技術論文
액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건
이광진*†․임병직* ․ 서성현** ․ 한영민* ․ 최환석*
Sub-System Requirements of a Pressure-fed Hot-firing Test Facility for the Performance Assessment of a LRE
Thrust Chamber
Kwang-Jin Lee*†․Byoungjik Lim* ․ Seonghyeon Seo** ․ Yeoung-Min Han* ․ Hwan-Seok Choi*
ABSTRACT
Sub-system requirements of a pressure-fed hot-firing test facility for performance assessment of a Liquid Rocket Engine(LRE) thrust chamber using Liquid oxygen and kerosene were described.
These requirements were based on the experience of construction and operation of the ground hot-firing test facility which was used for the development of the KSR-III and a 30 tonf-class LRE thrust chamber. So it is expected that this paper is used as a basic material and an itemized previous review statement for the design and construction of a large hot-firing test facility.
초 록
액체산소와 케로신을 사용하는 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구 성 요구조건에 대해 기술하였다. 본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시험장 구축과 운용 경험을 바 탕으로 도출된 것이다. 따라서 본 논문은 대형 연소시험설비의 설계 및 시공을 위한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.
Key Words: Pressure-fed(가압식), Hot-firing Test Facility(연소시험설비), Thrust Chamber(연소기)
접수일 2010. 12. 5, 수정완료일 2011. 7. 20, 게재확정일 2011. 7. 27
* 종신회원, 한국항공우주연구원 연소기팀
** 정회원, 한밭대학교 기계공학부
†교신저자, E-mail: [email protected]
[이 논문은 한국추진공학회 2010년도 추계학술대회(2010. 11. 25-26, 제주 샤인빌리조트) 발표논문을 심사하여 수정・보완한 것임.]
1. 서 론
우주발사체 추진기관의 핵심요소인 액체로켓 엔진은 구동 사이클에 따라 구성요소들의 규격 이 달라진다. 엔진 구동 사이클은 추진제를 연소 실로 공급하는 형태를 일컫는 말로 추진제의 종
류 및 그 나라의 기술 수준에 따라 여러 가지 형태 중에서 하나를 선택하게 된다. 우주발사체 후발 주자로서 우리나라는 현재까지 개발된 엔 진 구동 사이클 중에서 연료 과잉 가스발생기를 사용하는 개방식 터보펌프 사이클 방식의 엔진 을 개발 중에 있다[1]. 우주발사체 선진국의 경 우 이 사이클 방식은 이미 습득한 기술로 현재 이 보다 효율이 높은 산화제 과잉 예연소기를 이용한 폐쇄형 터보펌프 사이클이나 가스발생기 또는 예연소기가 필요 없는 팽창형 사이클을 개 발하여 적용하고 있다[2]. 현실적으로 국가 간 우주발사체용 추진기관의 기술 이전이 어려운 상황에서 이러한 기술적 차이를 극복하기 위해 서는 과감한 투자가 이루어져야 하겠다. 냉전시 대 구 소련의 우주기술을 따라잡기 위해 수행한 미국의 선택은 다수의 우주발사체용 추진기관 대형시험설비를 구축하고 활용하여 대형 액체로 켓엔진을 개발하는 것이었다. 결과적으로 이러한 미국의 선택은 구 소련과의 경쟁에서 우위를 차 지할 수 있는 밑거름이 되었으며 현재까지 우주 개발의 선두 주자로 많은 영향력을 끼치게끔 해 준 원동력이 되었다[2].
