시험이 수행되어야 하며 이러한 상황은 연소기에서도 동일하다. 하지만 한국항공우주연구원에서 운용 중인 시험설비는 75톤급 연소기를 정상 추력으로 수행하기에는 부족하다. 연소기 개발 시험에 접어들기 이전에 시험설비는 준 비가 되어야 하기 때문에 시험설비의 구축이 급박하다. 본 논문에서는 이와 같은 긴급한 필요성으로 수행한 75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비의 기본설계 내용을 기술한다.
Key Words: Test Facility(시험설비), Combustor(연소기), Control System(제어장치), Data Aquisition System(데이터획득장치), Hydraulic System(유공압장치), Noise Suppression System(소 음저감장치), Test Stand(시험대)
1. 서 론 국내의 발사체 관련 기술은 소형위성발사체 (KSLV-I) 개발 사업을 통해 발사체 선진국으로 진입하기 위한 중요한 이정표를 마련한 상태이 다. 상단의 독자개발을 통해 획득한 기술력과 경 험, 러시아와의 공동 작업을 통한 지상설비 구
축, 검증 및 운용, 발사체와 지상설비가 연동되 어 수행한 종합 인증시험의 요구조건 도출 및 시험절차 수립 등에 대한 체계적 업무수행 능력 확보 등 소형위성발사체 개발 사업을 통해 발사 체 및 발사대에 대한 수많은 정보와 노하우를 습득하였다. 하지만 여전히 발사체 전체를 독자 적으로 구성하고 발사대와 연계하여 발사 작업 을 수행하기에는 기술적으로 미진한 부분이 남 아 있는 것이 사실이다.
앞으로 진행될 한국형발사체 개발 사업은 미 진한 부분에 대해서 기술력을 끌어올리고 실용 화시키는 중요한 단계가 될 것이다. 이러한 기술 중에서 가장 중요한 부분은 추진기관 혹은 로켓 엔진 기술이다. 사람들의 가장 큰 관심의 대상이 고 다양한 논의가 진행되고 있으나 로켓엔진에 대해서는 독자개발을 목표로 하는 한국형발사체 개발 사업이기 때문에 로켓엔진 개발에 필요한 여러 가지 기반설비들이 갖추어져야 한다.
로켓엔진에 포함되는 각 구성 부품들 역시 엔 진으로 구성되기 이전에 단품 상태에서 인증시 험이 수행되어야 하며 이를 위한 시험설비가 반 드시 필요하다. 개발과정의 순차적인 진행을 위 해서는 단품의 성능시험이 수행되기 전에 시험 설비에 대한 설계 및 구축이 완료되어 운용 준 비가 되어야 하지만 현재 여건은 그렇지 못한 상황이다.
본 논문에서는 설비에 대한 시급한 필요성에 따라 수행하였던 75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비에 대한 기본설계 결과를 제시한다.
2. 시험설비 기본설계
2.1 설비부지
한국항공우주연구원(이하 항우연)에서는 30톤 급 액체로켓엔진 연소기의 개발시험을 항우연 원 내 지상연소시험설비를 활용하여 수행[1]하였으 며 동일한 설비를 이용하여 75톤급 연소기에 대 한 시험이 작동성 확인 수준에서 수행되고 있다.
하지만 30톤급 연소기와 75톤급 연소기의 규격 차이와 유량 및 총 추진제 필요량 증가, 유량 증
가 및 추진제 저장용량 증가로 인한 안전거리 확 보 불가로 원내 지상연소시험설비를 활용해서는 75톤급 연소기의 정상추력 시험이 불가능하다.
또한 설비의 중복 투자에 따른 예산 낭비를 최대한 방지하고 개발 일정에 차질이 발생하지 않도록 하기 위해 엔진 및 터보펌프 시험설비에 대한 종합적 고려와 집적화도 필요한 상황이다.
이와 같이 기술적인 부분과 정책적인 부분에 대 한 논의 결과로 75톤급 액체로켓엔진 관련 시험 설비를 소형위성발사체의 발사대가 위치한 나로 우주센터 내(Fig. 1의 ② 위치)에 구축하는 것으 로 잠정적으로 결정되었다.
발사대 시험설비 예정부지
중앙통제동
Fig. 1. Air View of Naro Space Center
2.2 설비구성
구축 예정인 연소기 시험설비는 기본적으로 Table 1과 같은 구성으로 이루어진다.
