발간 현황

액체로켓엔진은 고체로켓엔진과 비교하여 일반적으로 비추력이 높으며 추력제어가 가능하여 발사체의 효율적인 임무 목표 달성을 가능하게 한다. 최근 필요성이 더해가고 있는 재사용 발사체나 달/화성 탐사선의 착륙을 위해서는 소프트 랜딩이 필수적이며 이를 위해서는 액체로켓엔진의 추력제어가 핵심 기술이 된다[1-3].

로켓엔진의 단순화된 추력 방정식은 Eq. 1과 같다. 로켓엔진의 추력은 질량 유량, 배기가스 속도, 주위 압력, 노즐 출구 압력 그리고 노즐 출구 면적의 함수가 된다. 따라서 추력제어는 공급되는 질량 유량을 조절하거나 노즐목 혹은 노즐 출구의 면적을 변화시키는 방식으로 구현될 수 있다. 노즐 출구 면적의 변화만으로는 추력제어의 범위가 한정되며 높은 열유속이 발생하는 노즐목의 구조적 변동은 매우 어렵기 때문에, 액체로켓엔진에서의 추력제어는 추진제 질량 유량을 조절하는 방법을 사용하게 된다[1,4].

추진제의 유량조절은 가압 시스템(추진제 탱크 압력, 펌프 등)과 유량제어 밸브(flow control valve, FCV)를 통해 이루어진다. 유량제어 밸브로는 글로브 타입, 버터플라이 타입, 캐비테이션 벤츄리 타입 등이 사용되며, 밸브의 유로 면적을 변화시켜 유량을 조절하게 된다[5-8].

본 연구팀은 유량제어 밸브를 이용하여 단일분사기급 연소기의 추력제어 연구를 수행하였다. 이를 위해 기존 충북대학교 메탄엔진 연소시험설비에 유량제어 밸브를 추가로 설치하였다. 본 논문에서는 메탄엔진 단일분사기급 연소기의 추력제어를 위해 수행된 드라이런 테스트, 모사 추진제 수류시험, 그리고 고정 추력제어/연속 추력제어 연소시험 결과를 기술하였다.

드라이런 테스트와 수류시험을 진행하여 밸브의 작동성과 추진제의 안정적인 공급을 확인한 후에 연소시험이 수행되었다. 충북대학교 연소시험설비에 설치된 유공압 및 제어계측 시스템에 관해서는 Kang 등[11]의 논문에 상세히 서술되어 있다. 연속 추력제어 연소시험 전 정격 추력의 50%부터 10%까지 고정 추력제어 연소시험이 먼저 진행되었으며 이후 연속 추력제어 연소시험도 동일한 추력 범위에서 수행되었다. 고정추력 연소시험과 연속 추력제어 연소시험 조건은 Table 4에 정리하였다. Table 4에서 FTN(fixed thrust hot-firing test number)은 고정 추력제어 연소시험을, CTN(continuous thrust control hot-firing test number)은 연속 추력제어 연소시험을 의미한다. 모든 연소시험에서 액체산소 런탱크 가압 압력은 35 bar였으며, 기체메탄도 레귤레이터를 통해 35 bar로 감압되어 공급되었다. 연소시험에서 유량제어 밸브의 설정 스트로크 값을 Table 4에 기술하였다.

Table 4에 고정 추력제어 연소시험과 연속 추력제어 연소시험에서의 연소실 압력과 혼합비를 나타내었다. 연소실 압력 18.34∼5.96 bar, 혼합비 2.82∼5.07 범위에서 고정 추력제어 20초 연소시험이 7회 진행되었으며, 연소실 압력 18.04∼5.31 bar, 혼합비 3.18∼4.39 범위에서 연속 추력제어 100초 연소시험이 1회 수행되었다. Fig. 8은 연속 추력제어 연소시험의 사진들이다. 연소실 압력이 낮아지며 노즐부 출구에서 배기 플룸의 길이가 짧아지는 것이 확인된다.

Fig. 8 
Snapshot of the throttling hot-firing test.

연속 추력제어 연소시험 시 연소실 압력, 추진제 질량 유량, 그리고 FCV의 스트로크 값을 Fig. 9에 도시하였다. 4∼6초 구간의 압력은 주 추진제의 점화를 위해 사용되는 토치 점화기의 연소 압력이다. 약 7초에 추진제가 공급되면서 토치 점화기에 의해 주 추진제의 점화가 이루어지며 연소실 압력이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 점선은 FCV의 스트로크가 변경되는 시점으로 FCV의 스트로크 변화에 따라 추진제 질량 유량이 감소하고 연소실 압력도 낮아지는 것이 확인된다. 연소시험 데이터는 노이즈를 최소화하기 위해 FCV의 설정 스트로크가 변하는 시점의 1.1초 전 0.2초 구간을 평균하였다.

Fig. 9 
Combustion pressure, mass flow rate, and FCV stroke during the throttling hot-firing test.

