Construction and Start-up Test of Hot-firing Test Facility for KSLV-II Combustion Chamber

(1)

1. 서 론

한국형발사체를 개발하기 위해서 진행 중인 Technical Paper DOI: http://dx.doi.org/10.6108/KSPE.2016.20.1.069

한국형발사체 연소기 연소시험설비의 구축 및 시운전

이광진

^{a, *}

․ 이승재

^a

․ 서대반

^a

․ 황창환

^a

․ 우성필

^a

․ 임지혁

^a

․ 전준수

^a

․ 소윤석

^a

․ 김채형

^a

․ 김성혁

^a

․ 김승한

^a

․ 조남경

^a

․ 한영민

^a

Construction and Start-up Test of Hot-firing Test Facility for KSLV-II Combustion Chamber

Kwang-Jin Lee

^{a, *}

․ Seung Jae Yi

^a

․ Daeban Seo

^a

․ Chang Hwan Hwang

^a

․ Seongphil Woo

^a

․ Ji-Hyuk Im

^a

․ Junsu Jeon

^a

․ Younseok So

^a

․ Chae-Hyoung Kim

^a

․

Sunghyuk Kim

^a

․ Seung-Han Kim

^a

․ Namkyung Cho

^a

․ Yeoung Min Han

^a

a

Engine Test and Evaluation Team, Korea Aerospace Research Institute, Korea

*

Corresponding author. E-mail: [email protected]

ABSTRACT

This paper covers the result of construction and start-up tests of the KSLV(Korea Space Launch Vehicle)-II combustion chamber hot-firing test facility. This facility was constructed from 2012 to 2014.

Start-up test of this facility began in the second half of 2014. Oxidizer cold flow test, fuel cold flow test and cooling water cold flow test were carried out as start-up test. Afterward, ignition test of combustion chamber was accomplished. The result of ignition test is applied to set up start-up sequence of KSLV-II combustion chamber and utilized as base line data for hot-firing test of low and normal design point.

초 록

본 논문은 한국형발사체 연소기 연소시험설비의 구축과 시운전 결과를 다루고 있다. 이 시험설비는 2012년부터 2014년까지 구축되었고, 2014년 하반기에 시운전이 수행되었다. 시운전 과정에는 산화제 수 류시험, 연료 수류시험, 냉각수 수류시험 등이 수행되었고, 이후 점화시험이 이루어졌다. 점화시험 결과 는 연소기의 시동시퀀스를 설정하는데 적용되며, 저압연소시험과 설계점 연소시험을 위한 기초자료로 활용되게 된다.

Key Words: Combustion Camber(연소기), Hot-firing Test(연소시험), Start-up Test(시운전), Start-up Sequence(시동시퀀스), Normal Design Point(설계점)

Received 1 December 2015 / Revised 10 January 2016 / Accepted 15 January 2016 Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers pISSN 1226-6027 / eISSN 2288-4548

[이 논문은 한국추진공학회 2015년도 추계학술대회(2015. 11. 25-27, 경주 현대호텔) 발표논문을 심사하여 수정 ・ 보완한 것임.]

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추진기관시험설비의 구축은 나로우주센터에서 활발히 이루어지고 있으며, 그 중 75톤 액체로 켓엔진 연소기의 구축 현황과 시운전 결과를 본 논문에서 소개하고자 한다. 75톤 액체로켓엔 진 연소기를 시험하기 위한 지상연소시험설비 는 2014년에 구축이 완료되었다[1,2]. 그리고 시 험설비의 시운전을 통해 시험설비의 가동상태 를 점검하고, 향후 수행될 연소시험을 대비하였 다.

이 시험설비의 구축 이력에 대한 연도별 연구 개발 범위를 간략히 소개하면, 구축이 시작된 2012년은 시험설비의 기반조성 공사가 이루어졌 고, 2013년은 기반조성 공사와 더불어 본격적인 시스템별 설비 설치가 시작되었다. 설치가 완료 된 2014년 중반기에는 시험설비 검증을 위한 시 스템별 단독성능시험과 시운전 과정의 일환으로 시스템 연계시험이 수행되었다.

