발간 현황

나로우주센터에 75톤급 액체로켓 지상/고공엔진의 연소시험을 수행할 수 있는 엔진 지상/고공 연소시험설비를 구축하였고 해당설비에는 시험 준비 과정에서 런탱크(Runtank)의 연료의 온도를 가열/냉각하여 시험할 수 있는 열교환기를 갖추고 있다[4,6].

연소기 연소시험설비의 연료저장탱크는 연소기, 엔진 시험설비의 각 런탱크로 이송하기 위한 설비가 갖추어져 있다[6]. 연료의 탈수공정은 각 설비의 런탱크에 연료를 충전하기 전에 연소기 연소시험설비의 저장탱크에서 수행한다[5,7].

엔진 지상/고공 연소시험설비에서는 연료/산화제 설비배관과 터보펌프의 입구가 만나는 지점에 40 ㎛ 등급의 필터를 설치하여 이물질 유입을 방지하고 있다[4]. Fig. 1 에 터보펌프 연료 입구배관 필터의 설치현황을 나타내었다.

Fig. 1 
Filter Installation Location (Engine Turbopump Fuel Inlet) [4].

75톤 엔진 연소시험 프로그램 중 탈설계점 시험조건의 연소시험을 수행하기 위하여 열교환기를 이용하여 연료의 온도를 271 K 로 냉각하였다. 1회의 연소시험에서 여러 개의 탈설계점 시험을 수행하기 위하여 터보펌프 입구압력제어를 시험프로그램에 포함하였는데 이는 서보밸브를 조합한 돔 작동 레귤레이터를 이용한 런탱크 압력 제어를 통해 가능하다[8].

Fig. 2에 시험프로그램에 따른 연소시험 결과를 나타내었다. 시험시간 100 초까지는 엔진 입구압력이 시험프로그램에 따라 제어가 잘 되었지만 이후로는 입구압력이 감소하기 시작하는 것을 확인할 수 있다. 120 초부터는 입구압력을 내리는 제어를 수행하였는데 133 초에 터보펌프 연료입구조건 1 barA 이하 조건이 발생하여 시험을 비상종료 하였다[4].

Fig. 2 
Pressure Changes during Engine Combustion Test using 271 K Kerosene [4].

엔진입구압력 감소와 필터차압 증가는 필터가 무엇인가에 막혔기 때문이라고 판단하여 엔진입구 연료배관필터를 탈거하여 필터를 확인하였다. Fig. 3 에 좌굴로 손상된 필터(왼쪽)와 정상필터(오른쪽)를 비교하였다. 손상된 필터는 필터 내부의 구조물이 좌굴되어 필터의 전장이 줄어들었고 구조물과 필터부분이 밖으로 튀어나온 상태를 확인할 수 있었다. 하지만 필터 구조물이 손상되었을 뿐 필터에서 차압을 증가시킬만한 대량의 이물질은 발견할 수 없었다. 또한 해당 필터는 수십 회의 연소시험을 수행하는 동안 Fig. 2 그래프의 20 초에 보이는 엔진 시동 전/후에 나타나는 급격한 압력섭동을 견디었고 이전 시험데이터를 분석한 결과 필터차압이 증가하는 등의 필터 손상 징후가 없었다. 따라서 수격에 의해 필터 손상이 시작되지 않았다고 판단하였고 Fig. 3 의 좌굴 손상은 시험 중에 필터를 무언가가 지속적으로 막아 차압이 증가한 상황에서 수격에 의한 것이라고 판단하였다.

Fig. 3 
Comparison of Damaged Fuel Filter(Left) and Normal Fuel Filter(Right).

위에서 살펴본 정황과 데이터, 해당 시험의 연료온도 271 K 시험조건을 고려하였을 때 필터차압 증가의 원인으로 얼음이 필터에 쌓였을 것이라는 가설을 제시하였다. 이를 뒷받침하기 위한 분석 및 연료 냉각시험을 선행연구에서 수행하였고 충분히 가능성이 있는 원인인 것으로 파악되었다[4].

연료함유 수분에 대한 관리를 하기 위하여 2018, 2019 년에 연료저장탱크로 입고된 연료 탱크로리 샘플의 수분 분석결과를 Fig. 4 에 정리하였고 같은 달에 여러 번 입고된 경우에는 최고값을 그래프에 나타내었다. 연료의 입고는 엔진 연소시험 계획에 따라 이루어지므로 시험이 없거나 사용량이 적었기 때문에 입고가 이루어지지 않은 시기가 있다. 2년 동안의 연료 내 수분 경향을 살펴보면 우리나라의 연중 기후변화에 따라 연료 내 수분이 증가/감소하고 있음을 확인할 수 있다. 연료필터 손상 연소시험이 있었던 2019년 7월의 입고연료의 최대 수분함유량은 81.71 ppm 이었고 시험에 사용된 연료의 입고 시 수분함유량은 75 ppm 이었다[4].

Fig. 4. 
Water Contents Analyses of Inbound Kerosene by Tank Lory.

