발간 현황

충북대학교 1 kN급 메탄엔진 연소시험설비는 연소실 압력 50 bar에서 30초, 25 bar에서 120초 이상의 연소시험을 목표로 한다. 연소실 압력, 배관/연소기 매니폴드/분사기에서의 압력 손실, 정격 유량을 고려하여 용량 100 L, 운용 압력 100 bar의 액체산소 런탱크(LOx run tank)를 제작하였다. 액체산소 런탱크는 156 bar의 수압시험과 액체침투탐상검사를 통해 결함이 없는 것을 확인하였으며, 한국가스안전공사의 심사를 통과하였다.

메인 및 점화기의 연료로 사용되는 기체메탄은 연소실 압력, 레귤레이터/배관/연소기 매니폴드/분사기에서의 압력 손실, 정격 유량을 고려하여 운용 압력 120 bar의 47 L 용기 4개를 설치하였다. 연소시험설비에서 기체질소는 액체산소와 액체질소 가압, 배관/매니폴드 퍼지, 자동밸브 구동, 기밀시험 등에 사용된다. 이를 위해 운영 압력 120 bar의 40.2 L 용기 12개가 연소시험장에 배치되었다.

연소시험설비에서 연소기 냉각제로는 액체질소와 물을 이용한다. 액체질소를 공급하기 위한 액체질소 런탱크(LN₂ run tank)는 한국가스안전공사의 기승인을 받은 용량 80 L, 운용 압력 80 bar의 탱크를 설치하였다. 물을 공급하기 위한 냉각수 런탱크(H₂O run tank)는 용량 136 L, 운용 압력 100 bar의 탱크를 활용하였다.

토치 점화기의 산화제로 사용되는 기체산소는 운영 압력 120 bar의 40.2 L 용기 1개가 사용되었으며, 애프터버너의 연료로 사용되는 LPG는 용량 48 L의 용기 1개를 구비하였다. 마지막으로 물분사 소음저감장치(NSS, noise suppression system)에 필요한 물을 저장, 공급할 수 있도록 2,000 L 용량의 물탱크도 설치하였다. Fig. 3은 액체산소 런탱크와 가스 용기들의 저장소이며, Table 1에 연소시험설비에 설치된 탱크 및 용기들의 용량과 운용 압력을 정리하였다.

Fig. 3 
LOx run tank and gas cylinder reservoir.

추진제 공급은 액체산소의 경우 기체질소를 이용하여 액체산소 런탱크를 가압하여 공급하는 방식이다. 기체메탄, 기체산소, 기체질소는 레귤레이터를 통해 감압되어 공급된다. 각 라인에 수동밸브를 설치하여 수동으로 추진제 충전과 패널까지 기체 공급이 이루어지며, 공압 자동밸브와 솔레노이드밸브를 설치하여 자동으로 추진제 공급 및 배출을 제어할 수 있도록 하였다. Fig. 4는 기체를 수동으로 제어할 수 있는 기체 제어 패널 사진들이다. 연소시험 중 추진제의 이상 가압 현상과 역류를 방지하기 위해 안전밸브와 체크밸브를, 연소시험설비에 유입되는 오염 물질을 방지하고자 필터를 설치하였다. 그리고 연소시험 전/후, 이물질 및 잔류 추진제의 제거를 목적으로 퍼지 라인을 구축하였다. 사용된 레귤레이터, 수동밸브, 자동밸브, 솔레노이드밸브, 안전밸브, 체크밸브, 필터 등의 현황을 Table 2에 정리하였다. Table 2, Table 3에서 Cryo.(cryogenic)과 Non-Cryo.은 각각 극저온용 물품과 상온용 물품을 의미한다.

Fig. 4 
Gas control panel.

공급 안정성을 위해 메인 산화제의 경우 캐비테이션 벤츄리를 제작하여 종단밸브 후단에 사용하였으며, 메인 연료는 갑작스러운 압력강하를 방지하고자 3 L 용량의 리저버(reserver)를 종단밸브 전단에 설치하였다. 점화기 추진제의 유량 제어를 위해 점화기 산화제/연료 라인에 오리피스를 배치하였다.

연소시험설비 제어계측시스템의 하드웨어는 NI PXI-1042Q, 8108, 6229(250 kS/s), 6052E(333 kS/s), 4472(102.4 kS/s) 등으로 구성되며, LabVIEW 프로그램을 통해 제어 및 계측을 수행한다. 최대 184 채널의 데이터를 100 Hz와 10,000 Hz로 300초 동안 수집 및 분석이 가능하며, 연소시험 중 비상상황 발생 시 비상정지 신호를 출력하여 연소시험을 자동으로 종료할 수 있다. 현재 연소시험설비 전체에서 자동밸브 20개, 솔레노이드밸브 2개, 점화장치 2개, 펌프 1개, 압력센서 31개, 온도센서 25개, 동압센서 3개, 유량계 6개, 레벨센서 3개를 동시에 제어 및 계측하고 있다. Fig. 5는 연소시험설비의 전기 제어 패널과 그 내부 제어계측시스템의 사진을 나타낸다.