2. 연소기 연소시험설비의 구축

한국형발사체(KSLV-II)개발을 위해 구축된 연 소기 연소시험설비는 가압식 설비로, 고압질소가 스를 이용하여 추진제를 가압하고, 가압된 추진 제를 연소기에 공급하게 된다. 이 시험설비는 2 개의 테스트 스탠드를 가지며, 고추력 테스트 스 탠드에서는 한국형발사체의 주 엔진 연소기로 사용되는 75톤급 연소기의 연소시험을 수행하게 된다. 다른 하나의 저추력 테스트 스탠드에서는 한국형발사체 75톤급 가스발생기의 연소시험과 3단 엔진에 사용되는 7톤급 연소기의 연소시험 을 수행하게 된다. Fig. 1은 나로우주센터에 구 축된 연소기 연소시험설비의 전경과 고추력 테 스트스탠드에 장착된 75톤 연소기 기술검증시제 (TDM1)의 모습을 보여준다. 테스트 스탠드에서 소음기용 굴뚝까지의 거리는 50 m 정도이며, 테 스트 스탠드의 높이는 소음기용 후류 배관 중심 부로부터 23 m 상부에 위치하며, 수직형 구조로 연소기를 장착할 수 있도록 하였다. 또한 안정적 인 점화를 위해 2단 점화가 가능하도록 연소기 입구에 우회 배관을 설치하였다.

Fig. 1 Combustion chamber facility.

3. 시 운 전

시험설비를 구성하는 시스템들의 구축이 완료 되면 시스템별 단독성능시험을 수행하게 된다.

이 과정에서 시스템의 수정보완사항이 도출되고,

드러난 수정보완사항은 적합한 절차에 따라 해

결하게 된다. 시스템별 단독성능시험이 완료되

면, 제어시스템과 연동하여 시험설비의 성능을

점검하는 연계시험을 수행하게 된다. 연계시험시

에는 실제 물리량을 인가하여 시험을 수행하게

되는데, 사용되는 매질은 시험설비의 성능을 평

가하는데 적합한 유체를 사용한다. 본 시험설비

를 가동시에는 액체산소, 액체질소, 케로신, 물,

기체질소, 공기, 헬륨, TEA(Tri-ethyl Aluminium) +

TEB(Tri-ethyl Aluminium Boron) 등의 매질이

동시에 사용 되지만, 시험설비의 첫 가동이 되는

수류시험에서는 시험장 안전과 절차에 따라 산

화제와 연료를 동시에 사용하지 않고 개별적인

공급을 통해 연계시험을 수행하였다.

(3)

3.1 가동전 점검

연계시험의 첫 단계가 되는 밸브 구동에 따른 사용매질의 이동 상태를 점검하였다. 이 단계에 서 제어, 계측, 전계장, 유공압 시스템들이 동시 에 점검된다. 밸브 개폐에 대한 사용 매질의 시 간별 변화량을 측정하여 밸브 개폐 명령의 지연 은 없는지, 측정 센서의 오류는 없는지를 점검한 다. 이 과정을 거치면 본격적인 시험설비의 시운 전 단계인 수류시험 과정에 들어가게 된다. 수류 시험과정은 시험대상체 없이 할 수도 있고, 시험 대상체를 가지고 수행할 수도 있는데, 본 논문에 서는 시험대상체를 Fig. 1과 같이 설치한 후 수 행된 결과만을 기술하였다.

Fig. 2 Oxidizer igniter line cold flow test.

Fig. 3 Oxidizer main line cold flow test for measuring filling time.

3.2 산화제 수류시험

연소기 연소시험은 특성상 산화제, 연료 그리 고 냉각수 공급이 필수적이다. 이에 산화제 공급 특성을 점검하기 위한 산화제 수류시험 결과를 Fig. 2-5에 나타내었다. 이 시험에 사용된 매질은 액체산소를 사용하였다.

Fig. 2는 산화제 점화기 라인의 특성을 파악하 기 위한 것으로, 점화기 밸브 구동에 따른 유량 확인을 목적으로 한다. 산화제 런탱크 압력 (PT2301) 7.2 MPa에서 2 L/s의 유량이 공급됨을 보여준다.

Fig. 3-4는 산화제 매니폴드의 filling time을 측정하기 위한 수류시험으로, FOIC1 동압센서의

Fig. 4 Oxidizer main line cold flow test for measuring filling time.

Fig. 5 Oxidizer main line cold flow test.

(4)

신호를 보면 14.6초부터 동압이 상승하기 시작하 여 15.1초까지 매끄러운 상승 곡선을 보여준다.

15.1초 이후부터는 곡선의 변화가 나타남을 알 수 있는데, 이 시점이 산화제 매니폴드로 산화제 가 충전되어 유동이 형성되는 시기로 볼 수 있 으며, 최대 동압이 형성된 16.3초 이후 시점은 산화제인 액체산소 유동이 완전히 이루어진 것 으로 볼 수 있다. 이때 유량은 90 L/s보다 다소 작은 값을 보여주고 있다.