액체로켓엔진을 설계 제작하는 것은 다양한 개념 하에 각기 다른 방식으로 수행할 수 있으 나, 엔진의 성능과 신뢰도를 검증하여 비행용 모 델로 적합한지 판단하기 위해서는 무엇보다 충 분한 추진제를 공급하여 원하는 시험을 수행할 수 있는 설비의 보유가 필수적이다. 이러한 설비 는 엔진을 구성하는 단품 및 시스템 시험에 따 라 구분되는데 대표적으로 연소기 연소시험설비, 터보펌프 시험설비, 추진제 공급계 시험설비 그 리고 엔진 시험설비 등으로 나눌 수 있다. 그리 고 이들 설비는 개발 대상 엔진 규격을 다소 상 회하는 능력을 보유하여야 안정적인 시험이 가 능하다. 그러나 아쉽게도 국내에는 한국형발사체 급의 대형 연소기를 시험할 수 있는 설비가 단 하나도 없는 실정이다[3, 4]. 모든 분야가 그렇겠 지만 성능평가용 설비 구축은 많은 비용과 시간 을 필요로 한다. 하지만 미국의 경우를 비롯해 많은 나라에서 알 수 있듯이 구축된 대형 시험 설비는 그 나라 우주개발의 원동력으로 작용하
여 우주를 향한 지속적인 도전을 가능하게 해준 다. 이에 본 논문에서는 엔진 구성요소 중 연소 기의 성능평가에 필요한 연소시험설비의 구성 요구조건을 제시하여 향후 구축하고자 하는 설 비의 기초자료로 활용하고자 한다.
2. 연소기 연소시험설비의 구성
2.1 설비규격
75톤급 우주발사체용 추진기관 개발에 있어서 연소기는 엔진 구동 사이클에 관계없이 다른 단 품에 비해 선행적으로 성능평가가 이루어져야 하기 때문에 이를 위한 시험설비는 그 이전부터 준비가 되어야 추진기관 개발 계획이 순조롭게 이루어질 수 있다. 현재 한국항공우주연구원(이 하 항우연)에서는 한국형발사체 개발 계획[5] 하 에 이에 적합한 대형 액체로켓엔진 연소기의 개 발이 진행 중에 있다. 이 과정에서 기술검증을 위해 Table 1의 규격으로 총 3기의 시제가 제작 되었고[6], 저압조건에서 일부 연소시험이 수행 되었다[4]. 이에 기 제작된 기술검증용 시제의 특성을 파악하고, 한국형발사체의 개발 계획을 순조롭게 진행하기 위해서는 무엇보다 정격조건 에서의 성능평가가 가능한 시험설비의 구축이
항 목 값
진공추력 (Tonf) 74.8
산화제 유량 (kg/s) 173 연료 유량 (kg/s) 70.6
연소압력(bar) 60
Table 1. Spec. of a 75 Tonf-class Thrust Chamber
항 목 값
추력 (Max. Tonf) 150 산화제 유량 (kg/s) 200 연료 유량 (kg/s) 100 고압질소 압력 (bar) 400 산화제 런탱크 압력 (Max. bar) 250 연료 런탱크 압력 (Max. bar) 300 연소 시험시간 (sec) 135 Table 2. Spec. of a Large Hot-firing Test Facility
시급하며, 이를 활용한 연소기의 특성을 파악하 여 현실 가능한 자료를 확보하는 것이 필요하다 고 하겠다. 현재 계획 중인 대형 연소시험설비는 고압가스를 이용한 추진제 가압방식으로 그 규 격은 Table 2와 같다. 고압가스를 이용한 방법 외에 터보펌프를 이용한 추진제 공급 방식도 있 으나 아직까지 국내 기술로 실용화된 터보펌프 가 없기에 대형 연소기 성능평가용 시험설비를 가압식 방법으로 구축하고자 한다.
2.2 설비구성
액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 시험 설비는 추진제를 다루는 유공압 설비와 시험장 운용 및 상태 점검을 위한 제어계측 설비 그리 고 소음저감 및 시험장 안전을 다루는 부대설비 로 구분할 수 있다. 이렇게 구분된 설비들의 세 부항목을 Table 3에 기술하였다. Table 3의 유공 압 구성항목을 가지고 가압식 연소시험설비를 도시화하면 Fig. 1과 같이 추진제 저장탱크와 런 탱크(run tank, 시험용 탱크) 그리고 질소설비로 크게 구분할 수 있다. Fig. 1에서 테스트 스탠드 가 2개인 것은 5∼10톤급의 액체로켓엔진 연소 기 및 75톤급 가스발생기의 연소시험을 위한 스 탠드와 75톤급 액체로켓엔진 연소기의 연소시험 을 위한 스탠드가 구분되기 때문이다.
