발간 현황

본 연구에서 실험한 핀틀 분사기는 연소실압력 10 bara, 진공추력 755 N이다. Table 1과 같이 각 추진제의 유량에 따라 추진제 분사면적에 의해 설계차압과 핀틀 포스트 직경(D_P)이 선정되었다. 차압의 경우 보통 각 추진제를 비슷한 수준으로 설계하나, 분사면적의 크기가 매우 작기 때문에 가공 가능 범위를 고려하여 서로 상이하게 설계되었다. 차례로 D_P에 따라 연소실 직경(D_C) 및 슬릿 개수 12개, 슬릿 각 45°가 결정되었다. 기울어진 슬릿의 기본 형태는 Fig. 1과 같으며 형상 설계 변수를 슬릿 개수(N), 슬릿 각 (θ) 그리고 차단율(이하 BF; blockage factor)의 세 가지로 선정하였다.

Fig. 1 
Canted slit shape.

선정한 세 가지 변수의 영향을 확인하기 위해 Table 2와 같이 기준 분사기를 1번 분사기로 설정하였다. BF에 의한 영향을 알아보기 위해 슬릿 개수와 슬릿 각을 유지한 채 2,3번 분사기와 같이 15%씩 차이를 두어 설계하였다. BF는 식 (1)과 같이 핀틀 포스트 둘레(π ×D_P) 중 슬릿에서 추진제가 분사되는 영역의 총 너비(N × W)가 차지하는 비율이다. 따라서 Fig. 2와 같이 BF=1인 경우 환형제트가 포스트제트와 모두 직접 충돌하게 된다. BF<1인 영역에서는 환형제트가 슬릿 사이를 빠져나가는 영역이 발생한다. TRW에 의하면 사각슬롯의 경우 BF 추천치가 0.3~0.7이나[9], 기울어진 슬릿에 관한 추천치는 언급되어있지 않다. 따라서 BF를 0.7부터, 추진제의 미 충돌 영역이 존재하지 않는 1.0까지 증가시켜 BF에 의한 영향을 관찰하고자 하였다.

Inj.	BF	N	θ	ΔSR	Post shape
1	1	12	45°	0.262
2	0.85	12	45°	0.223
3	0.7	12	45°	0.185
4	1	18	45°	0.174
5	1	12	60°	0.453

Fig. 2 
Jet impinging models by blockage factor.

슬릿 개수의 영향을 확인하기 위해 BF와 슬릿각을 유지한 채, 1번 분사기의 12개에서 50% 증가한 18개의 슬릿을 가지는 4번 분사기를 설계하였다. 또한 슬릿 각은 기존 45°에서 60°로 가파르게 세운 5번 분사기를 설계하였다.

Skip ratio는 skip distance(L_s)와 핀틀 포스트 직경(D_P)의 비(L_s/D_P)로 정의한다. Fig. 3과 같이 환형제트가 핀틀 포스트를 따라 흐르다가 슬릿에서 분사된 포스트제트와 최초로 충돌하기 전까지의 거리를 skip distance(L_s)라고 한다. 사각 슬롯과 다르게 기울어진 슬릿 형태에서는 skip distance가 L_s부터 L_s′까지 변화하게 되어 해당 변수에 대한 정의가 필요하다.

Fig. 3 
Layout of canted slit pintle injector.

기울어진 길이로 인한 끝단의 skip ratio ‘(L_s′/D_P)과 첫 단의 skip ratio의 차이를 ΔSR 로 기울어진 슬릿 형태에 한하여 새롭게 정의하였다.

Skip ratio가 커져 skip distance가 길어질 경우, 마찰에 의해 환형제트가 감속되어 해당 추진제의 운동량이 줄어들게 되며, 반대로 skip distance가 짧아지게 되면 화염면이 헤드면과 가깝게 형성된다. 참고문헌에서 제공하는 skip ratio의 추천치는 1이다[9,10].

본 연구에서는 분사기 헤드면과 핀틀 선단(tip)의 열적 손상을 방지하고, L_s가 D_P와 일치하도록 skip ratio를 1로 선정하였다.

제작된 분사기의 차압에 따른 유량 공급 특성과 분사형태를 파악하기 위해 수류시험을 진행하였다. 질소 가스로 추진제 탱크를 가압하였으며, 안전을 위해 모의 추진제로 물을 사용하였다. 측정된 모의 추진제의 유량을 실제 추진제별 밀도 환산을 통해 실제 추진제가 공급되었을 경우의 유량을 계산하였다.

Table 3에 각 분사기의 분사패턴을 나타내었다. 기본 형태인 1번 분사기는 TMR과 분사각의 관계에 의해, 분사각 90°로 예측하였으나 130°로 측정되었으며, 슬릿 개수가 18개로 늘어난 4번 분사기는 12개인 1번 분사기와 같이 분사각이 130°로 분사 형태에서는 슬릿 개수에 따른 차이를 보이지 않았다. 슬릿 각도가 60°로 가파르게 세워진 5번 분사기는 추진제 충돌에 의한 분사 경계면의 형태가 또렷하지 못하여 분사각을 정의하기 힘든 것을 알 수 있다. 해당 현상의 원인으로 5번 분사기의 skip ratio와 skip ratio‘의 차이(ΔSR )가 커져, skip ratio’ 부근에서 환형제트의 운동량이 감소하여 단위슬릿 내에서 추진제 혼합이 불균일하여 혼합효율이 감소했기 때문으로 판단된다.

