발간 현황

다단연소사이클 엔진의 주요구성은 Fig. 1과 같다. 터보펌프는 터빈(turbine), 산화제 펌프(LOX pump), 시동 터빈(start turbine), 연료 펌프(fuel pump)로 구성되어 있다. 헬륨 기체로 시동터빈을 구동하면 산화제 펌프와 연료 펌프가 구동된다. 산화제 펌프는 PBOV(pre-burner oxygen valve)를 통해 액체산소를 예연소기(pre-burner)로 공급한다. 연료펌프는 1단과 2단으로 구성되어 있으며, 1단 연료펌프는 주연소기로 연료를 공급하며 2단 연료펌프는 예연소기로 연료를 공급한다. 연소기 주연료 밸브가 열리기 전에 점화제(TEAB) 앰플 후단에서부터 가압하여 예연소기와 연소기에 공급함으로써 점화한다. 예연소기 연소에서 배출된 고온의 산화제 과잉 가스는 터빈을 통해 팽창되어 연소기 헤드로 공급이 되며 적절한 타이밍에 점화제와 연소기 주연료 밸브가 개방되어 연소기의 점화와 연소가 진행된다.

Fig. 1 
Engine schematics[1].

TDM0A에서 가장 주안점을 둔 부분은 터보펌프의 지지이다. 터빈 입구에는 예연소기가 연결이 되고 200 bar 이상의 고압이 걸리는 부분이기에 터보펌프는 Fig. 2와 같이 후면 타공판에 지지를 한다. 연소기[2]는 상단 지지대에서 지지가 되며 연소기와 터보펌프의 지지는 별도로 되도록 하여 하중이나 추력에 의한 부하를 분산하도록 하였다. 밸브 구동용 밸브와 퍼지용 밸브들은 타공판 후단에 장착을 하였으며, 점화제 앰플은 외부에서 모니터링하기 쉬운 위치에 장착하였다.

Fig. 2 
TDM0A in test stand.

TDM0A는 Fig. 2와 같이 3단 엔진 연소시험설비의 지상스탠드에 장착된다. 산화제와 연료 배관이 연결되며, 밸브 및 터보펌프 구동 및 퍼지 가스 라인이 연결된다. TDM0A 상단에는 각종 센서 계측 케이블과 제어 케이블이 연결된다.

TDM0A의 연소시험에서는 Fig. 3과 같이 정상 연소가 이루어졌다. 터빈의 회전수 신호는 3번의 상승점이 있다. 첫 번째 상승점은 터빈시동기에 의해 증가했다 감소하며, 두 번째는 예연소기 점화시 증가했다가 감소하며, 연소기의 정상연소가 이루어지면서 다시 증가하게 된다. 시동 후 rpm값은 안정적이지만, 시동 시 터빈시동기와 예연소기의 점화에 의한 상승 차이가 보인다. 즉, 30.6초 지점에서 시동터빈에 의해 증가된 rpm이 예연소기 점화로 지속적으로 증가해야 한다. 연소기 점화 시에는 rpm과 압력 모두 초기 상승값을 보인다. 이는 약한 연소기 하드 스타트를 나타내며, 이 결과를 바탕으로 예연소기 점화 시간을 앞당기고, 연소기의 하드 스타트를 방지하기 위해 연소기로 공급되는 연료, 산화제, 점화제의 밸브 개방 시간이 수정되었다.

Fig. 3 
TDM0A combustion test results[1].

TDM0A에 사용된 예연소기 분사기는 단일 분사방식을 사용했으며 이때 초기 연소압력은 240 bar까지 증가했으며, 출구 온도는 약 600 K으로 산화제 과잉 배기가스가 안정적으로 연소기쪽에 공급되었다. 연소기의 압력은 120 bar 이상 증가하였다. 예연소기와 연소기 모두 요구 조건을 상회하는 압력을 보였으며, 시험 후 내부 검사 시에 특이사항은 보이지 않았다.

