편집위원회

예연소기 개발은 심플렉스 분사기(simplex injector)와 삼중분사기(triplex injector) 두 종류에 대해 중점적으로 연구되고 있다. 심플렉스 분사기는 Fig.4 (좌)와 같은 일반적인 스월형 분사기이다. 삼중분사기는 2006년도부터 RD-170 엔진의 자료를 토대로 선행 연구개발이 진행되었다[1-6,15]. 삼중분사기는 Fig. 5와 같이 분사기 내에서 추진제가 확산, 연소되도록 설계된 형태이다. 분사기에서 연소가 이루어지기 때문에 예연소실에 대한 열적 부하가 일반 분사기를 사용하는 예연소기에 비해 적은편이며 효율도 높은 것으로 알려져 있다.

Fig. 4  
Simplex injectors and pre-burner.

Fig. 5  
Schematics of an injector.

초기 예연소기의 OF (oxygen/fuel) ratio는 최소 14에서 최대 70 범위까지 삼중분사기의 분무 형태에 대한 연구가 진행되었다[1-6]. 이후 삼중분사기는 축소형에 대한 연소시험이 수행되었고[12], 예연소기 기술축적을 위해 심플렉스 분사기를 장착한 예연소기 연소시험[16]이 성공적으로 수행되었다. 심플렉스 분사기가 적용된 예연소기의 실물형상은 Fig. 6과 같으며 파워팩 시험[14]과 연소시험에 적용되었다.

Fig. 6  
One-body pre-burner.

심플렉스 분사기가 적용된 산화제 과잉 예연소기는 1차, 2차로 구분되는 2단 시동방법을 사용하였다. 이는 최초 점화시에는 적은 유량으로 점화를 하여 시동시 충격(hard start)을 완화하고 이후에 정상상태 조건으로 추진제를 주입하는 방식이다. 예연소기 모델은 초기에 8 MPa를 유지하다가 이후에는 20 MPa가 유지되며 Fig. 7(a-b: 점화, c: 정상연소, d: 소화)과 같이 10초 연소 시험이 수행되었다[16].

Fig. 7  
Combustion test of pre-burner.

연소기는 Fig. 8과 같은 기체 중심 선회 동축 분사기(GCSC, gas-centered swirl coaxial injector)를 사용하였다. 예연소기에서 생성된 산소과잉 가스는 터빈을 구동하고 연소기 헤드로 유입되며 GCSC 분사기 중앙에서 분사되고, 연료는 재생 냉각 연소실을 냉각하고 난 후 연소기 헤드로 유입되어 GCSC 분사기를 통해 분무된다[8-10]. 연소기 압력을 모사하는 고압탱크 내에서 액체/기체 분사에 따른 분무 형태(Fig. 9)에 대한 연구가 진행되었다.

Fig. 8  
GCSC injector.

Fig. 9  
Spray images of GCSC injector.

다단연소사이클 로켓엔진 선행 개발에는 Y사의 8톤급 실물형 터보펌프가 사용되었다. 터보펌프는 Fig. 10과 같이 터빈, 산화제 펌프, 시동터빈, 연료펌프 순으로 구성되어 있다. 터빈부는 예연소기와 주연소기 사이에 위치하며 내부는 산화제 코팅 처리되어 있다. 연료펌프는 2단으로 구성되어 있으며, 주연소기와 예연소기 쪽으로 연료를 보내는 역할을 한다. 터빈의 정격 회전수는 약 29000 rpm이다.

Fig. 10  
Schematic of turbo-pump.

Fig. 11  
Combustion tests of a uni-element pre-burner and a combustor.

실물 모델에 대한 연소기 연소시험 전에 단일분사기가 장착된 예연소기-연소기의 축소형 모델 연계시험이 수행되었다[12]. 연계시험에 사용된 단일분사기 연소기는 매우 적은 유량만 사용하기 때문에 예연소기의 분사기 한 개가 사용되었다. 설계된 예연소기로 공급되는 산화제 유량은 약 275 g/s, 연료유량은 약 4.6 g/s, 예연소기 연소압력은 9.7 MPa이고, 단일분사기 연소기로의 산화제 과잉 가스 유량은 279.6 g/s, 연료는 92 g/s, 연소기 연소압력은 8.0 MPa이며, 연소기와 단일 분사기 예연소기의 점화제는 TEAB를 사용하였다[17]. 단일 분사기 예연소기-연소기 시험은 Fig. 11과 같이 연소 시험이 수행되었다[12]. 시험결과 예연소기의 경우 연소압력이 9.7 MPa, 연소기 압력은 8.0 MPa을 보여주었고, 정상상태에서는 압력섭동은 예연소기 및 연소기모두 RMS 기준으로 1% 이내의 값을 보여주었다.