Post shape	Spray pattern

Injector 1~3으로 BF가 감소할수록 분사각이 약 130°에서 140°, 160°로 증가하며 3번 분사기에서는 환형제트가 포스트제트와 직접 충돌하지 않고 아래로 흘러내려가는 drizzling 현상이 분명하게 관찰되었다.

이는 단위슬릿의 충돌부분에서 슬릿 개수가 같고, 슬릿의 총 면적이 동일하며 너비가 줄어들었기 때문에 충돌지점의 포스트제트의 운동량이 증가하였기 때문이다.

반면 환형제트는 줄어든 단위슬릿의 너비만큼, drizzling이 발생하여 충돌부분의 운동량이 감소하게 된다. 따라서 TMR이 충돌부분에서 증가하여 분사각이 증가하는 경향을 보인다. 이와 같이 설계 TMR=1에서도 형상 설계 변수에 따라 분사각이 영향을 받은 것을 확인하였다.

수류시험을 통해 획득한 설계유량의 압력을 바탕으로 Fig. 4와 같이 실추진제를 이용하여 연소시험을 수행하고 대표적인 실험데이터를 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5와 같이 모든 연소시험에서 설계점과 거의 일치하게 추진제가 공급되어 일정한 연소압력을 형성하였음을 확인하였다.

Fig. 4 
Combustion test.

Fig. 5 
Combustion test results.

슬릿 형상 설계 변수인 슬릿 개수와 슬릿 각에 의한 영향을 Fig. 6과 7에 나타내었다. 슬릿의 총 면적을 유지하고 슬릿 개수를 12개에서 18개로 50% 증가시켰을 때 모두 특성속도효율이 약 93.7%로 거의 차이가 없음을 확인하였다.

Fig. 6 
Number of slits Vs η_C*.

Fig. 7 
Degree Vs η_C*.

반면에 동일한 조건에서 슬릿 각이 45°에서 60°로 가파르게 세워진 5번 분사기는 Fig. 7과 같이 특성속도효율이 약 90%로 1번 분사기에 비해 약 3.8% 하락하였다. 이는 Table 3의 수류시험 결과, 5번 분사기의 분사패턴이 고르지 못한 것처럼 추진제 혼합효율이 감소하였기 때문으로 판단하였다.

슬릿 개수와 슬릿 각에 의한 각각의 성능 효과 외에도, Fig. 8과 같이 skip ratio는 슬릿의 기울어짐에 의해 각 추진제가 처음으로 만나는 부분과 마지막으로 만나는 부분에서 차이가 발생한다. 따라서 Fig. 9에서는 두 형상 변수에 의해 ΔSR 이라는 새로운 변수에 따른 연소성능 변화를 살펴보았다.

Fig. 8 
Difference of skip ratio by the shape of injectors (1).

Fig. 9 
ΔSR vs. η_C*.

Fig. 9와 같이 ΔSR 이 일정 범위를 넘어서면 특성속도효율이 감소함을 알 수 있다. 이는 환형제트가 핀틀 포스트 벽면의 마찰에 의해 유속이 감소(TMR의 분모 항 감소)하여 아랫부분에서 국부적으로 중심추진제의 힘이 우세(TMR 값의 증가)해져 TMR의 불균형 현상이 발생한 것 때문이라 판단된다[7].

슬릿의 총 면적과 슬릿 개수 및 각도가 동일할 때, BF가 0.7에서 1.0까지 증가할 때의 특성 속도효율을 Fig. 10에 나타내었다. BF가 0.15 증가할 때마다 특성속도효율이 약 2.5%씩 증가하는 경향을 보인다. 슬릿의 총 면적을 유지하고 BF를 조정하자, Fig. 11과 같이 BF가 낮아질수록 drizzling이 발생하는 미 충돌 영역과 슬릿의 두께가 증가하였다. 또한 Fig. 12와 같이 BF에 따라 ΔSR 도 변화하였다.

Fig. 10 
Blockage Factor Vs η_C*.

Fig. 11 
Propellant impinging regions by BF.

Fig. 12 
Difference of skip ratio by the shape of injectors (2).

하지만 연소시험 결과, 특성속도효율의 증가는 BF가 높아짐에 따라 미 충돌 영역이 감소하여, 추진제의 혼합효율이 증가하는 현상이 연소성능에 지배적인 영향을 미치는 것으로 판단하였다. 그러므로 BF에 영향을 받아 변화한 슬릿의 두께는 소형엔진임을 감안하면 0.368~0.55 mm의 두께 변화에서는 연소성능에 미치는 영향이 미미하며, ΔSR 은 Fig. 8, 9 그리고 12를 토대로 2,3번 분사기는 연소성능에 영향을 미치지 않는 영역에 위치함을 알 수 있다.