항목 세 부 사 항
유공압
추진제 저장/공급/배출 고압가스 제조/공급/배출 점화추진제 저장/충전 제어/계측 제어 설비
계측 설비
부대설비
소음저감 추력측정 강도/기밀 시험 안전, 방송
Table 1. Major Subsystems of Test Facility
Table 1과 같은 구성은 현재 운영 중인 30톤 급 연소기 시험설비[2]와 유사하지만 75톤급 연 소기를 시험하기 위한 추진제 공급, 추력 측정
등의 요구조건을 만족시켜야 하기 때문에 설비 를 구성하는 부품들의 규격은 차이가 발생한다.
2.3 유공압 설비
유공압 설비는 산화제(액체산소)와 연료(케로 신)의 추진제를 시험대상(연소기)에 공급하는 것 을 기본으로 하며 이를 위해 필요한 고압가스, 점화추진제 설비들이 추가적으로 구성된다. Fig.
2는 이러한 기본 개념을 유공압 구성도로 표현 한 것으로 산화제와 연료를 저장탱크에서 시험 용 고압탱크(Run Tank)로 충전하고 고압질소를 이용한 가압을 통해 시험대상에 공급한다. 추진 제를 공급받는 시험대(Test Stand)가 2개인 것은 한국형 발사체 개발과제에서 상단에 사용될 저 추력의 엔진 개발도 필요하기 때문이다.
Fig. 2. Basic Schematic of Hydraulic System
Table 2, 3에 나타난 설비품의 규격은 연소기 의 개발 규격에 의해 계산된 것이다. 현재 설계 된 설비품의 용량은 발사체와 엔진에서 요구하 는 연소기 납품조건에 의해 변경될 수밖에 없다.
또한 앞서 언급한 바와 같이 연소기, 터보펌프, 엔진 등의 시험설비 집적화와 설비 공유에 따라 변경될 가능성도 존재한다.
고압용기와 기체질소제조 기화기는 전체용량 을 맞추기 위해 작은 용량을 가진 다수의 동일 물품을 설치하여야 하는 상황이다. 이에 대해서 는 상세설계 단계에서 타 설비들에서 운영되고 있는 상용 물품에 대해 제작 및 수급 가능성, 운 영 및 유지보수의 타당성 등을 추가적으로 검토
할 예정이다.
항목 산화제 용기 연료 용기
저장용 시험용 저장용 시험용 운용압력(MPa) 1.7 25 0.5 30
전체용량(m3) 180 68 77 40
형태 진공단열 단일격벽
충전방식 가압 펌프
Table 2. Specifications of Vessels for Liquid Oxygen and Fuel
항목 용기 기체질소제조
액체 기체 펌프 기화기
운용압력(MPa) 1.7 40 40 40 전체용량 144 m3 225 m3 92† 3,550§
형태 진공
단열 단일
격벽 왕복동 물중탕전열식
†: liter/min, § : Nm3/h
Table 3. Specifications of Vessels and Equipments for Nitrogen
유공압 설비에는 점화추진제 설비, 고압헬륨 설비 등도 포함된다. 점화추진제는 대기 중에 노 출되면 연소하는 접촉발화성을 지니고 있기 때 문에 별도의 공간에 안전 설비를 갖추어서 운영 되고 매 시험마다 정량을 충전하여 시험대에 견 고하게 고정된다.
고압헬륨 설비는 압축기를 이용하여 상대적으 로 낮은 압력의 헬륨가스를 40 MPa의 고압으로 압축해서 사용하게 된다. 이와 같은 운영은 시험 설비가 구축되는 우주센터의 지리적 여건으로 인하여 소형 실린더 용기를 매 시험마다 공급받 아 운영하는 방식이 효율적이지 못하기 때문에 고압으로 압축하여 미리 확보하여 두기 위한 것 이다. 압축된 헬륨가스는 점화추진제 충전, 연소 기 기밀시험, 고주파센서 퍼지 등에 사용된다.
2.4 제어/계측 설비
제어/계측설비는 시험설비와 연소기에 설치된 유공압 부품 및 전기 부품의 조정과 감시 기능 을 수행하는 설비이다. 추진제의 충전 및 제조에
서부터 연소시험에 필요한 설비품을 조작하고 시험과정에서 획득된 데이터를 기록한다.
제어설비는 이중화 된 PLC(programmable logic controller)가 HMI(human machine interface)를 통해 운용될 수 있도록 구성된다.
또한 HMI의 오류로 인해 작동이 불가능 할 경 우를 대비한 수동조작 패널도 제어실에 구성된 다. 제어설비는 780개 정도의 채널로 구성되며 매 시험 시에 정해진 순서에 맞게 밸브의 작동 시간을 입력할 수 있다.