연소기를 제외한 주요 구성품으로 구성된 파워팩 모델은 연소기로 공급되는 추진제의 최종 성능을 검증하기 위해 사용되는 모델이다. 이는 연소기를 사용한 실제 시험에서 발생하는 위험을 줄이고 연소기 장착 전 추진시스템의 성능을 검증하는 데 목적이 있다. 파워팩 시험은 크게 수류시험, 시동시험, 예연소기 연소시험으로 구성되어 있다[14]. 파워팩 시험은 고흥 항공센터에서 시험설비를 구축하여 시험이 되었다.

파워팩 구성은 예연소기, 터보펌프와 추진제 유공압 부품들로 구성되어 있으며, 실제 시험에 사용된 파워팩은 Fig. 12와 같다.

Fig. 12  
Power-pack model.

파워팩 시험을 하기 위해서는 앞서 이야기한 것과 같이 수류시험과 시동시험이 필요하다. 수류시험은 파워팩이 없는 상태에서 시험설비의 추진제 가압탱크로 설계요구조건의 유량을 공급할 수 있는 지를 검증하는 시험이다. 시동시험은 터보펌프를 초기 구동하는 헬륨 시동기를 사용하여 터보펌프의 rpm 특성을 확인하는 시험이다. 이 두 선행 시험을 통해 파워팩 연소 시험에 필요한 추진제 공급과 관련된 시동 사이클이 결정된다. 연소시험은 10초간 안정적으로 지속되었으며, 압력 섭동은 1% 정도로 안정적이었다. 예연소기에서 발생된 산화제 과잉 가스는 터보펌프의 터빈부를 통해 Fig. 13과 같이 하얀 가스형태로 외부 배기된다.

Fig. 13  
Combustion of power-pack.

1차 파워팩 시험 성공 후 다단연소사이클 로켓엔진 시험은 한국형 발사체 엔진 시험이 이루어지고 있는 나로우주센터 7톤급 엔진 연소 시험설비(Fig. 14)에서 이루어졌다. 다단연소사이클 로켓엔진은 Fig. 15와 같은 최종적인 엔진 형상으로 시험이 진행될 예정이다.

Fig. 14 
Overview of the 7ton-class engine test facility and engine test control room.

Fig. 15  
Concept model of staged combustion cycle engine.

따라서 다단연소사이클 로켓엔진은 최종 엔진 형상까지 고려하여 7톤급 엔진 연소 시험을 통해 안전성과 성능이 검증된 나로우주센터의 7톤급 엔진 연소 시험설비에서 이루어지고 있다. 7톤급 엔진 연소 시험설비는 산화제 20 kg/s, 연료 10 kg/s까지 공급가능하며, 후류 냉각수 분사량은 최대 120 kg/s로 최대 추력 15톤, 연소시험은 최대 1000 초까지 엔진 시험이 가능한 시험설비이다[18, 19]. 또한 7톤급 엔진 연소 시험설비는 Fig. 14와 같이 시험설비와 엔진시험 제어통제실이 별도로 분리되어 있으며 원거리에서 CCTV 영상을 통해 시험을 제어/통제하도록 되어 있다. 시험설비 내외는 다중으로 소화설비가 설치되어 있어 만일의 화재 및 폭발사고에 대비할 수 있도록 설계되었다.

다단연소사이클 로켓엔진의 최종 형상은 Fig. 15와 같은 형상으로 계획하고 있다. 주요 설계 규격은 진공추력은 8~10 tonf, 진공추력비는 350 초 이상, 예연소기 연소압 20 MPa 이상, 주연소기 연소압 8 MPa 이상, 최대운용시간은 600 초 이상이다. 요구조건을 만족하는 엔진 개발을 위해 개발단계에서의 다단연소사이클 로켓엔진 모델은 초기 기술 검증시제(TDM, technology demonstration model)로 명하여 시험이 진행되었다. 이후 논문에서 해당엔진모델은 TDM0로 명칭한다.

다단연소사이클 로켓엔진 모델은 최초 8톤급 엔진으로 규격을 정하였으나 달탐사 계획 등으로 엔진의 추력은 9톤급으로 성능을 올려서 TDM0에서는 추력 9톤을 목표로 시험이 수행되고 있다. TDM0의 주요 구성은 Fig. 16과 같다. TDM0의 구성에서 주연소기는 노즐이 장착되지 않은 형상이다[20]. 헬륨 시동기를 통해 터보펌프는 초기 회전력을 얻어 추진제를 초기 가압을 하여 공급한다. 산화제는 산화제 펌프(LOX pump)를 통해 가압되어 예연소기(Pre-burner)로 공급된다. 연료는 2개의 연료펌프(Fuel pump)를 통해 일부는 예연소기로 공급이 되며 나머지 연료는 연소기로 공급된다. 엔진 시동 절차에 따라 TEAB 점화기가 적절한 시기에 공급이 되어야 예연소기와 주연소기의 점화가 이루어진다[21]. 이때 예연소기 점화를 위해 예연소기로 공급되는 산화제는 PBOV(Pre-burner Oxygen Valve)로 연료는 PBFEV(Pre-burner Fuel Electric Valve)로 제어가 된다. 예연소기가 점화가 되어 연소가 진행되면 고온의 산소 과잉 산화제는 터빈을 통해 연소기로 공급이 된다. 산화제 공급 조건에 맞춰 TEAB 점화기와 연료도 연소기로 공급이 되면 주연소기의 점화와 연소가 이루어진다.

