발간 현황

일반적으로 액체로켓 엔진에서 주로 사용되어온 대표적인 인젝터의 두 유형은 전단동축 인젝터와 동축 스월 인젝터이다. 전단동축 인젝터는 설계가 다른 인젝터에 비해 단순하며, 쉬운 설계 난이도에 비해 꽤 좋은 혼합효율을 기대할 수 있다. 또한 인젝터 플레이트에 인젝터들을 밀집하여 배치하도록 가공하기 편하다는 장점을 가지고 있다. 그러나 전단동축 분사기는 쉬운 설계 난이도에 비해 가공의 허용 오차범위가 상당히 좁아 정밀한 가공이 필요한 단점이 있다[1]. 동축 스월인젝터는 러시아에서 케로신을 사용하는 액체로켓 엔진에 많이 사용되었으며[2], 전단동축 분사기에 비해 높은 특성속도, 즉 연소효율을 기대할 수 있다는 해외의 연구 결과가 있다[3]. 그러나, 동축 스월인젝터는 설계상의 어려움이 단점으로 지적된다[1].

최근, 한국형 발사체를 통한 달 탐사가 주요한 항공우주분야의 이슈로 떠오르면서, 달 착륙 등의 목적으로 추력 조절이 가능한 추진 시스템의 필요성이 대두되고 있다. 핀틀 인젝터는 Lunar Module Descent Engine(LMDE)에 사용된 바 있으며[4], 일반적으로 형상이 고정된 전단 동축 인젝터 또는 동축 스월 인젝터와 달리 핀틀을 이용해 추진제의 공급 면적을 변화시켜 유량을 스로틀링 하여 추력을 제어하게 된다. 핀틀 인젝터는 또한 추력 제어의 용이함 외에, 인젝터 플레이트에 수많은 분사기 모듈들을 설치하여 무게 증가가 필수 불가결[5]한 전단동축 분사기와 다르게, 단 하나의 핀틀 인젝터로 액체 로켓의 유량 요구조건을 만족시킬 수 있기 때문에 엔진무게의 경감을 꾀할 수 있다.

일반적인 핀틀 인젝터는 중앙의 핀틀부에서 산화제가 액막 형태로 분사되며, 환형 오리피스에서 분사되는 연료와 충돌하여 분열하게 된다. 형상이 고정된 다른 인젝터에 비해, 핀틀 인젝터에는 구동부가 존재하여 설계상에 어려움이 있다. 따라서 본 실험에서는 액체 산소 등 초저온 모사추진제를 이용한 핀틀 인젝터 연소실험의 선행 단계로서 액체질소를 이용한 초저온 분무실험을 통해 핀틀 인젝터의 초저온 분무 특성을 연구하고, 이미지 가시화 기법을 분석하여 핀틀 연소 실험에 적용하고자 한다.

액체질소 단독분사의 Shadowgraph 이미지와 그 밀도구배강도 이미지를 Fig. 4에 나타내었다. 핀틀의 개도가 가장 작은 경우(Test 1-1), 액체질소의 속도가 빠르며 이로 인해 액체질소 시트의 각이 질소의 소산 시까지 잘 유지됨이 관측된다. 하지만 개도가 점점 늘어날수록 액체질소의 분사 속도는 느려지며, 챔버의 드레인으로 인한 힘이 작용하여 액체질소 시트가 분무 가운데로 모이는 것을 확인할 수 있다. 이는 기존의 상압 분무 시험[8]과는 다른 결과로, 상압 분무 시험에서는 챔버가 존재하지 않았기 때문에 드레인에 의한 끌림현상이 없었으며, 또한 상압 분무 시험에서 외부의 압력은 항상 1 bar로 일정하기 때문에 공급압력의 변화도 거의 없기 때문이다. 하지만 초저온 분무 실험의 경우 챔버 내에서 진행되었기 때문에, 액체 질소의 기화에 따라 챔버의 압력이 올라가며, 이는 액체 질소 분무에 대한 항력 증가를 유발하였으며, 또한 챔버에서의 드레인으로 하류 방향으로 압력구배가 생겨 상압분무 시험과 다르게 개도가 증가할수록 분무가 가운데로 몰리는 현상을 관측할 수 있었다.