Fig. 5 의 연소시험 결과는 2018년 12월에 수행한 연료온도 271 K 시험이었고 이때 입고된 연료는 30.15 ppm 이었다. 2018년 12월의 연소시험 결과와 당시 입고된 연료의 수분함유량 분석결과를 바탕으로 연료 수분함유량이 30 ppm 수준이면 연료 내 얼음생성에 의한 문제가 발생하지 않을 것이라고 판단하였다. 이에 연료 내 수분을 제거하기 위한 탈수시험을 2019년 8월에 수행하였고 연료저장탱크로 입고된 96 ppm 의 연료를 16.8 ppm 까지 낮추어 수분을 제거할 수 있었다[5].

Fig. 5. 
Pressure Changes during Combustion Test using 271 K Kerosene at 2018 December.

탈수시험 과정에서 채취한 연료를 273 K 이하로 냉각했을 때 온도에 따른 연료의 육안검사 결과를 Fig. 6에 정리하였다. 탈수 시험을 수행하기 전 87 ppm 의 연료가 273 K 이하 온도일 때는 (1)에 보이는 것처럼 육안으로 확인되는 수 mm 크기의 결정 다수가 연료샘플 내에 생성이 되어 바닥에 가라앉아 있었고 유리병을 흔들면 결정은 부유했다가 다시 가라앉았다. 이 상태에서 온도가 273 K 이상이 되면 결정은 다시 연료에 녹아들어가 육안으로 확인이 불가능했다. 이것으로 미루어보아 273 K 이하의 온도에 연료내부에 생성된 결정은 얼음인 것으로 결론내릴 수가 있다.

Fig. 6 
Comparison of Ice Crystals Inside Kerosene Samples with respect to Dehydration Treatment and Temperature.

탈수공정을 거친 후 채취한 16.8 ppm 의 연료를 같은 방법으로 살펴보았을 때 (3)에 보이는 것처럼 273 K 이하의 온도임에도 불구하고 (1)에서처럼 육안으로 확인되는 수 ㎜ 크기의 얼음결정을 관찰할 수가 없었고 ㎛ 정도의 크기로 짐작되는 소량의 부유물질을 육안으로 확인할 수 있었다. 이 부유물질은 (2)에서처럼 273 K 이상의 온도가 되자 관찰할 수가 없었다.

Fig. 2의 연소시험 시 입고된 연료의 수분함유량은 75 ppm 이었는데[4] 이정도의 수분함유량이 해당 연소시험에서 어느 정도의 물을 걸러냈는지 간단한 계산을 통해 추정해볼 수 있다.

연소시험 시 연료유량 80 kg/s, 필터면적 0.21 ㎡, 물(얼음) 의 밀도는 계산의 편의를 위해 1000 kg/㎥ 으로 계산하였을 때 Fig. 2 시험의 연소시작부터 필터차압이 급격하게 증가하기 시작하는 120초 까지 필터를 통해 걸러졌을 것으로 예상되는 얼음의 양은 0.6 kg 이며 이를 필터면적으로 나누어 계산된 얼음결정의 두께는 약 2.86 mm 이다. 이는 Fig. 6에서 관찰한 수 mm 크기의 얼음결정을 고려하였을 때 납득할만한 수치이다. 따라서 271 K 로 냉각된 연료 내부에 부유하고 있던 수십 ㎛∼수 ㎜ 크기의 얼음결정이 40 ㎛ 등급의 필터에 지속적으로 걸러져 차압을 증가시켰다고 결론내릴 수 있다.

상기에 언급한 수분분석 및 모사시험결과[4]와 탈수시험결과[5]를 바탕으로 터보펌프 연료입구온도 271 K 조건의 75톤 액체로켓엔진 연소시험을 계획하였다. 2019년 8월 96 ppm 으로 연료저장탱크에 입고되어 16.8 ppm 으로 탈수공정을 거친 연료를 엔진 연소시험설비의 런탱크로 이송한 후 측정한 연료의 수분함유량은 25.3 ppm 이었다. Fig. 2 시험결과를 보인 2019년 7월에 수행한 연소시험계획에서 120초에 압력감소 모드를 제외한 모든 조건을 동일하게 시험조건을 설정하였고 그 결과는 Fig. 7 의 압력변화 그래프에 나타내었다.

Fig. 7. 
Combustion Test Result after Dehydration Treatment of 271 K Kerosene @ 25 ppm

Fig. 7 의 그래프에서 필터차압은 시동구간인 20초 부근에서 발생하는 섭동구간과 입구압력을 증가시키는 압력증가 모드 초기를 제외하면 일정한 값을 유지하는 것을 확인할 수가 있다. 이는 30 ppm 이하의 수분함량을 가진 연료를 273 K 이하로 냉각시켰을 때 40 ㎛ 등급의 필터가 적용된 연소시험설비에서 연료에 함유된 얼음입자에 의한 필터차압 증가문제를 발생시키지 않음을 보여주는 결과이다.