발간 현황

연소기 산화제 개폐밸브(MOV, Main Oxidizer shut-off Valve)는 액체추진기관의 연소기에 산화제의 공급을 조절하는 장치이다. 본 시험에서 사용된 연소기 산화제 개폐밸브의 단면과 밸브 개폐 상태에 따른 유체의 흐름을 Fig. 1에서 확인할 수 있다. 밸브 몸체 가운데 스프링으로 둘러싸인 밸브 작동부(Moving part)의 움직임으로 밸브의 개방이 제어된다. 밸브가 닫혀 있는 상태에서는 산화제는 재순환 유로를 통해 흐르며 구동압력이 공급되면 밸브 운동부에 힘이 작용해 밸브가 개방되고, 산화제는 연소기에 공급된다. 개방 후에 산화제의 운용압력은 밸브 운동부를 들어 올리는 방향으로 작용한다. 즉, 구동가스의 공급 없이 산화제의 운용 압력만으로 밸브 개방이 유지된다. 이러한 밸브를 개방 자체 유지 타입(Self-sustainable) 포핏 밸브라고 한다[7,8]. 구동부 압력이 없는 상태에서 산화제의 밸브 입구 압력이 대략 2.15 MPa이하로 감소하게 되면 밸브가 닫히기 시작하며, 이때 밸브가 닫히는데 소요되는 밸브 행정 시간은 약 8 ms이다.

Fig. 1 
Sectional view of the main oxidizer shut-off valve.

Fig. 2에서 시험 설비 사진과 함께 유동의 방향을 나타내었으며, Fig. 3(a)와 (b)에서 각각 측정 센서의 위치와 센서 포트를 확인할 수 있다. 재순환 유로 내부에서 발생하는 압력파의 전파과정을 측정하기 위해 재순환 유로 전단(Re-1), 중간(Re-2), 후단(Re-3)에 압력 센서를 설치하였다. 극저온용 압력 센서는 KULITE사의 CT-375-170BARA와 CT-375-70BARA 모델을 사용하였으며, 해당 센서는 –190℃ 온도 환경에서 약 ±4%의 오차범위를 가진다. 재순환 유로 내부에서의 빠른 압력 전파를 측정하기 위해 NI(National Instruments)사의 cDAQ(Compact Data Acquisition) 모듈을 사용해 측정 주파수를 50 kHz로 선정하였다. 또한 재순환 유로 압력 초기 조건을 확인하기 위해 KELLER사의 PA-23SY 상온용 압력 센서를 Re-1과 Re-2 지점 사이에 설치했다. PA-23SY는 상온 온도에서 약 ±0.25%의 오차범위를 가진다. 온도 센서로는 SENTECH ENG사의 T타입 노출형 열전대 온도 센서를 사용하여 입구, 재순환 유로 전단과 후단에 설치하였다. 온도 센서의 측정 오차는 ±1℃이며, 온도 센서의 낮은 반응 속도를 고려하여 측정 주파수는 50 Hz로 선정하였다.

Fig. 2 
Experiment setup (ⓐ: valve inlet, ⓑ: valve outlet, ⓒ: recirculation line, ⓓ: MOV).

Fig. 3 
(a) Schematics of sensor locations and (b) the P-T module.

우선 밸브 작동 없이 재순환 유로로 액체질소를 공급하여 재순환 유로를 충분히 냉각시킨 이후에 구동압력을 공급하여 밸브를 개방하고 밸브의 재순환 유로를 차단하였다. 이후 산화제 개폐밸브의 구동압력을 해압한 상태에서 액체질소 공급탱크와 이어지는 설비용 밸브를 차단해 산화제 개폐밸브 입구 압력을 감소시켰다. 밸브 입구 압력이 특정 압력 이하로 감소하면 밸브가 닫히면서 액체질소가 재순환 유로를 향해 순간적으로 재공급되도록 하였다. 이때 재순환 유로로 공급된 액체질소는 유로 끝단에 설치된 직경 5 mm인 오리피스를 만나 수격현상에 의한 압력파가 발생하고 이후 유로 내부로 전파 된다.

수격현상에 대한 질소 밀도의 영향을 알아보기 위해서 재순환 유로의 초기 온도 조건을 변화시키고자 하였다. 밸브가 개방되어 있는 동안, 즉 재순환 유로가 차단되어 수격현상 시험이 시작되기 전까지 상온 대기로부터의 열전달로 인해 재순환 유로 내부 온도가 상승하게 된다. 밸브가 닫히는 순간에서의 재순환 내부 온도 조건 선정은 실시간 온도 계측값 확인을 통해 이뤄졌으며, 결과적으로 3가지 초기 온도(T₀) 조건에 대해 시험을 수행하였다. 또한 수격현상은 일반적으로 속도 변화량과 밀접한 관계가 있기 때문에, 재순환 유로로의 액체질소 초기 질량유량을 결정하는 초기 압력 조건 변화에 따른 영향을 알아보고자 하였다. 각 시험의 초기 압력 및 온도 조건을 Table 1에 정리하였으며, 재순환 유로에서의 초기 조건 P₀은 PA-23SY 상온용 압력 센서, T₀는 Re-3 지점의 온도 측정값을 의미한다.

재순환 유로 초기 온도가 –153℃일 때 각 측정 위치에서의 압력과 온도 변화를 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4(a)와 Fig. 4(b)에서 각각 밸브가 닫힌 후 재순환 유로 내부가 정상 상태가 될 때까지 압력과 온도 변화를 확인할 수 있다. Fig. 4(b)에서 볼 수 있듯이 밸브 가까이 위치한 Re-1 지점은 밸브 내부 액체질소로부터의 열전달에 의해 초기 온도가 Re-3 지점과 비교하여 상대적으로 낮게 측정된다. 주요 현상이 발생하는 구간을 Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ로 나누어 Fig. 4(a)에 표시하고 해당 구간에서의 압력 그래프를 Fig. 5에 정리하였다. 주요 구간에서의 특징은 다음과 같다.