구 분 세부항목 및 기능
유공압
①산화제 저장 및 공급 설비
②연료 저장 및 공급 설비
③액화질소저장 및 기화 설비
④고압가스 저장 및 공급 설비
⑤점화물질 저장 및 충전 설비 제어/
계측
①시험장 운용 제어 설비
②시험장 및 결과기록 계측 설비
③연소기 장착 및 추력 측정 설비
부대 설비
①화염유도로 및 소음저감설비
②강도/기밀시험 설비
③고온질소 공급 설비
④탈지 설비
⑤추진제 분석 설비
⑥소화 및 안전 설비
Table 3. Component of a Large Hot-firing Test Facility
Fig. 1 Basic Schematic of Hydraulic System
2.3 유공압 설비
산화제 설비는 가압식 연소시험설비 중 산화 제 저장, 공급 및 배출 부분을 다루며 연소기 규 격에 맞춰 134초 이상의 연소시험을 수행할 수 있는 용량으로 선정하였다. 산화제 저장설비는 자연 증발율을 낮게 유지하도록 단열구조 형태 를 가지며 저장탱크 내 압력제어가 가능해야 한 다. Fig. 2는 산화제 저장탱크에서 런탱크에 산 화제를 충전하는 방식을 간략히 도시화한 것으 로, 저장탱크 내 압력을 PID 제어로 상승시켜 공급하는 방법과 극저온 펌프를 이용하여 공급 하는 방법을 보여준다. 산화제 저장탱크의 용량 은 시험에 필요한 산화제 런탱크 및 배관 냉각 용량과 산화제 런탱크 및 배관 충전 용량 등을 고려하여 선정한다. 산화제 런탱크의 수량은 탱 크의 크기, 충전 완료 후 가압을 위한 얼리지 (ullage) 그리고 연소시험 후 산화제 잔류량 선 정에 따라 달라질 수 있으므로 이들에 대한 결 정이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 산화제 런 탱크 크기를 3 ㎥ 용기로 선정하였고, 얼리지는 런탱크 체적의 5%, 잔류량은 런탱크 체적의 20%로 계산하여 런탱크 수량을 결정하였다. 산 화제 런탱크에 저장된 추진제를 연소기에 공급 하기 위해서는 Fig. 3과 같은 구조의 고압질소 공급시스템을 이용할 수 있다. Fig. 3은 고압질 소 저장용기 이후부터 도시화한 개략도로 대구 경 돔(dome) 레귤레이터와 솔레노이드 밸브를 이용하여 산화제 런탱크의 압력을 제어하는 방 식을 보여준다. Fig. 4는 Tescom사의 ER3000 압
Fig. 2 Basic Schematic of LOx Storage System
Fig. 3 Basic Schematic of LOx Supply System and Pressure Regulating System of LOx Run-tank
력 제어기의 적용 방식으로 제어기 후단에 설치 된 압력 센서 값을 기준으로 유량이 제어 되며, 제어기 수량은 Table 2의 산화제 유량을 공급하 는데 필요한 고압질소의 양에 따라 결정된다. 연 소기 연소시험 중 최대로 사용되는 고압질소의
Fig. 4 Typical System Wiring and Networking Diagram of ER3000
양을 결정하기 위해서는 산화제 런탱크의 운용 압력과 얼리지 내 온도를 알아야 한다.