Fig. 5는 산화제 메인 라인에서의 공급 유량을 파악하기 위한 것으로 산화제 매니폴드 압력 (POIC1, POIC6) 1.7 MPa에서 184 L/s의 유량이 공급된 것을 알 수 있다. 이와 같은 산화제 수류 시험을 통해 산화제 라인의 구간별 차압을 분석 하게 된다. 물론 시험설비의 시운전 과정이 해당 시험설비의 성능 평가를 목적으로 수행되는 시 험은 아니지만, 초기 시험설비가 자리 잡는 과정 에서 구축된 설비의 특성을 분석할 수 있는 데 이터는 얻을 수 있다고 사료된다. Fig. 6은 산화 제 공급 라인의 개략도로, 2단 점화를 위한 연소 기 입구의 우회 배관, 점화기 라인, 주 공급 배 관 그리고 배관 냉각을 위한 냉각 라인 및 퍼지 라인의 구성 및 위치를 대략적으로 제시하였다.

3.3 연료 수류시험

산화제 라인과 독립적으로 수행된 연료 라인 의 수류시험 결과를 Fig. 7-11에 나타내었다. Fig.

7은 연료 런탱크 출구 배관 압력(PT1202) 10.2 MPa 조건에서 공급된 연료 점화기 라인의 유량 이 정상상태에서 1.27 L/s 정도가 공급됨을 알 수 있다. 점화기용 오리피스 전단에 위치한 PT 1505의 압력은 초기 10.2 MPa에서 점화기 유량 이 공급되면서 7.2 MPa로 감소되었고, 연소기 헤드부로 공급되는 2.3 mm 오리피스 후단에 위 치한 PT 1506은 3.2 MPa의 값을 나타내었다. 연 소기 측면에서 공급되며 3.6 mm 후단에 위치한 PT 1508은 정상상태에서 1.9 MPa의 값을 보여 준다. 연소기 측면 점화기 링에 위치한 압력 PC_IF_Ring의 압력은 0.7 MPa의 값을 나타내었 다.

Fig. 9와 Fig. 10은 연료 매니폴드의 filling time을 측정하기 위한 시험결과를 보여준다. 연 료 매니폴드의 filling time을 측정하기 위한 수 류시험은 연료 런탱크 압력(PT1301) 10.6 MPa에 서 이루어졌다. filling time은 동압 및 유량 기준 으로 14.6초에서 시작하여 15.0초 이내에 연료 매니폴드에 filling 되는 것으로 판단할 수 있다.

산화제 수류시험도 마찬가지로, 연소기 매니폴드 내 filling time을 측정하기 위해서는, 실제 설계 점 연소시험을 수행하기 위한 가압 압력에서 2 단 점화에 사용되는 밸브 중 1차 공급 밸브만을 개방하여 시험을 수행하게 된다. 이때 공급되는 유량은 2단 점화시 pre-stage 압력을 형성하게 되는데, 여기서는 pre-stage가 main-stage의 50%

Fig. 6 Schematic diagram of oxidizer supply line.

(5)

Fig. 7 Fuel igniter line cold flow test.

Fig. 8 Fuel igniter line cold flow test.

Fig. 9 Fuel main line cold flow test for measuring filling time.

를 넘지 않도록 하였다. 물론 이 값은 시험 목적 에 따라 조정이 가능하다. Fig. 11은 연료 메인 라인의 유량 공급 특성을 파악하기 위한 것으로

Fig. 10 Fuel main line cold flow test for measuring filling time.

Fig. 11 Fuel main line cold flow test.

연료 매니폴드 압력(PFIC1~3) 1.6 MPa에서 96 L/s의 유량이 공급됨을 알 수 있다. 이와 같은 수류시험을 통해 연료 라인의 구간별 차압을 분 석할 수 있으며, 이 값은 실제 연소시험을 위한 런탱크 공급압력을 설정하는데 사용하게 된다.

Fig. 12는 연료 공급 라인의 개략도로, 2단 점화

를 위한 연소기 입구의 우회 배관, TEA+TEB

ampule을 포함한 점화기 라인, 주 공급 배관 그

리고 기포 제거를 위한 연료 배출 라인 및 퍼지

라인의 구성 및 위치를 대략적으로 나타낸다. 연

소기로 공급되는 점화기 라인은 연소기의 설계

방식에 따라 달라질 수 있으며, 본 시험에 사용

된 연소기는 헤드부와 연소실 측면부로 각각 공

급되도록 하였다. 또한 재생냉각형 연소기와 내

열재를 사용한 연소기간의 차이점 중 하나가 막

냉각을 공급하는 방식인데, 75톤 TDM1 연소기

(6)

Fig. 13 Cooling water injection in noise suppression system.

는 내열재형 연소기로, 연료 공급 배관에서 분기 하여 측면으로 막냉각용 연료가 공급되도록 하 였다.

3.4 소음기 수류시험

냉각수 공급 펌프의 구동에 따른 수류시험을 수행하였다. 소음기 냉각용 물을 공급하는데 사 용되는 펌프는 총 9대로 PM 401~PM 409이다.