Fig. 5 
Electric control panel.

연소시험설비의 압력, 온도를 측정하기 위해 각 추진제 라인에는 다수의 압력센서와 RTD 온도센서가 사용되었다. 또한 압력게이지를 설치하여 현장에서도 확인할 수 있도록 하였다. 정확한 유량 측정을 위해 각 메인 추진제 라인에 벤츄리 유량계와 오리피스 유량계를 직렬로 설치하였다. 액체질소와 냉각수 라인에는 터빈 유량계가 사용되었다. 또한 실시간으로 액체산소, 액체질소, 냉각수의 양을 파악하기 위해 각 런탱크에 레벨센서를 설치하였다.

연소기에는 K-type 열전대와 압력센서를 설치하여 추진제 공급 온도 및 압력, 냉각제의 입구 및 출구에서의 온도 및 압력, 그리고 점화기와 연소실의 압력을 측정하였다. 또한 연소기 매니폴드에 동압센서를 배치하여 추진제의 압력섭동을 측정하였다. 제어계측 시스템에 사용된 압력센서, 압력게이지, 온도센서, 동압센서, 유량계, 레벨센서의 제조사와 모델명을 Table 3에 정리하였다.

Fig. 6은 연소시험설비를 제어하는 제어실의 모습이다. 좌측 하단 모니터는 메인 모니터로 연소시험설비 모니터링, 시험 시퀀스 관리, 수동 조작, 계측 장비 설정, 그리고 데이터 조회 등이 가능하다. 하단 중앙 모니터는 데이터 측정 및 표시, 데이터 저장 및 조회 등이 가능하다. 가장 상단 모니터는 프로젝션 화면으로 실시간 시험 데이터 확인, 알림 모니터링, P&ID 모니터링 등을 수행한다. 마지막으로 우측 하단 모니터는 설치된 4대의 CCTV를 통해 연소시험설비와 주위 환경을 실시간으로 관측 및 녹화한다.

Fig. 6 
Photograph of the control room.

로켓엔진 연소시험을 수행하는데 있어 안전은 최우선 순위로 고려되어야 한다. 실시간으로 연소시험설비 내부와 외부 상황을 확인하기 위해 연소시험장 내부와 외부에 CCTV를 각각 2대씩 설치하였으며, 이를 녹화하기 위한 녹화기를 배치하였다. 또한 연소시험 시작 전/후 상황을 주변에 알리기 위해 방송용 스피커 4대와 앰프 1대를 사용하였다.

연소시험장 내부에서 발생할 수 있는 산소와 메탄의 누출을 감지하기 위해 각각의 가스누설 경보기를 설치하였다. 또한 연소시험 시 발생하는 소음을 줄이기 위해 물분사 소음저감장치를 제작하였다. 2,000 L 용량의 물탱크에 저장된 물을 펌프를 이용하여 소음저감장치에 부착된 노즐을 통해 140 LPM의 유량으로 분사시켜 배기가스의 속도를 낮추어 소음을 감소시킨다. 이는 소음저감장치에서 나오는 물이 시험장 주변에 분사되어 화재의 위험을 낮추는 효과도 있다. Fig. 7은 물분사 소음저감장치의 운용 모습이다.

Fig. 7 
Operation of the noise suppression system.

연소시험설비 배관의 결함 여부를 확인하기 위해 시험체의 파괴나 손상 없이 약품 및 기기를 사용하여 시험체의 결함 여부를 확인하는 비파괴 검사가 수행되었다. 액체침투탐상검사는 시험면에 침투액을 도포시켜 침투액이 시험면에 스며들게 한 후, 과잉 침투액을 제거하고 현상액을 적용하여 결함 속에 있는 침투액을 모세관 현상에 의해 흡출시켜 결함의 유무를 평가하는 방법이다. 모든 연소시험설비 배관에서 합격을 받아 결함이 없는 것이 확인되었다.

압력변화시험법은 시험체 내부를 가압하여 일정시간 경과 후, 압력변화에 따라 가스의 양이 줄어드는 누설량을 측정하는 방법이다. 시험규격에 맞춰 운용 압력의 1.25배로 가압하였으며, 15분 이상 유지 후 압력변화 및 누설이 없는 것을 확인하였다.