특히 얼리지 내 온도는 산화제 런탱크의 디퓨 져(diffuser) 설계에 따라 큰 차이를 보이게 된 다. 본 논문에서는 이 온도를 150 K로 선정하였 으며 런탱크의 운용 압력은 13.5 MPa로 선정하 여 연소시험 중 필요한 고압질소의 최대 유량을 계산하였다. 그리고 이 유량 값을 기준으로 필요 한 돔 레귤레이터의 Cv값을 결정하였다. 산화제 설비를 운용하는데 필요한 고압질소 용기의 수 량은 용기의 크기와 고압질소 용기의 가용압력 범위에 따라 차이가 발생하는데, 본 논문에서는 1 ㎥로 선정하여 40 MPa로 충전한 후 22 MPa 로 감압 될 때까지를 유용한 고압질소 압력으로 간주하였다. 단, 연소기 퍼지 및 자동밸브 구동 용 고압질소 용기는 런탱크 가압용 고압질소 용 기와 구분하여 10 MPa까지 사용하는 것으로 하 였다. 자동밸브 구동용 가스는 질소를 사용하기 도 하나, 밀폐된 공간 또는 지하에 자동밸브가 위치할 때에는 안전을 위해 공기를 사용하도록 한다. 공기를 사용할 때에는 수분을 제거한 건공 기를 사용하여 밸브 구동용 액추에이터(actuator) 의 빠른 노화를 방지하도록 주의해야 한다. 연소 시험 전과 종료 시에 수행하는 퍼지는 Fig. 3에 서 제시한 산화제 런탱크 가압방식과 동일한 방
법을 사용하며 연소기 입구 전단에 오리피스를 설치하여 유량 제어가 되도록 한다.
연료 설비는 가압식 연소시험설비 중 연료 저 장, 공급 및 배출 부분을 다루며 연소기 규격에 맞춰 134초 이상의 연소시험을 수행할 수 있는 용량으로 선정하였다. 연료 저장설비는 화재방지 를 고려하여 설계하며, 연료 저장탱크에서 런탱 크로 연료 충전 시 연료 온도를 조절할 수 있는 열교환기를 설치 운용하도록 한다. 연료 온도를 낮추기 위한 추가설비로 연료 저장탱크에 LN2 를 공급하여 연료의 온도를 낮춘 후 질소를 de-saturation 시키는 장치를 구축하도록 한다.
Fig. 5는 연료 저장탱크에서 런탱크로 공급되는 방식을 간략히 도시화한 것으로 펌프를 이용하 여 충전을 하도록 하였다. 연료 저장탱크의 용량 을 계산하기 위해서는 시험에 필요한 연료 런탱 크 및 배관 충전 용량 등을 고려하여 선정한다.
연료 런탱크의 수량은 탱크의 크기, 충전 완료 후 가압을 위한 얼리지 그리고 연소시험 후 연 료 잔류량 선정에 따라 달라질 수 있으므로 이 들에 대한 결정이 선행되어야 한다. 본 논문에서 는 연료 런탱크 용기의 크기를 1.3 ㎥로 선정하 였고, 얼리지는 런탱크 체적의 5%, 잔류량은 런 탱크 체적의 20%로 계산하여 런탱크 수량을 결 정하였다. 연료 런탱크에 저장된 추진제를 연소 기에 공급하는 방법은 산화제 공급 방식과 같은 Fig. 3의 구조를 사용한다. Table 2의 연료 유량 을 공급하는데 필요한 최대 고압질소의 양은 산 화제 설비와 동일한 방식으로 계산하고, 고압질 소 용기의 크기 및 가용압력 또한 산화제 설비 용 고압질소 설비와 같은 방식을 적용한다. 연소 시험 준비과정에서 연료 배관 내 기포 제거와 연소시험 종료 후 연료 배출을 위해서 연료 설 비에는 1 MPa이하의 저압 드레인 탱크를 설치 한다. 이 드레인 탱크는 외부공기가 유입되지 않 는 밀폐형 구조로 연료 런탱크의 전체용량 보다 크게 제작하여 비상발생 시 런탱크에 충전된 연 료를 안전하게 배출되도록 한다. 연료 설비의 퍼 지용 고압질소의 하한 압력 또한 10 MPa로 선 정하여 필요한 고압질소의 양을 결정한다. 추진 제 런탱크 가압 및 퍼지용 고압질소 용기는 산
화제와 연료를 분리하여 사용하는 것을 원칙으 로 한다.
