발간 현황

최초의 로켓의 경우 고체 화약에 불을 붙여 발생하는 대량의 가스를 사용하여 추력을 발생시키는 고체 로켓이 주를 이루었다. 고체 로켓은 연료를 주입한 후 장기간 보관이 가능하며, 구조가 단순하기 때문에 무게가 가볍고, 제작비용도 저렴하다는 장점이 있었다. 그러나 한 번 점화가 이루어지면, 연소 속도를 조절하기 어렵기 때문에 추력 조절이 어렵다는 단점이 있었다[1]. 이러한 단점을 극복하기 위하여 1926년 미국의 로버트 고다드는 세계 최초로 액체연료를 사용하는 로켓의 발사를 성공하였다. 액체 연료를 사용할 경우 추진제의 유량을 조절함으로써 추력을 조절할 수 있게 되어 정밀한 조절이 가능하게 된다.

로켓은 구조상 연료와 산화제를 공급하는 공급시스템과 연소실, 그리고 추진제를 연소실로 유입시키는 분사기로 구성되어 있다. 공급시스템에서 유동의 섭동이 발생하게 되면, 이 섭동은 분사기를 지난 후 연소실로 전파되게 된다. 이렇게 전파된 섭동은 연소실 내부의 압력 섭동 및 열방출파 섭동을 유발하게 된다. 이때 발생한 압력 섭동과 열방출파 섭동이 상호작용을 일으켜 서로를 증가시키는 현상이 발생하는데, 이를 연소불안정 현상이라고 한다[2,3]. 이때 발생한 연소불안정 현상은 다시 분사기 전단에 영향을 미치게 되어 유동 섭동을 증폭시키고, 결과적으로 연소불안정 현상이 더욱 증가되는 피드백 현상이 발생하게 된다. 이때, 분사기의 동특성을 파악함으로써 분사기 전단의 유동 섭동이 분사기 후단으로 전파되는 것을 방지한다면, 이러한 피드백 현상을 끊게 되어 연소불안정 현상을 예방할 수 있게 된다[4].

액체 연료를 사용하는 우주 발사체 중 대형 로켓은 그 효율성을 증대시키기 위하여 다단연소사이클을 사용하며, 스페이스 셔틀의 엔진인 SSME, 에네르기아의 RD-170 및 나로호에서도 다단연소사이클을 사용하였다[5]. 다단연소사이클의 경우 연료 또는 산화제 중 일부를 예연소실에서 미리 연소시켜 그 연소가스로 터보펌프를 구동시키고 나머지 추진제를 주연소실로 유입시킴으로써 추진제의 한쪽은 기체, 다른 한쪽은 액체 상태로 연소실로 분사되게 된다. 이러한 방법을 통해 모든 추진제가 주연소실에서 연소에 이용되기 때문에 엔진 전체로서의 비추력이 높으며 고압에서도 연소시킬 수 있다는 장점이 있다[6].

따라서 분사기의 동특성을 파악한 많은 연구들은 액체-기체 분사기의 동특성을 파악하고자 하였다. Bazarov 등의 연구[7]에서는 단일 스월 분사기의 수류 시험을 통해 분사기 압력강하가 분무에 큰 영향을 미친다는 것을 확인하였다. 또한, Ando 등의 연구[8]에서는 솔레노이드 액추에이터를 사용한 연료 분사기의 동특성을 파악하였고, 일정한 자기장을 가하거나 없앨 때 그에 따른 자기화가 순간적으로 일어나지 않고 천천히 진행되는 자기 여효가 분사기 동적 응답에 매우 중요한 역할을 한다는 것을 확인하였다. Som 등의 연구[9]에서는 분사기의 동특성 실험 결과와 CFD 해석결과를 비교하였고, 대부분의 해석결과가 실험결과를 잘 나타내는 것을 확인하였다.

최근에는 연료와 산화제 둘 다 일부를 예연소실로 보내어 1개의 예연소실이 아닌 2개의 예연소실을 통해 각각의 독립된 터보펌프를 구동시키는 풀플로우 다단연소사이클에 대한 연구가 진행되고 있다[10,11]. 이처럼 독립된 터보펌프를 구동시키게 되면, 엔진의 수명이 연장되고, 신뢰성이 향상된다는 장점이 있다. 또한, 주연소실로는 불완전연소 상태의 연료 농후 가스 및 산화제 농후 가스가 유입되므로 주연소실 내부에서 연소반응을 촉진시킨다는 장점이 있다. 이때 주연소실로 유입되는 추진제들은 모두 예연소실을 지났기 때문에 기체 상태로 유입되게 된다[12].

그러나 풀플로우 다단연소사이클의 분사기를 모사할 수 있는 기체-기체 분사기의 동특성은 아직 충분히 파악되지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 기체-기체 동축형 제트-스월 분사기의 동특성을 파악하고, 외부 섭동 유형에 따른 동특성의 변화를 측정하였다.

본 연구에서는 기체-기체 동축형 스월-제트 분사기의 동특성 및 혼합특성에 대한 연구를 진행하였다. 분사기의 동특성을 파악하기 위해서 스피커를 통해 제트 또는 스월 유동에 가진을 가함으로써 분사기 전달함수(Injector Transfer Function, ITF)를 측정하였다.

우선, 분사기로 유동을 공급하는 공급시스템의 길이를 변화시켜감에 따라 ITF를 측정하였다. 제트 또는 스월 유동에 가진을 가할 때, 공급시스템의 길이가 증가함에 따라 ITF의 피크가 발생하는 주파수가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이에 대한 원인을 분석하기 위하여 제트 또는 스월 유동이 흐르는 공간의 공진주파수를 계산하였고, 그 결과 해당 공진주파수에서 ITF의 피크가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 ITF의 피크는 가진이 발생한 유동이 흐르는 내부 형상의 공진주파수에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 제트 유량을 변화시켜감에 따라 ITF를 측정하였다. 제트 유동에 가진을 가할 때, 제트 유량을 변화시키게 되면, 초기에는 ITF의 크기가 감소하다가 약 0.74 g/s 이후부터 ITF의 크기가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 제트 유량이 약 0.74 g/s일 때, 제트와 스월의 축방향 유속이 같아지게 되므로 제트와 스월의 유속차가 클수록 ITF의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 스월 유동에 가진을 준다면, 제트 유량이 증가함에 따라 ITF의 크기가 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, 섭동이 발생한 스월의 유량은 일정함에도 불구하고 섭동이 없는 제트의 유량이 증가함에 따라 출구단에서 단위 유량당 가진에너지가 감소하기 때문에 ITF의 크기가 감소하게 된다.

본 연구에서는 기체-기체 동축형 스월 분사기 전단에서 섭동이 발생하였을 때, 분사기 후단인 연소실 내부에 섭동이 전파되는 경향을 파악하였다. 공급시스템의 공진주파수에서 ITF의 피크가 발생하였으며, 제트와 스월 유동의 혼합 과정에서 발생하는 상호작용으로 인하여 일정한 경향성을 갖는 것을 파악하였다. 따라서 본 연구는 추후 풀플로우 다단연소사이클에 사용되는 기체-기체 분사기의 설계에 있어서 분사기의 특성을 파악하는데 큰 도움이 되며, 이를 통해 연소불안정 현상을 이해하고 해결하는데 큰 역할을 할 것으로 판단된다.