PM 401~PM 409의 구동에 따른 물 공급 경로는 크게 일곱 경로로 구분되며, Table 1에 제시한 cooling section으로 분류할 수 있다. 이 경로를 조금 더 살펴보면, core injection에 사용되는 펌 프는 총 3대로 PM 409, PM 408, PM 407이다. 소 음기의 film cooling에 사용되는 펌프는 PM 406 이고, 1차 cooling ring에 사용되는 펌프는 PM 405이다. 2차 cooling ring에 사용되는 펌프는 PM 404이고, 1차 cooling channel에 사용되는 펌프는 PM 403, 2차 cooling channel에 사용되

# of pump

Pressure (MPa)

MFR

^*

of CW

^**

(kg/s)

CS

^***

PC

^****

(MW) 407+408+

409 0.9 414 CI

^{^}

0.604 406 0.55 290 FC

^{^^}

0.230 405 0.55 215 CR

^{^^^}

1 0.163 404 0.6 355 CR 2 0.222

403 0.6 239 CC

^{^^^^}

1 0.175

402 0.5 266 CC 2 0.181 401 0.6 150 CC 3 0.114

Mass Flow Rate, Cooling Water, Cooling Section,

****Power Consumption, ^Core Injection, ^^Film Cooling,

^^^Cooling Ring, ^^^^Cooling Channel

Table 1. Cooling water test of noise suppression system.

는 펌프는 PM 402, 3차 cooling channel에 사용 되는 펌프는 PM 401이다.

펌프 구동은 soft start 기동 방식으로 이루어 지며, full 가동시 유량 공급은 1,929 kg/s이며, 전력은 1.7 MW를 소비하는 것으로 측정되었다.

Fig. 13은 고추력 core injector에서 분사되는 냉각수의 모습과 고추력 film cooling에서 분사 되는 냉각수의 모습을 보여준다.

Fig. 12 Schematic diagram of fuel supply line.

(7)

4. 점화시험

시운전 과정에서 수행된 수류시험을 바탕으로, 고추력 테스트 스탠드(TS1)에서 75톤급 연소기 기술검증시제를 가지고 점화시험을 수행하였다.

이 시험은 점화제(TEA+TEB)와 산화제 보조 라 인 밸브를 개방하였을 때의 점화특성을 파악하 는 것을 목적으로 수행된다. 이것은 이후 수행될 저압연소시험과 설계점 연소시험을 예비한 것으 로, 연소기의 안전한 시동점화 시퀀스를 획득하 기 위함이다. Fig. 14로부터 점화시 연소실 압력 (Pc_Cyl1)이 0.22 MPa 정도 나타남을 알 수 있 다. 또한 Fig. 15로부터 점화시 나타나는 화염의 특성을 알 수 있는데, Fig. 15(a)는 청녹색의 밝 은 화염으로 점화제가 연소되는 구간이며, Fig.

15(b)는 붉은색 화염으로 점화기 라인으로 케로 신이 공급되어 연소되는 화염을 보여준다. 점화 시 보여지는 화염 특성으로부터 메인 점화를 위 한 케로신의 공급 시점을 생각해 볼 때, 적절한 시점은 청녹색의 밝은 화염이 존재하는 구간보

Fig. 14 Ignition test of combustion chamber.

(a) (b)

Fig. 15 Flame change in the ignition test of combustion chamber.

다 앞서지 않으며, 붉은색의 화염이 존재하는 구 간 보다 빠르게 공급되도록 cyclogram을 설정하 면 될 것으로 판단된다.

5. 맺 음 말

한국형발사체 액체로켓엔진 연소기의 성능평 가를 위해 구축된 지상연소시험설비의 현황과 초기 가동을 위해 수행된 시운전 내용을 간략히 소개하였다. 시운전은 시험설비의 가동점검과 더 불어 시험설비의 수력학적 특성을 파악 할 수 있는 자료와 75톤 기술검증용 연소기의 연소시 험에 필요한 자료를 얻을 수 있도록 해 주었다.

또한 이 결과를 바탕으로, 75톤 연소기의 점화시 험을 수행하였고, 이후 수행될 75톤 연소기의 메 인점화를 위한 연료 공급 시점을 제시하였다. 그 리고 시운전 결과로부터 나타난 시스템별 가동 점검사항과 시험절차서 등의 수정보완사항은 시 험설비의 안정적 가동과 정상 운용에 문제가 없 도록 개선하였다. 위와 같은 시운전 및 점화시험 으로부터 얻은 결과는 이후 이어지는 연소기의 저압연소시험과 설계점 연소시험에 기조차료로 활용될 것이다.

References

1. Lee, K.W., Kim, J.H., Chung, Y.G., Cho, N.K. and Han, Y.M., "Facility Development for Ground Hot-firing Test of a LRE Combustion Chamber," Proceeding of the 2013 KSPE Spring Conference, Pusan, Korea, pp. 99-102, May 2013.