기술검증시제모델 TDM0A는 다단연소사이클 엔진의 점화 시퀀스와 초기 연소 특성을 보기 위한 모델이며, 이때 사용한 연소기는 장시간 시험에는 적합하지 않았다. TDM0A를 통해 얻은 점화 시퀀스와 초기 연소 특성 자료를 토대로 예연소기와 연소기의 국내 개발 모델 시험을 위한 TDM0B가 제작 및 조립되었다. TDM0B의 주요 구성은 TDM0A와 동일하며 예연소기와 연소기의 분해/조립이 수월하도록 Fig. 4와 같이 점화기와 드레인용 밸브 등 구속 조건이 없는 밸브들은 타공판 후면으로 이동을 시켜 TDM0A에 비해 시험장 스탠드에서의 예연소기와 연소기의 탈부착이 수월하도록 최적화된 형상을 보인다.

Fig. 4 
TDM0B modeling.

예연소기는 TDM0A에서는 단일분사기를 사용했으나, TDM0B에서는 삼중분사기를 사용한 예연소기 성능을 시험하였다. 삼중 분사기는 분사기 내부에서 연소가 발생하도록 설계되었다. 분사기 냉각채널에 공급되는 산화제로 분사기를 냉각하고 분사기 노즐 출구에서 고온 연소가스와 만나 액체 산화제가 기체 산화제로 상변화를 통해 고압 및 고온의 산화제 과잉 가스를 생성한다. 삼중 분사기를 이용한 예연소기는 단일 분사기 예연소기에 비해 분사기의 수량을 크게 줄일 수 있어 제작, 비용 및 무게를 줄일 수 있는 장점이 있다. 하지만 분사기 내부에서 연소가 발생하기 때문에 분사기의 구조적 내구성 문제로 개발에 어려움이 많지만, 향후 고추력 다단연소사이클 엔진 개발을 위해서는 삼중 분사기 개발이 요구되기에 TDM0B부터 이에 대한 시험이 진행되었다

예연소기 분사모델[3]의 내부 지름과 길이에 따라 A, B, C 세 가지 형태의 모델을 제작했으며, 분사기 모델별 치수는 Table 2와 같다. 예연소기 성능 시험을 수행할 경우에는 Fig. 5a처럼 연소기를 탈착하여 벤츄리 튜브를 사용한 파워팩 형태로 시험이 수행되었다. 예연소기 모델의 파워팩 시험의 경우 산화제 과잉 가스가 벤츄리 튜브를 통해 Fig. 5b처럼 고압으로 분사가 된다. 예연소기 모델 A를 사용한 시험결과는 Fig. 6과 같다.

Fig. 5 
(a) TDM0B powerpack in test stand and (b) pre-burner combustion.

Fig. 6 
Powerpack test result with pre-burner model A.

분사기 A가 사용된 예연소기는 30초 파워팩 연소시험을 수행하였다. 예연소기 연소압력은 초기 점화 구간에서 190 bar의 초기 상승값을 보이며 약 10초간의 상승 구간 동안 약 175 bar에서 약 210 bar까지 증가하며, 약 20초 동안 210 bar가 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있다. 터빈 회전수는 시동터빈에 의해 11,000 rpm에서 시작하여 예연소기 점화 시에 25,000 rpm이며, 예연소기 압력 증가 경향성을 따라 약 27,000 rpm 까지 증가하며, 약 20초 동안 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있다.

주연소기는 연소기 헤드부의 분사구 수량과 배열방식에 따라 Fig. 7과 같이 A(분사구 90), B(분사구 60), C(분사구 60), D(분사구 30) 형으로 구분된다. 연소기 모델의 연소시험 시에는 국내 개발 예연소기를 사용하지 않으며, 성능이 검증된 수입된 예연소기를 사용하여 연소시험을 수행하였다. Fig. 8a에서의 벤츄리 튜브를 연소기로 교체하여 약 30초간 연소시험이 수행되었으며, 이때 연소기 하류 연소화염은 Fig. 8b와 같다. 연소기의 연소압력 데이터는 Fig. 9와 같다. 터빈시동기는 40초에 구동되어 터빈을 돌리며, 예연소기 점화에 의한 초기 압력 상승이 보이지만 Fig. 3에서와 같이 연소기 하드스타트에 의한 초기 압력 상승은 보이지 않는다. 약 5초 동안의 연소기 연소압력과 터빈 회전수 상승 전이 구간 후 연소기 챔버 내부압력은 약 90 bar, 터빈의 회전수는 약 28,000 rpm로 안정적으로 유지되는 것을 볼 수 있다.

Fig. 7 
Injector array of combustor: (a) A type, (b) B type, (c) C type, (d) D type.

