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노즐의 재생냉각 채널 기본설계는 로켓엔진 설계 프로그램(rocket propulsion analysis, RPA)을 통해 수행하였으며, 그 제원과 형상은 Table 1 및 Fig. 2와 같다. 냉각 채널의 입출구는 전기펌프를 통해 액체산소(냉각제)가 유입되는 채널 입구부(Fig. 2 ‘From ElecPump’ 참조)와 분사기(injector)로의 공급을 위한 출구부(Fig. 2 ‘To Injector’ 참조)로 구성된다.

Fig. 2 
Regenerative cooling channel design concept.

입출구 채널은 각각 50개(총 100개)로 내벽 두께는 0.6 mm이며, 설계 및 해석에 적용된 채널 금속 구조물의 열전도율은 20 W/m⋅K를 적용하였다. 재생냉각 노즐의 안정적인 작동을 위해 연소실 내벽은 적용 소재인 Inconel 718의 용융점 미만 값인(1,300 K) 이하로 유지될 수 있도록 냉각제의 공급 온도 및 유량, 채널 길이 등을 선정하였고, 냉각제의 물성치가 급격하게 변화하지 않도록 채널 출구에서 초임계(supercritical) 상태가 되도록 설계하였다. 이후 유동 해석을 통해 연소실 내벽 온도 및 냉각제 상변화(phase change) 거동을 확인함으로써 설계를 검증하였다.

설계모델의 재생냉각 성능 확인을 위해 냉각제의 대류현상, 채널 벽면의 전도현상을 모두 고려한 복합열전달(conjugate heat transfer) 전산유체(computational fluid dynamics, CFD) 해석을 상용 프로그램인 Ansys Fluent로 수행하였으며, 해석 조건은 아래와 같다.

• ⋅ 난류 모델 : κ-ω SST
• ⋅ 수치 기법 : 정상 상태, node-based, 2차 이산화 방식
• ⋅ 격자 수 : 약 1,500만개(3차원 형상)

경계 조건은, 입구에는 압력, 출구에는 유량 조건을 적용하였으며, 연소실 내벽에는 Fig. 3과 같이 RPA에서 도출된 축방향에 따른 열유속(heat flux) 값을 부여하였다. Fig. 3의 x축은 노즐 입구에서부터의 거리를 나타내며, 노즐 목에서의 열유속 값이 가장 크다.

Fig. 3 
Heat flux input with axial direction.

냉각제인 액체산소의 물성치는 해석 안정성을 위해 상수(constant)로 가정하였으며, 입/출구 온도의 평균값을 기준으로 미국표준기술연구소(National Institute of Standards & Technology, NIST) 제공 데이터[9]를 활용하였다. 추후 시험에서 계측된 온도 데이터를 통해 해석기법을 검증 및 보완할 예정이다.

Fig. 4는 재생냉각 노즐 내벽의 온도 분포를 나타낸다. 노즐 목 부근의 온도가 가장 높은 것이 확인되며, 냉각제가 공급되는 1차 유로(채널)와 회수되는 2차 유로의 벽면 온도는 상이한 것이 관찰된다. 1, 2차 유로의 온도가 상이한 것은 냉각제가 채널을 통과하면서 열흡수를 통해 온도가 상승하고, 이로 인해 열전달률이 낮아지기 때문이다. Fig. 4에서 노즐 팽창부 끝단의 온도가 국소적으로 상승하는 현상이 관찰되는데, 이는 2차 유로가 해당 지점 이전까지만 구성되어 있어 냉각 효과가 감소하기 때문이다.

Fig. 4 
Temperature contour of nozzle inner wall.

Table 2는 CFD를 통해 확인한 냉각제의 온도 및 압력 변화량이며, Fig. 5는 냉각제의 상변화를 나타낸 것이다. 재생냉각 채널을 통과하면서 유체의 온도는 70 K 상승하였으며, 압력은 1.45 MPa 감소하였다. 열역학적 물성에 따라 액체상태로 유입된 냉각제가 열흡수를 통해 초임계 상태로 배출되는 것을 알 수 있다.

Fig. 5 
Oxygen phase change in the nozzle.