제어설비의 또 다른 중요한 기능은 시험이 의 도하지 않은 상황이 되었을 경우 시험을 중단시 키는 비상정지 기능이다. 비상정지 기능은 지정 된 밸브의 작동이나 물리적 데이터가 특정 시간 과 범위를 벗어난 경우와 계측설비에서 발생시 키는 비상 신호를 입력으로 작동한다. 즉 자체적 으로 물리적 데이터 감시하여 비상정지를 판단 하고 외부 입력에 의해서도 정해진 순서에 따라 시험을 중단할 수 있게 된다.
계측설비는 시험설비와 연소기에서 측정되는 데이터를 전송하고 수집, 저장하는 역할을 수행 한다. 계기의 작동과 정확한 데이터 기록을 위해 앰프가 기본적으로 시험대 가까운 곳에 설치되 며 펌프와 같은 고전류 장비의 전원선과 분리하 여 배선하고 접지도 적절히 구성되도록 한다. 측 정되는 데이터는 크게 저주파와 고주파로 나눠 질 수 있으며 각 데이터 간에 시간지연이 발생 하지 않도록 구성된다. 저주파로 측정되는 온도, 압력, 유량, 수위 등의 데이터는 채널수 350개, 최대 1 kHz의 주기로 측정가능하며 고주파로 측정되는 가속도, 압력섭동 등은 채널수 50개, 최대 100 kHz의 주기로 측정가능하다. 추가적으 로 계측설비에는 측정된 데이터에 대한 기본적 인 분석 기능도 포함되어 시험 종료 후 간단한 분석이 가능하도록 한다.
2.5 부대설비
소음저감설비는 연소시험 시에 발생되는 소음 을 감쇠시키고 연소산화물에 의한 주변 오염을 방지하기 위한 설비이다. 이 역할은 소음저감설 비의 덕트 내부에 분사되어 후류의 에너지를 흡
수하는 냉각수와 후류를 흐트러트리는 격자구조, 상대적으로 무거운 미증발 냉각수와 연소화합물 을 바닥으로 모이게 하는 회전 원통구조의 연통 에 의해 구현된다. 또한 하부로 모인 오염 폐수 에서 연소화합물과 기름을 걸러내는 냉각수 재 처리 설비 역시 구축되어 소음저감설비에 활용 되는 냉각수를 최대한 재활용하게 된다. 소음저 감설비에 사용될 냉각수의 유량과 전체 용량이 각각 1,500 kg/s, 300 m3으로 수준으로 냉각수 공급 펌프의 소비전력을 고려한 전기 공급 계획 이 건축설계에 포함되어야 한다. 소음저감설비에 서 원통형의 연통은 2개의 시험대에서 공유할 예정이며, 상단에 사용될 5톤급 연소기를 위한 시험설비에서는 추가적으로 고공환경모사설비의 구현이 필요할 수 있다.
추력측정설비 역시 시험대 2개에 각각 설치되 는데 75톤급과 5톤급 연소기에 최적화된다. 측정 되는 추력은 연소기 개발규격 중 비추력을 산출 하는 값으로 활용되기 때문에 정확한 측정이 필 요하다. 지상시험설비에서의 연소시험 특성으로 연소기에서 발생되는 추력은 설비배관과 구조물 에서 일부 흡수되어 순 추력을 측정 장치로 전 달하지 못한다. 이를 보정하기 위해 연소기와 설 비가 연결된 상태에서 시험 전, 후 필요에 따라 추력을 교정하는 할 수 있는 유압펌프 및 관련 장치가 갖춰진다.
강도/기밀시험설비는 연소기를 시험대에 장착 하기 전에 연소기의 조립 상태와 손상여부를 점 검하기 위한 설비이다. 연소기에 연결된 각종 센 서와 조립 부위에 대한 점검이 주로 이뤄지는데 추진제 공급 배관을 제외한 대부분의 연결부에 대한 점검 작업이 수행된다.
안전/방송설비는 시험 및 작업 인력의 안전과 시험설비의 보호, 시험영상의 획득에 목적을 두 고 있다. 시험설비에는 위험물에 해당하는 케로 신이 항상 존재하기 때문에 법적으로 요구되는 소화설비를 갖추어야 하고 시험대에서는 시험설 비를 보호하기 위한 소화설비 배치가 요구된다.
사용예정인 소화설비의 매질은 이산화탄소, 소화 약제(foam), 물, 가스질소 등 용도에 따라 다양 하다. 또한 고압 질소가스를 다량으로 사용하기
때문에 질식 사고를 방지하기 위한 대기 중 산 소 농도를 감시하는 설비도 위험 구역마다 설치 하고 산소 농도에 대한 정보가 제어실에서 확인 가능하도록 구성된다.