고압가스 설비는 가압식 연소시험설비 중 질 소, 헬륨, 공기의 저장, 공급 및 배출 부분을 다 루며 연소기 규격에 맞춰 134초 이상의 연소시 험을 수행할 수 있는 용량으로 선정한다. 고압가 스 설비의 대부분을 차지하는 질소는 Fig. 6과 같이 액체 상태로 저장한다. 액체질소 저장탱크 는 액체산소 저장탱크와 유사한 구조이며 저장 탱크 출구에는 40 MPa의 기체질소를 생성하기 위한 설비와 연결된다. 이 설비는 액체질소의 압 력을 40 MPa의 압력으로 상승시키기 위한 고압 펌프와 40 MPa의 액체질소를 기체질소로 상변 화 시키기 위한 기화기로 구성된다. 고압 액체산 소 펌프와 기화기의 용량은 고압질소 저장탱크 의 압력이 15 MPa에서 40 MPa로 24시간 내에 가능하도록 구성한다. 액체질소 저장탱크의 용량 은 산화제 설비 및 연료 설비를 운용하는데 필 요한 기체질소의 양과 연료를 냉각하는데 필요 한 액체질소의 양 그리고 얼리지 10%와 펌프 구 동을 위해 필요한 잔류량 5%를 고려하여 선정한 다.
점화물질 저장 및 충전설비는 개발 대상 연소 기의 초기점화 방식에 따라 강한 자발착화성 물 질(triethylaluminum 15%+triethylborane 85%)을
Fig. 5 Basic Schematic of Fuel Storage System
Fig. 6 Basic Schematic of LN2 Storage System
Fig. 7 Facility for Filling Test Ampule with Metal Alkyls
항목 용량 (㎥)
산화제 저장탱크 80
산화제 런탱크 30
연료 저장탱크 20
연료 런탱크 16
액체질소 저장탱크 50
고압가스 저장용기 115
자발착화성 저장용기 0.02
Table 4. Capacity of Storage Tanks for Combustion Chamber Hot-firing Test Facility
사용해야 하기 때문에 물질안전보건자료에 근거 한 안전성을 최우선으로 구성해야 한다. Fig. 7 은 AkzoNobel사에서 시험용기에 metal alkyl을 충전하는 과정을 공개한 자료이며[7], 항우연에 서도 metal alkyl을 충전하는 설비를 구축하여 지난 KSR-III 엔진에서부터 75톤급 액체로켓엔진 연소기의 저압 연소시험까지 안전사고 없이 점 화용 용기에 충전작업을 수행하였다. Table 4는 위와 같은 설비 요구조건을 바탕으로 선정한 연 소기 연소시험설비의 저장탱크용량을 나타낸 것 이다.
2.4 제어계측 설비
제어계측 설비는 시험설비의 운용을 위한 제 어 설비와 시험전후의 열역학적 물성치를 기록 하기 위한 계측 설비로 구분된다. 제어설비는 PLC(programmable logic controller)를 이용하며 연소기 작동시간 이상으로 시험장 자동화가 가 능해야 한다. 또한 주 PLC의 갑작스런 기능정지 시 시험장 운용을 가능하도록 이중화 구성을 하 며 감시 기능이 가능해야 한다. 그리고 원하지 않는 현상으로 인해 이중화된 제어기를 작동할 수 없는 경우에는 제어 콘솔에 설치된 수동조작 버튼을 이용하여 주요 자동밸브의 개폐명령을 내릴 수 있어야 한다. 자동시퀀스와 물리적 데이 터를 이용한 비상정지 시퀀스의 변경은 시험조 건에 따라 변경이 가능해야 한다. 시험조건에 대 한 피드백 알고리즘이 포함된 Fig. 8은 제어계측 설비의 개략도를 보여준다. 제어 설비의 구성은 디지털 입력, 디지털 출력, 아날로그 입력, 아날 로그 출력, TTL(transistor-transistor logic) 입력, TTL 출력 등으로 이루어지며, 이것들의 채널수 는 유공압 P&ID(pipe and instrument diagram) 의 구성에 따라 결정된다. 제어 설비의 운용은 HMI(human machine interface)를 활용하여 설 비 사용자가 시험장 상태를 쉽게 확인할 수 있 도록 하며, 앞서 언급한 자동시퀀스 및 비상정지 시퀀스 변경이 HMI 프로그램에서 가능하도록 구성한다. 또한 시험동과 종합제어계측동 간의 거리를 고려하여 HMI용 PC와 PLC간의 통신에 장애가 없도록 이중화된 광통신을 사용한다.