안전을 위해 메인 산화제 라인의 1차 수류시험은 액체산소 대신 액체질소를 이용하여 수행되었다. 초기 수류시험 시 20초 이상 공급을 했음에도 불구하고 분사기 출구에서 액체가 아닌 기체와 액체 상태가 혼합된 상태로 배출되었다. 이는 종단밸브 후단의 배관 냉각이 제대로 이루어지지 않았기 때문으로 판단되었다. 이러한 문제를 해결하고자 Fig. 8에서와 드레인밸브 후단의 라인으로 종단밸브부터 연소기 매니폴드까지의 메인 산화제 배관을 감싸 종단밸브 열림 전에 미리 배관을 간접 냉각시키는 방법을 이용하였다. 이후 수행된 수류시험에서는 액체질소가 액체 상태로 원활히 공급되었다.

Fig. 8 
Additional cooling work for the oxidizer supply line: (a) before and (b) after.

2차 메인 산화제 라인의 수류시험은 액체산소를 이용하여 액체산소 런탱크 공급 압력 30, 35, 40 bar에서 각각 2회씩 수행되었다. Fig. 9는 공급 압력 35 bar의 수류시험에서 시간에 따른 압력, 유량 결과이며, Fig. 10은 모든 수류시험의 정리된 그래프이다. Fig. 9에서 0∼5초 구간에 산화제 유량과 메니폴드 압력이 감소하는 이유는 시험 시작 전에 사전 냉각이 수행되기 때문이다. 8초에 액체산소 종단밸브가 열리고 산화제 유량과 매니폴드 압력이 상승하는 것을 확인할 수 있다. Fig. 10에서 동일한 공급 압력에서 동일한 산화제 유량이 공급된 것을 확인할 수 있다.

Fig. 9 
Pressures and mass flow rate of the oxidizer cold-flow test with time.

Fig. 10 
Summary of all the oxidizer cold-flow tests.

메인 연료 라인의 수류시험은 안전을 위해 기체질소를 이용하였으며, 공급 압력 10, 20, 30 bar 조건에서 수행되었다. 공급 압력 30 bar의 수류시험 결과를 Fig. 11에, 모든 시험의 정리된 데이터를 Fig. 12에 나타내었다. Fig. 11에서 연료 종단밸브가 8.5초에 열린 후 연료 유량과 매니폴드 압력이 빠르게 상승하는 것을 알 수 있다. 또한 Fig. 12에서 동일한 공급 압력에서 동일한 유량이 공급되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 11 
Pressures and mass flow rate of the fuel cold-flow test with time.

Fig. 12 
Summary of all the fuel cold-flow tests.

토치 점화기의 점화는 기체산소와 기체메탄을 추진제로 스파크 플러그를 이용하여 수행된다. 유량 조절을 위해 점화기 산화제 종단밸브 후단에는 0.9 mm 오리피스가, 연료 종단밸브 후단에는 0.6 mm 오리피스가 설치되었다. 토치 점화기의 점화시험은 산화제와 연료 공급 압력을 변화시키며 수행되었으며, 모두 성공적으로 이루어졌다. Fig. 13은 토치 점화기의 점화시험을 연소기 노즐부를 떼고 바라본 모습이며, 점화시험 시 시간에 따른 압력 결과를 Fig. 14에 나타내었다. 이때, 산화제 공급 압력 8.04 bar, 연료 공급 압력 8.73 bar에서 토치 압력은 2.24 bar를 기록하였다. 점화 시작 전/종료 후에서 6 bar 정도의 압력이 나타나는 이유는 기체질소를 이용하여 퍼지를 하기 때문이다.

Fig. 13 
Photograph of the ignition test.

Fig. 14 
Pressures of the torch ignition test with time.

Fig. 15는 모든 토치 점화기 점화시험의 결과로, 다양한 압력 범위에서 총 11회 수행되었다. 시험 데이터와 토치 점화기의 화염을 관찰하여 연소시험을 위한 점화기의 기체산소 공급 압력을 9.0 bar, 기체메탄 공급 압력을 9.2 bar로 선정하였다. 토치 압력의 최솟값과 최댓값을 통해 토치 점화 시 비상정지조건을 1.4 bar 이하와 10.0 bar 이상으로 설정하였다.

Fig. 15 
Summary of all the torch ignition tests.

추가적으로 애프터버너의 점화시험도 수행하였다. 애프터버너는 LPG와 대기 중의 공기를 추진제로 스파크 플러그를 통해 점화가 이루어진다. 모든 점화는 성공적으로 이루어졌다.