Fig. 16  
Engine schematics.

나로우주센터에서 사용된 엔진 모델(TMD0)은 이전 파워팩 형상(Fig. 12)과 차이가 있다. 그 이유는 엔진시험설비와의 인터페이스를 고려해야 하고 최종 엔진형상 전 최적화된 조립체를 구성해야 하기 때문이다. TDM0 모델 형상은 Fig. 17과 같다. Fig. 17에서 오른쪽 그림은 연소기를 장착안한 수류시험용 파워팩 모델 형상이고, 왼쪽은 연소기를 장착한 TDM0 모델 형상이다. TDM0는 파워팩 모델과 각 부품 위치나 배관의 길이가 달라졌기 때문에 이에 대한 시동 특성과 안정성에 대한 분석이 수행되었다 [22, 23].

앞서 이야기한 바와 같이 엔진 연소 시험 전에 주연소기로 공급되는 추진제 조건을 검증하기 위해 수류시험, 시동시험, 파워팩 검증 시험이 필요하다. 수류시험은 Fig. 17의 우측 형상과 같이 연소기를 장착안한 상태에서 추진제의 공급성능을 검증한다. 수류시험에서 이상이 없으면 파워팩 검증 시험이 수행된다. 파워팩 검증 시험을 통해 주연소기로 추진제를 공급하기 위한 밸브 개폐 순서, 공급압력, 유량 등이 정해지게 된다. 파워팩 점화시험은 주연소기 점화 없이 약 10초 동안 수행되었다. TDM0의 시험설비에 장착된 실물형상은 Fig. 18과 같다. 헬륨 시동터빈 구동을 통해 터빈은 구동력을 얻으며 예연소기 점화를 통해 터빈은 정상 작동을 하게 된다. TDM0의 파워팩 연소 화면은 Fig. 19와 같다. 산화제 과잉 가스이므로 하얀색 기체가 배출되는 것을 볼 수 있다. 10초 점화성능 검증 수행 후 예연소기 연소 안정성 확인을 위해 연소시간은 30초 증가하여 연소시험을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 20과 같다. 터보펌프 회전수는 약 24000 rpm, 예연소기 연소압력 약 16 MPa, 산화제 과잉 가스 온도는 약 520 K의 시험결과를 보였다. 고주파 분석을 통해서도 이상 진동은 감지되지 않았고 시험 후 TDM0 구성품의 상태도 양호하였다. 이를 통해 TDM0 엔진 연소 시험을 위한 모든 구성품 검증이 완료되었고 이후 진행될 TDM0의 시스템 구성에 무리가 없다고 판단되었다.

Fig. 17  
3-D modeling images (left: TDM0, right: power-pack).

Fig. 18  
TDM0 in test stand.

Fig. 19  
Power-pack combustion test.

Fig. 20  
Power-pack combustion test result.

TDM0의 점화 순서를 결정하고 정상상태에서의 성능평가를 위해 3초 연소시험이 수행되었으며 그 결과는 Fig. 21과 같다. 초기 점화시 터보펌프는 약 32000 rpm까지 상승했다가 29000 rpm으로 감소하며 예연소기 압력에 따라 터보펌프 회전수는 30000 rpm에서 안정화되었다. 예연소기 연소실 압력은 20 MPa 이상 올라갔으며, 주연소기의 연소실 압력은 9 MPa 이상 수준으로 유지되었다. TDM0의 연소 화면은 Fig. 22와 같다. 노즐이 없는 연소기를 통해 밝은 연소화염이 배출되는 것을 확인할 수 있다. TDM0 연소시험은 7톤급 엔진시험과 동일한 절차로 진행되며 후류 냉각수를 통해 배출된 화염은 냉각되어 외부로 배출된다. 연소불안정성이나 이상 주파수는 검출되지 않았으며, 시험 종료 후 TDM0의 구성품 상태는 양호하였다.

Fig. 21  
TDM0 combustion test result.

Fig. 22  
TDM0 combustion test.

점화 및 초기 연소 검증 시험이 완료되었고 Fig. 10에서처럼 10초 이상 연소시험이 수행되어야 예연소기의 연소압력이 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 현재 개발중인 연소기의 내구성을 개선하고 있으며, TDM0의 10초 이상 연소시험이 준비 중이다.