Fig. 4 
Experimental results for T₀=–153℃ and P₀=0.287 MPaA (gray:VI, black:Re-0, red:Re-1, blue:Re-2, green:Re-3), (a) Pressure graph, (b) Temperature graph at each positions(gray :VI, red :Re-1, green :Re-3).

Fig. 5 
Experimental results for T₀=–153℃ and P₀=0.287 MPaA (gray :VI, black:Re-0, red:Re-1, blue:Re-2, green:Re-3), (a) Pressure graph atⅠsection, (b) Pressure graph at Ⅱ section, (c) Pressure graph at Ⅲ section).

• Ⅰ: 재순환 유로의 압력이 증가하여 유로 후단(Re-3)이 포화상태가 될 때까지의 구간
• Ⅱ: 이후 배관 내부 오리피스에서 수격현상이 발생하고 액체가 전파되는 구간
• Ⅲ : 부분적 응축으로 인한 충격파가 발생하고 이에 따라 액화된 후 압력파가 전파되는 구간

다음 절에서 각 구간에서의 현상에 대해 설명하도록 한다.

유로 초기 온도가 –187℃일 때 각 위치에서 압력과 온도 그래프를 Fig. 6에 나타내었다. 본 시험 결과의 특징은 Re-3 지점에서 포화상태가 된 후 압력이 감소했고(Fig. 6(c) ①, ②참조). 그 후 최대 5.7 MPa(Fig. 6(d) ④ 참조) 압력이 측정되었다. 이는 같은 지점에서 Fig. 5(b) ⑦에서 발생한 압력보다 더 큰 값이다. 하지만 초기 온도 –153℃일 때 진행한 시험과 비교해서 밸브 입구의 초기 압력이 낮고(Table 1. 참조) Fig. 5(b)와 Fig. 6(d)에서 VI 지점에서의 압력도 0.89 MPa로 더 낮았기 때문에 밸브 입구 압력 이외에 다른 요인이 수격현상에 영향을 준 것으로 보인다.

Fig. 6 
Experimental results for T₀=–187℃ and P₀=0.212 MPaA (gray:VI, black:Re-0, red:Re-1, blue:Re-2, green:Re-3), (a) Pressure graph, (b) Temperature graph at each positions(gray :VI, red :Re-1, green :Re-3) (c) Pressure graph atⅠsection, (d) Pressure graph at Ⅱ section, (e) Pressure graph at Ⅲ section( :VI).

이러한 수격현상의 원인으로 포화증기의 응축에 의한 감압을 예상할 수 있다[6]. Re-3 지점의 포화증기가 급격히 응축해 압력이 감소하면서 Re-2에 위치한 액체가 가속되 오리피스에 부딪히면서 더 큰 압력 변화가 생긴 것으로 판단된다. T₀ = -153℃ 조건에서의 시험에서도 응축이 수격현상에 영향을 줄 수 있지만 Re-3에서 압력의 감소 경향은 확인할 수 없는데 이는 초기 온도 –187℃에서 진행된 시험과 비교해 높은 밸브 입구 압력으로 인하여 유입되는 질소 기체의 영향이 더 크기 때문이라고 예상할 수 있다[9].

Fig. 6(e)에서는 수격현상에 의한 압력파의 영향이 시차를 두고 Re-0에서도 관측되며, 분리되었던 액체가 충돌하면서 생긴 충격파는 Re-0 ⑤ : 7.19236 s와 재순환 유로 ⑥ : 7.19242 s, ⑦ : 7.19266 s, ⑧ : 7.1929 s에서 순서대로 측정된다. 전파 속도는 대략 787.5 m/s가 나오는데 처음 시험보다 빠른 이유는 더 낮은 온도의 액체가 매질로 작용하기 때문이다.

재순환 유로 내부 초기 온도가 –123℃일 때 각 위치에서 압력과 온도 그래프를 Fig. 7에 나타내었다. 이 시험 조건에서 특징은 밸브가 닫힐 때 밸브 입구 압력이 가장 낮고 온도차는 가장 크다는 것이다. Re-3 지점에서 포화상태가 된 후 압력이 감소한다. 그 후 진행되는 수격현상을 Fig. 7(d)에서 확인할 수 있다(④ : 4.93082 s). T₀ = -187℃에서 얻은 시험 결과의 경향과 비슷하지만 최대 압력의 크기는 낮은데 그 이유는 낮은 밸브 입구 압력 때문일 것이다. 다른 시험 조건에서와 같이, Fig. 7(e)에서 발생한 충격파가 재순환 유로에 전파되는 것을 볼 수 있다. 이때 Re_1(⑥ : 4.94048 s)에서 Re_0(⑤ : 4.9405 s)보다 압력 상승이 먼저 관측되는데 이는 수격 발생 지점이 앞선 시험에 비해 Re_1지점과 가깝기 때문이라고 예상할 수 있다.

Fig. 7 
Experimental results for T₀=–123℃ and P₀=0.169 MPaA (gray:VI, black:Re-0, red:Re-1, blue:Re-2, green:Re-3), (a) Pressure graph, (b) Temperature graph at each positions(gray :VI, red :Re-1, green :Re-3) (c) Pressure graph atⅠsection, (d) Pressure graph at Ⅱ section, (e) Pressure graph at Ⅲ section( :VI).