수류시험, 고정 추력제어 연소시험, 연속 추력제어 연소시험에서 유량제어 밸브의 Cv 값을 Fig. 10에 나타내었다. Fig. 10(a)와 10(b)는 각각 FCV_O와 FCV_F의 Cv 값이다. 제조사에서 제공한 Cv 값(Vendor)과 수류시험 및 연소시험에서의 Cv 값을 비교하면 조금의 차이는 있지만 전체적인 경향성은 일치하였다. 추후 추력제어 연소시험을 수행하여 얻을 데이터를 통해 보정하면 더욱 정확한 유량조절이 가능할 것으로 예상된다.

Fig. 10 
Cv of the flow control valve: (a) FCV_O and (b) FCV_F.

연소 성능을 확인하기 위해 연소특성속도와 특성속도 효율을 구하였다. Eq. 5와 Eq. 6을 통해 실제 특성속도와 특성속도 효율을 계산하였으며, 이때 이론 특성속도는 연소시험에서 측정된 연소실 압력과 혼합비를 상용프로그램인 RPA(Rocket Propulsion Analysis) 프로그램에 입력하여 구하였다[12,13].

계산된 고정 추력제어 연소시험과 연속 추력제어 연소시험의 실제 및 이론 특성속도와 특성속도 효율을 Fig. 11(a)와 11(b)에 도시하였다. 이론 특성속도는 낮은 추력(낮은 연소실 압력)으로 갈수록 당연히 감소해야 하지만 연소시험에서 혼합비가 일정하지 않았기 때문에 조금씩 다른 차이를 나타내었다. 실제 특성속도가 낮은 추력에서 높아지는 이유는 액체산소의 공급 유량이 감소하며 액체산소가 기체상태로 분사되어 연소되었기 때문으로 판단된다. 이에 따라 연소특성속도 효율이 낮은 추력 범위에서 높아진 것을 확인할 수 있다. 하지만 고정 추력제어 연소시험과 연속 추력제어 연소시험에서 특성속도 효율은 유사한 경향성을 나타내었다. Fig. 11(b)에서 점선은 평균 특성속도 효율을 나타내며, 고정 추력제어 연소시험의 평균 특성속도 효율은 88.01%, 연속 추력제어 연소시험의 평균 효율은 89.46%이었다.

Fig. 11 
Characteristic velocity and heat flux of the uni-element thrust chamber for all hot-firing tests.

재생냉각 연소실의 열전달을 나타내는 열유속은 Eq. 7을 통해 계산될 수 있다. 여기서 A_i는 실린더부와 노즐부의 내부 면적을 의미한다. 정압비열(C_p)은 실린더부와 노즐부 각각에서 온도와 압력의 평균값을 사용하여 구하였으며, ∆T_c는 냉각채널 입구와 출구에서의 온도차이다. 내부 면적은 실린더부와 노즐부 각각의 전체 면적이며, 온도와 압력도 실린더부와 노즐부 각각의 입구와 출구에서 측정하였기 때문에 실린더부와와 노즐부에서의 열유속은 각 부분의 전체 평균을 의미한다.

실린더부와 노즐부의 평균 열유속 결과를 Fig. 11(c)에 나타내었다. 한두 개의 데이터를 제외하면 고정 추력제어 연소시험과 연속 추력제어 연소시험에서의 열유속은 매우 일치하였으며, 연소실 압력에 비례하여 커지는 것을 알 수 있다. 노즐부의 평균 열유속이 실린더부보다 두 배가량 높은 것은 노즐부에 존재하는 연소실 축소부와 노즐목에 열하중이 가장 집중되기 때문이다[14-17].

추진제의 유량조절을 통한 추력제어 연구를 위해 충북대학교 1 kN급 메탄엔진 연소시험설비에 유량제어 밸브가 설치되었다. 연소시험에 앞서 드라이런 테스트와 수류시험이 수행되어 밸브의 작동성을 확인하고 추진제가 안정적으로 공급되는지 확인하였다. 정격 추력 100%에서 연속 추력제어 연소시험을 수행하기 전, 안전을 위해 정격 추력의 50%∼10%(∆10%) 범위에서 고정 추력제어 연소시험과 연속 추력제어 연소시험을 진행하였으며, 연속 추력제어 연소시험이 안정적으로 이루어짐을 확인하였다. 고정 추력제어 연소시험과 연속 추력제어 연소시험의 결과를 비교하였을 때, 특성속도 효율과 열유속 결과가 유사하였으며 이에 연속 추력제어 연소시험이 가능하다고 판단되었다.

본 논문의 연구를 바탕으로 현재 리세스 길이와 테이퍼 각도가 서로 다르며, 산화제 분사 방식이 전단 및 와류인 12개의 분사기에 대한 연속 추력제어 연소시험을 정격 추력 100%∼10%, 혼합비 2.72∼4.08 범위에서 수행하고 있다. 이러한 시험 결과는 후속 논문으로 제출될 예정이다.