Fig. 4 
Shadowgraph image and D.G.M.I of liquid nitrogen single injection according to increasing pintle tip opening distance.

액체질소/기체질소 분무의 Shadowgraph 이미지와 그 밀도구배강도 이미지는 Fig. 5 에 나타내었다. 핀틀의 개도가 늘어날수록 액체질소의 유량은 늘어나며, 이로 인해 가시화 영역에서 액체질소가 차지하는 영역도 늘어난다. Fig. 5(a) 이미지와 Fig. 5(b) 이미지를 비교해보면 액체질소의 상변화가 굉장히 빠르며, 그 가시화 이미지가 상당히 유사함을 확인할 수 있다. 하지만 밀도구배강도 이미지에서는 확연히 백색의 상변화 영역이 큰 차이가 난다. 그리고 개도가 0.8 mm의 경우인 Fig. 5(c)는 앞서 두 이미지와는 확연히 다른 분무 양상을 보이는데, 액체질소 유량이 증가함에 따라 Shadowgraph 이미지에서 액체질소가 관측되는 영역도 크게 늘어났으며, 밀도구배강도 이미지에서는 백색의 상변화 영역이 줄어들었다. 이는 액체질소 공급량의 급격한 증가가 챔버 압력 상승을 야기시켜, 기체 질소 공급량이 줄어들면서 운동량 플럭스비가 약 1.0 근처로 낮아지고, 이로 인해 액체질소 시트의 분열이 저하된 결과인것으로 보인다.

Fig. 5 
Shadowgraph images and D.G.M.I of liquid/gaseous nitrogen spray according to increasing pintle tip opening distance.

그리고 Fig. 6에서는 Test 2-2와 Test 2-3의 Shadowgraph 이미지와 밀도구배강도 이미지를 나타내었다. Shadowgraph 이미지에서는 액체질소 분무 형태가 유사한 것으로 보인다. 이는 공급압력 증가로 인해 질량유량만 늘어났을 뿐, 운동량 플럭스비는 거의 변하지 않았기 때문이다. 하지만 밀도구배강도 이미지에서는 더 많은 액체질소의 기화로 인한 온도구배로 가시화영역 배경의 불안정이 더 심한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6 
Shadowgraph images and D.G.M.I of liquid/gaseous nitrogen spray according to increasing mass flow rate.

본 연구에서는 초저온 분무 실험장치와 고속 카메라를 이용해 핀틀 분사기의 초저온 분무를 가시화하여 분석하였다.

액체질소 단독분사의 경우, 기존의 상압 분무시험[8]과는 다른 결과로서 드레인이 존재하는 챔버 내에서 실험이 진행되어 개도가 증가할수록 느려지는 액체 분사 속도 및 챔버 드레인으로 인해 아래로 작용하는 압력구배 때문인 것으로 보인다. 이는 실제 액체로켓엔진에서 로켓 노즐을 빠져나가는 유동에 의해 상압 수류시험과는 다른 분무 거동이 나타날 수 있음을 보여준다.

액체/기체 질소 분무 실험의 경우, 운동량 플럭스 비가 늘어날 경우 액체질소의 상변화와 분열이 활발하게 일어나며, 분무의 운동량 플럭스비가 큰 경우 밀도구배강도 이미지의 하류 백색상변화 영역이 크고 선명하게 관측된다. 운동량 플럭스비를 유지시키며 액체질소와 기체질소 공급 유량을 동시에 늘린 결과 Shadowgraph 이미지로 나타난 분열양상은 큰 변화가 없었으나, 밀도구배 이미지 액체질소 유량 증가로 인해 배경의 불안정이 더 선명하게 관측되었다.

따라서 핀틀 인젝터 연소 실험에서 급격한 밀도 변화가 수반되는 연료의 미립화 및 연소반응에 대해서 밀도구배강도 이미지를 사용하여 분석을 수행할 수 있을 것으로 보인다.