발간 현황

일반적으로 케로신 젤은 10 wt% 이하의 점증제를 첨가하며[11-12] 미세입자 첨가로 인한 급격한 점도 증가[13]를 고려하여 점증제와 미세입자의 농도를 결정하였다. 유기성 기반의 케로신 액체에 유기성 점증제 Thixatrol ST를 첨가해 5 wt%로 제작하였다. 금속입자를 첨가하여 고에너지의 젤 추진제를 제작하기 위해 100 nm의 SUS입자를 10 wt% 첨가한 젤 추진제를 제작하였다. Fig. 1의 왼쪽과 오른쪽은 각각 순수한(pure) 케로신 젤 추진제와 미세입자(micro particle)를 첨가한 케로신 젤 추진제이다. 균일한 혼합을 위해 히팅 맨틀을 사용해 70 ℃로 일정하게 가열시키면서 1,200 rpm에서 4시간동안 교반하였다. 교반을 한 후, 상온에 이틀이상 두어 충분한 경화과정을 거친 후에 실험에 사용하였다.

Fig. 1 
Image of pure kerosene-gel and kerosene-gel with SUS particle.

Fig. 2에 순수한 케로신 젤 추진제와 미세입자를 첨가한 케로신 젤 추진제의 전단속도에 따른 점도를 나타내었다. 젤 추진제는 전단속도가 가해짐에 따라 점도가 감소하는 비뉴턴 유체 중 전단 박화 유체의 특성을 가지고 있다. 비뉴턴 유체의 점성변화를 가장 일반적인 Power-law 모델링을 사용해 모사했으며, 기본 수식은 Eq. 1과 같다. τ는 점성계수, γ˙는 전단속도, 상수 K는 초기상태의 점도를 나타내며 상수 n은 유체의 주요 인자인 유동지수를 나타낸다.

Fig. 2 
Viscosity according to shear rate of pure and SUS particle gelled kerosene.

순수한 케로신 젤 추진제의 경우 상수 K와 n이 각각 29.62 Pa•s, 0.087 이고, 미세입자를 첨가한 케로신 젤 추진제의 경우 3.500 Pa•s, -0.35 이다. 고에너지 물질의 첨가로 인해 초기상태의 점도가 높아졌고, 전단속도가 가해짐에 따라 점도가 빠르게 감소하지만 순수한 케로신 젤 추진제보단 여전히 높은 점성을 가진다. 순수한 케로신 젤 추진제는 전단속도가 1,000 s^-1, 미세입자를 첨가한 케로신 젤 추진제는 5.000 s^-1일 때부터 점도가 3.6 mPa•s로 수렴한다. 본 연구의 모든 실험 조건에서 멀티 홀에서 분무된 직후에 케로신 젤 추진제에 30,000 s^-1이상의 큰 전단속도가 가해지므로, 뉴턴 유체로 가정하여 해석할 수 있다.

실험장치의 전체 개략도는 Fig. 3과 같다. 초기상태의 케로신 젤 추진제는 고체 추진제와 유사한 거동을 보이고 왁스와 같이 부서지는 특징이 있다. 케로신 젤 추진제를 일정한 압력으로 공급하기 위해 피스톤을 이용하여 공급시스템을 구축하여 안정적으로 공급하였다. 산화제로는 과산화수소를 모사하기 위해 표면장력과 점도가 유사한 물을 사용하였다. 질소를 이용해 케로신 젤 추진제와 물을 가압하였고, 레귤레이터를 이용해 압력조건을 설정하였다.

Fig. 3 
Schematic of the entire experiment system.

큰 전단력을 가하여 케로신 젤 추진제가 유체 추진제와 유사한 거동을 띠기 위해 멀티 홀 핀틀 인젝터를 사용하였고, 이에 대한 세부 형상은 Fig. 4와 Table 1과 같다. 전단속도를 높이기 위해 멀티 홀의 직경을 0.4 mm로 하였고, 미립화가 잘 이루어지게 하여 분열 성능을 높였다. 젤 추진제는 액체 추진제보다 점도가 높기 때문에, 미립화와 고른 분열이 가장 중요하다. 멀티 홀의 간격에 의해 고르지 않게 분열되고 비대칭적으로 분무되는 현상을 줄이기 위해 각 층에 멀티 홀을 12개 배치하였고, 이를 이중으로 엇갈리게 설계하였다. 핀틀 팁의 끝부분에 편향판을 설계하여 케로신 젤 추진제와 물이 충돌한 후 2차 충돌을 유도하였고, 분열의 성능을 높였다. 편향판이 산화제인 물과 직접적으로 충돌되지 않도록 편향판의 최대 직경(D_d)을 8.35 mm로 설계하였다.

Fig. 4 
Schematic of pintle injector.

핀틀 인젝터의 분무 성능을 파악하기 위한 지표로 주로 사용되는 운동량비와 분무각도와의 상관관계를 이용해 결과를 해석하였다. 무차원수 TMR(Total Momentum Ratio)은 Eq. 2와 같으며, 축 방향의 운동량 대비 반경 방향의 운동량을 뜻한다. 액체 추진제를 Continuous 형태의 핀틀 인젝터에서 분무 했을 때의 분무 각도와 TMR과의 관계는 Eq. 3과 같이 제안되었으며[6], 순수한 케로신 젤 추진제를 멀티 홀 핀틀 인젝터에서 분무했을 때 Eq. 4와 같은 실험식이 도출되었다.[7] 같은 TMR 조건일 때 Eq. 3에 비해 Eq. 4에서 더 높은 분무 각도 결과가 나왔는데, 이는 continuous 형태일 때보다 멀티 홀일 때 분무 속도가 커서 반경 방향의 운동량이 크기 때문이다. 순수한 케로신 젤 추진제일 때와 비교했을 때 미세입자를 첨가한 케로신 젤 추진제의 TMR과 분무 각도의 관계를 분석하였다.

분무가 안정적으로 이루어질 때의 500장의 분무 순간 이미지를 평균화한 후에 회색조 처리를 하여 분무각도를 측정하였다. 분무각도의 정의는 다음과 같으며 이를 Fig. 5에 나타내었다. Otsu의 이원화 이미지 기법을 이용해 평균화한 이미지의 경계를 처리하고, 핀틀 팁과 인접한 부분의 전체각도를 측정하여 이의 절반 값을 분무각도로 사용하였다.

Fig. 5 
Average and binary of the spray image.

반경 방향의 운동량 변화에 따른 분무 형상을 분석하기 위해 축 방향으로 분무되는 물의 공급 압력을 0.7 MPa로 일정하게 유지하였다. 반경 방향으로 분무되는 케로신 젤 추진제의 분무압력을 0.12 MPa부터 0.02 MPa씩 증가시키며 실험을 진행하였고, 각 경우를 Case 1, Case 2, Case 3라 하였다. 케로신 젤 추진제가 멀티 홀에서 분무된 직후를 기준으로 하여 분무 압력과 분무 속도, 유량계수를 계산하였으며, 각 실험 조건은 Table 2와 같다.

LED광원을 이용해 백라이트 가시화 기법을 사용하여 분무를 가시화하였다. 고속카메라를 이용해 초당 10,000 frames, 셔터 스피드 1/70,000 초, 해상도 512*512의 조건으로 촬영했으며, 분무 가시화를 통해 분무의 전체적인 형상과 분열 정도, 분무 각도를 분석하였다.