Fig. 8 Basic Schematic of Control and Data Acquisition System
계측 설비는 시험장 운용에 필요한 열역학적 물성치를 측정하기 위한 설비로 연소기 작동시 간 이상으로 기록할 수 있어야 한다. 시험장 및 연소기의 성능 평가에 필요한 온도, 압력, 유량, 밀도, 추력, 수위 등의 채널은 동시에 1 kHz 샘 플링까지 기록이 가능한 저주파 기록 장치를 사 용한다. 가속도, 동압 등의 채널은 동시에 100 kHz 샘플링까지 기록이 가능한 고주파 기록 장 치를 사용한다. 이러한 기록 장치에는 저장모듈 을 설치하여 실시간으로 기록하고 계측용 PC에 서 실시간으로 감시할 수 있어야 한다. 또한 시 험 종료 후 기록된 자료를 계측용 PC에서 불러 들여 ASCII 파일로 저장할 수 있도록 구성해야 한다. 계측 설비에는 연소기 개발과정 중에서 발 생할 수 있는 연소불안정을 판단하여 시험 중지 신호를 제어 설비에 보낼 수 있는 기능이 포함 되어야 한다. 이것은 특정 고주파 신호를 이용하 여 원하는 주파수 대역으로 필터링한 후 기준값 이상으로 진폭이 증가하는 현상을 판단하여 제 어 설비로 TTL신호를 보내는데 0.5초 이내에 이 루어지도록 한다.
테스트 스탠드는 시험용 연소기가 설치되는 곳으로 고추력 발생을 고려한 구조물 설치, 연소 기 노즐 후단의 화염 발생에 대한 장비류의 방 열 그리고 폭발 및 추진제 누설에 의한 화재 진
Fig. 9 Combustor Installation at High Thrust Test Stand (Vertical Type)
압 등을 고려한 안전설계가 필수적이다. Fig. 9 는 추력 150톤급 연소기 시험이 가능하도록 기 본설계 과정에서 그려진 고추력 테스트 스탠드 의 모습으로, 75톤급 액체로켓엔진 연소기가 이 동식 크레인에 연결되어 소음저감장치 위에 안 착 되는 모습을 보여준다. 본 시험설비에는 Fig.
9와 같은 고추력 테스트 스탠드 외에 Fig. 1에서 제시한 것처럼 저추력 테스트 스탠드를 구성하 여 한국형발사체용 연소기 및 가스발생기의 성 능평가 시험을 수행하도록 한다. 추력 측정은 축 방향 측정을 기본으로 하며 연소기 설치에 따른 추진제 배관의 구속 상태를 점검할 수 있도록 교정 장치의 탈부착을 고려한 설계가 되도록 한 다.