방송설비는 시험 준비과정이나 시험과정에서 통신을 가능하게 하는 통신설비와 영상을 기록 하는 영상설비가 포함된다. 시험대와 제어실의 명확하고 원활한 의사소통을 통해 안전을 확보 하고 불필요하거나 보고되지 않은 작업을 차단 한다. 영상 및 주변감시를 위한 카메라는 20여개 를 활용할 예정이며, 시험대에 설치되는 카메라 는 고화질(HD급) 제품으로 활용하여 시험결과 분석 및 선명한 영상획득이 가능하도록 한다.
3. 설비배치
Figure 3-8은 기본설계 과정에서 도출된 시험 설비 규격에 따라 시험설비에 필요한 건축물과 장비들을 시험설비 부지에 배치한 것으로 주요 설비들의 상대적 위치와 접근성을 확인할 수 있 으며 이를 기반으로 배관 배치를 수행할 수 있 다. Fig. 3에서 보는 것과 같이 설비에 대한 기 본설계에서는 연소기와 터보펌프 시험설비가 동 일 부지를 활용하는 것으로 되었기 때문에 터보 펌프 시험설비의 공간도 확보한 상태에서 배치 가 이루어졌다.
액체산소, 액체질소 저장탱크와 고압가스(질소, 헬륨) 저장용기가 위치한 구역을 표시한 것이 Fig. 4로서 기체질소 제조를 위한 극저온 펌프와 기화기 배치도 반영되었다. 액체산소와 액체질소 의 배출을 위한 배출구역은 산화제 저장탱크 옆 으로 배치되었다. 액체산소, 액체질소 용기는 Table 2의 요구규격을 만족하는 각 1개의 용기 로 배치에 적용되었다. 반면 고압가스용기는 상 용품으로 많이 사용되는 1 m3 용량의 용기를 다 수 사용하는 방식으로 배치되었다.
액체산소와 케로신의 시험용 고압탱크(Run Tank)는 시험대 가까운 곳에 배치가 이루어지며 시험대 2개소에 추진제를 각각 보내기 위한 배 관 배치가 표시되어 있다(Fig. 5). 배치도에 나타
난 고압용기의 용적은 액체산소와 케로신이 각 각 3 m3, 1.3 m3이며 고압가스와 마찬가지로 전 체 용량을 맞추기 위해 다수 용기를 사용하게 되는데 이는 높은 압력을 요구하는 시험설비 규 격에 의해 대용량 용기 제작이 어렵기 때문이다.
Figure 6는 소음저감장치와 연소기가 장착되는 시험대의 모습을 나타낸 것으로 2개의 시험대가 동일한 연통을 공유하는 모습을 잘 나타내 준다.
Fig. 3. Arrangement of Test Facilities
Fig. 4. Arrangement of Cryogenic and High Pressure Vessels
Fig. 5. Arrangement of Lox and Kerosene Run Tank
Fig. 6. Arrangement of Noise Suppression System and Test Stands
Fig. 7. Arrangement of Test Stands
고추력 연소시험이 수행되는 수직형 시험대는 H 형강을 이용하여 제작되며 이와 관련된 구조 해석을 통해 최대 200톤의 정적하중을 버틸 수 있도록 설계되었다(Fig. 7). 수직형으로 된 시험 대에 연소기를 장착하고 배관 및 케이블 연결 등의 작업을 수행하기 위해 시험대에 맞는 이동
형 작업대와 발판, 크레인 등이 갖추어질 예정이 다(Fig. 8).
Fig. 8. Combustor Installation at High Thrust Test Stand (Vertical Type)
4. 결 론
본 논문은 75톤급 액체로켓엔진의 구성품인 연소기 개발에 필요한 시험설비의 기본설계 수 행결과를 제시한 것으로 상세설계를 수행하기 위한 기본적인 설비배치 및 장비의 윤곽이 확보 되었으며 설비에 대한 운용개념을 정립할 수 있 었다. 앞으로 상세설계를 통한 시험설비 구축을 진행하기 위해서는 설비에 대한 규격, 즉 개발 연소기에 대한 인증시험 조건과 설비 공동 활용 범위 등이 구체화되어야 한다.
참 고 문 헌
1. 한영민, 김종규, 이광진, 안규복, 김문기, 서 성현, 최환석, “30톤급 액체로켓엔진 연소기 재생냉각 연소시험결과,” 제30회 한국추진공 학회 춘계학술대회, 2008, pp.133-137
2. 강동혁, 임병직, 문일윤, 서성현, 한영민, 최 환석, “액체로켓 연소기 지상연소시험설비 운영 및 관리 기술,” 한국추진공학회지, 제11 권, 제3호, 2007, pp.43-49