재생냉각 노즐의 구조 안정성을 검증하기 위해 Abaqus/CAE 2022를 사용하여 구조해석을 진행하였다. 해석을 위한 하중 및 경계조건은 Fig. 6과 같으며, 하중조건은 작동압력 기준으로 안전율 1.5배를 적용하였다. 또한, 해석을 위한 Inconel 718의 물성치는 Ansys Workbench에서 제공하는 상온 물성치를 사용하였다.

Fig. 6 
HyPER-3RCC boundary condition.

해석수행 결과로 Fig. 7을 살펴보면, 노즐 하부 냉각 채널 액체산소 입구부에 국소적으로 허용응력(648 MPa)보다 높은 919.8 MPa이 나타났으며, 이에 대한 보완 설계를 할 예정이다. 최대변위(0.236 mm)는 조립체 상세 설계 시 고려하고자 한다. 향후 시편 시험을 통해 온도 구간별 재료 물성치를 확보하고 극저온, 고온 물성치를 적용하여 추가 구조해석을 진행할 예정이다.

Fig. 7 
HyPER-3RCC structural analysis result.

재생냉각 노즐은 최근 다양한 분야에서 활발히 활용되는 적층제조(additive manufacturing, AM) 기법 중 PBF(power bed fusion) 방식을 채택하였고, 적층제조는 이노스페이스 컨소시엄인 ‘스타코’에서 GE사의 M2 Series 5 장비(Fig. 8 참조)를 사용하여 다음과 같은 과정으로 진행하였다.

• ⋅ AM 파트 출력
• ⋅ 복합 열처리
• ⋅ Support 제거
• ⋅ 표면 및 내부 연마 가공
• ⋅ 적층제조 완료
• ⋅ 비파괴 검사(CT 촬영 등)

Fig. 8 
M2 series 5 (GE additive).

설계 오류로 인한 손실을 최소화하기 위해서는 AM 파트 출력 이전 적층제조 최적화 형상설계가 선행되어야 하며, 최소기능제품 (minimum viable product, MVP)을 통해 적층제조 가능성 평가가 이루어져야 한다. 적층제조 가능성 평가는 Fig. 9와 같이 평가 부위를 선정하고, Fig. 10에 도시한 대로 출력한 평가 파트에 대해 진행하였다. MVP를 통해 적층제조 가능성을 평가한 결과 일부 구간에서 표면 조도가 설계 기준 대비 거칠게 출력되었으나, 재생냉각 노즐 성능에 지배적인 영향을 미치지 않는 구간임을 감안하여 후속 과정인 AM 파트 출력을 진행하였다.

Fig. 9 
Selected part for MVP.

Fig. 10 
MVP selection part output.

MVP 출력 및 제조 가능성 평가 결과를 기초로 재생냉각 노즐 Mock-up을 적층제조 하였다. 시작품(trial product) 개념으로 제작하는 Mock-up은 재생냉각 노즐 내부 유로에 대한 제작 품질 상세 확인을 위해 Fig. 11과 같이 일부 구간을 컷아웃 한 형상으로 출력하였다.

Fig. 11 
Additive manufactured LOX regenerative cooling nozzle mock-up.

Mock-up 완성품에 대한 제작 품질 검토 결과, Table 3과 같이 Mock-up 완성품의 무게와 냉각채널 립의 두께는 측정 오차를 고려한 요구도를 충족하는 것을 확인하였다.

본 연구의 일환으로 향후에는 출력물 내부의 잔여 분말 제거 기법에 대한 연구와 시편시험을 통한 극저온, 고온 물성 시험을 진행할 계획이다.

노즐 조립체의 예비 설계안 도출을 위해 하이브리드 로켓모터에 대한 내탄도 해석을 수행하였다. 재생냉각 노즐의 열⋅유동 해석 결과를 통해 도출된 산화제 공급조건(171 K, 5.5 MPa)과 연료 조성(composition) 정보를 토대로 NASA의 CEA(Chemical Equilibrium with Applications) 프로그램을 이용하여 산출한 연소생성물 정보를 자체 개발한 인하우스 코드에 입력하여 내탄도 해석을 수행하였다. 내탄도 해석을 통해 도출한 본 연구의 요구도 달성을 위한 핵심 설계 인자들을 Table 4에 요약하였다.