2.5 부대설비
본 논문에서 구분한 부대설비는 시험장 안전 과 연계된 것으로 대표적인 설비 항목을 Table 3에 제시하였다. 화염유도로와 소음저감설비는 연소기로부터 발생한 화염을 안전하게 격리하는 역할을 한다. 화염유도로와 소음저감설비에는 화 염 및 배기가스의 온도를 낮추기 위한 냉각수의 공급이 기본적으로 이루어지지만, 그 방식은 다 소 차이가 있다. 화염유도로는 개방된 구조로 화 염을 격리하고 화염 중앙에 추진제 유량을 상회 하는 냉각수를 공급하여 유도로를 냉각하고 충 격파로부터 유도로와 노즐을 보호한다[8]. 특히
화염유도로 냉각장치는 화염 내부에 냉각수를 공급해야 함으로 특별히 고안된 물 분사장치가 사용된다. Fig. 10은 나로우주센터에서 사용 중 인 화염유도로 냉각장치의 물 분사 모습을 보여 준다. 소음저감장치는 자동차의 머플러와 공장 굴뚝을 이어 놓은 형상으로 Fig. 11과 같은 구조 를 지닌다. 소음저감장치는 양 끝단이 열린 수축 팽창 구조의 파이프 형상으로 연소가스로 인한 배압과 공진이 발생하지 않도록 한다. 소음저감 을 위한 냉각수는 연소가스의 속도와 온도를 낮 추기 위해 구획별로 나누어 분사하며, 사이클론 (cyclone) 구조의 굴뚝을 설치하여 증발되지 않 은 냉각수와 연소화합물을 바닥면에 모으고, 배 수로를 통해 폐수조로 이동하게 한다. 폐수조에 모인 오염된 냉각수는 폐수처리시설을 통해 최 대한 재사용하도록 한다. 펌프를 사용한 냉각수 공급 설비는 Table 2의 추진제 유량을 고려한 1.5 ㎥/s의 냉각수 분무 시 시험동 전력에 문제 가 없도록 구축한다.
강도/기밀시험 설비는 지상연소시험을 수행하 기 위해 필요한 유공압 부품 및 각종 배관, 밸브 등의 기능상 문제 여부를 판단하기 위한 장치이
Fig. 10 Gas Deflector Cooling System
Fig. 11 Noise Suppression System
다. 이것은 수압을 증가시켜 강도를 검사하는 강 도시험장치, 질소 및 헬륨을 가압해 누설을 검사 하는 기밀시험장치 그리고 기타장치 등으로 구 성된다. 강도시험은 작동압의 150%, 기밀시험은 작동압의 115%로 시험을 수행할 수 있도록 설계 제작되어야 한다. 부품의 유지분을 제거하기 위 한 탈지 설비는 부식 방지 기능이 고려되어야 하고, 부품 탈지 후 건조시키기 위한 고온질소 공급설비는 온도조절 및 유량 조절기능이 가능 해야한다. 시험에 사용될 추진제의 기본 물성치 를 판별하기 위한 추진제 분석설비는 액체와 기 체를 구분하여 매질에 포함된 불순물의 크기와 함유량을 파악할 수 있어야 한다.
소화 및 안전 설비는 연소시험 설비의 특성상 화재의 위험이 다른 설비보다 현저히 높기 때문 에 체계적으로 작동하고 활용 될 수 있어야 한 다. 소화 설비의 매질은 이산화탄소, 소화약제 (foam), 물, 가스질소 등 용도에 맞게 설치하도 록 한다. 미연가스, 질소 및 산소의 누설을 감지 하는 점검시스템을 현장에 설치하고 이를 통제 실에서 확인할 수 있도록 한다. 연소시험 전후 시험장 주변의 상황을 감시하기 위한 영상 설비 와 시험결과 분석을 위한 고화질 고속도 영상 설비는 구분하여 구축한다. 통신 설비는 시험장 현황 전파, 통제구역 전파, 통제실 연락 등을 고 려한 전이중 방식으로 구축하도록 한다.
3. 결 론
액체산소와 케로신을 사용하는 우주발사체용 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건에 대해 기술하였 다. 가압식 연소시험설비는 추진제를 대상 연소 기에 공급하기 위한 매질로 고압기체를 사용하 기 때문에 설비 구축에 사용되는 많은 부품이 높은 안전성과 신뢰성을 요구한다.
본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시 험장의 구축과 운용 경험을 바탕으로 도출한 것
이다. 따라서 본 논문에서 기술된 사항들은 향후 구축하고자 하는 한국형발사체급의 대형 액체로 켓엔진 연소기용 연소시험설비의 설계 및 시공 과정에서 발생할 수 있는 문제들에 대한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 사용될 수 있을 것으 로 기대한다.
참 고 문 헌
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