Fig. 8 
(a) TDM0B with a combustor in test stand and (b) combustor combustion.

Fig. 9 
Combustor combustion test result with model B.

예연소기 모델 A, B, C와 연소기 모델 A, B, C, D에 대한 개별 연소시험은 정상적으로 이루어졌으며, 본 논문에서는 대표적인 결과에 대해 예연소기는 모델 A, 연소기는 모델 B에 대한 결과를 간략히 제시한다.

TDM1A 모델(Fig. 10)은 최근에 우크라이나의 유즈노에(Yuzhnoye)사에서 개발한 RD-8엔진 개량형인 RD-809K와 유사한 형상을 가진다. TDM1A의 터보펌프는 RD-8 엔진의 터보펌프에서 터빈 입구와 주요 인터페이스를 수정하여 개량된 터보펌프를 수입하여 사용하였다. TDM0에서는 사용되지 않았던 산화제 가압용 펌프인 부스터 펌프(booster pump)가 Fig. 10과 같이 추가로 설치되어 산화제 터보펌프의 입구압력을 높이는 성능시험도 동시에 수행되었다. 예연소기 산화제 공급밸브, 연료-점화제 전환밸브, 연소기 혼합비 제어밸브, 예연소기 추력 제어 밸브를 제외한 TDM1A에 사용한 밸브류는 상용품이나 한국형 발사체용로 개발된 밸브들을 사용하였다.

Fig. 10 
TDM1A modeling.

TDM1A는 TDM0와 달리 엔진 지지부에서 연소기와 터보펌프의 하중과 추력을 견뎌야 한다. 엔진 지지부는 상부 판넬에서 4개의 사각 빔으로 연소기 지지부를 고정하도록 구성되어 있고 연소기를 지지하는 부분은 짐볼 시스템이 위치할 수 있는 공간을 고려하여 Fig. 11과 같이 구성하였다. 상용 구조해석 프로그램인 Ansys(ver. 19.0)를 사용하여 Fig. 11과 같이 형상을 단순화하여 구조해석을 하였다. 추력 10 ton으로 했을 경우 최대 변형률 0.12 mm, 추력 20 ton으로 했을 경우 최대 변형률 0.3 mm의 계산 결과값이 나왔다. 초도 제작이기에 구조해석 계산 결과를 토대로 안전계수를 2 배수 이상으로 설계·제작하였다.

Fig. 11 
TDM1A support structure.

터보펌프는 기존에 타공판에 고정되었던 부분을 연소기 헤드 부분과 노즐 부분에 고정하였으며, 엔진 밸브류들도 엔진 지지부와 주 배관들에 고정이 되어 연소 시험 시 진동에 의한 풀림이나 변형이 되지 않도록 설치하였다.

나로우주센터 3단 엔진 연소시험설비에 설치된 TDM1A는 Fig. 12와 같다. TDM1A는 길이 1.3 m, 중량 750-800 kg이며, 기존과 동일한 방식으로 연소시험이 수행되었다. 연소시험은 추진제 수류시험, 점화시험, 짧은 연소 시험의 일련의 시험을 통해 최종적으로 100 초 연소시험까지 수행되었다. TDM1A의 연소기 연소압력과 터빈의 회전수는 Fig. 14와 같다. TDM0B의 Fig. 9와 비교할 경우 예연소기 점화 후 약 5초 동안 압력과 터빈 회전수가 증가하여 목표값 도달 후 안정화를 보인 것과 달리, 35초까지 증가하다 천천히 감소하며 40초에서 다시 압력과 터빈 회전수가 상승하는 것을 볼 수 있다. 이는 엔진의 안정적인 시동 시간 확보 및 벨브 제어성능 확인을 위한 것으로 예연소기 연료 유량제어벨브를 두 단계에 걸쳐서 제어한 결과이다. 45초 이후 안정화 단계에서 연소기 연소압은 약 91 bar, 터빈 회전수는 28000 rpm로 Fig. 9와 유사한 안정적인 연소시험 결과를 보였다. 시험 종료 후 연소기 분사기 검사와 엔진 구성품 점검에서는 특이사항이 없었으며, 연소기 성능과 TDM1A의 시스템 구성의 구조적 안정성에 대해 검증이 완료되었다.

Fig. 12 
TDM1A in test stand.

Fig. 13 
TDM1A combustion test.

Fig. 14 
TDM1A combustion result.