액체로켓의 연소안정을 위한 유량공급에 관한 실험적 연구

A Study on the Flow Control for Stable Combustion of Liquid Rocket

고압의 불활성 기체를 이용하여 엔진에 추진제를 공급하는 액체로켓의 경우, 추진제 탱크의 압력은 정상연소상태의 연소압을 기준으로 하여 설계한다. 그러나 연소초기의 연소실 압력은 대기압 상태이므로 과도한 유량이 공급되어 이로 인해 hard-start가 발생하며, 최악의 경우 엔진의 파손을 가져온다. 본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고 안정된 연소를 위하여 개선된 추진제 공급시스템을 제안하며, 이는 실제 연소실험을 통해 그 성능을 규명하였다. 이 공급시스템은 연소초기의 급격한 연소실압의 상승을 막기 위하여 추진제를 예연소단계와 주연소단계의 2단계로 공급하며, 연소초기 및 연소 중의 일정한 유량공급을 위해 Cavitating Venturi를 사용하는 시스템이다. 설계 유량보다 적은 양의 추진제를 먼저 공급하여 연소압이 일정수준에 달하도록 예연소압을 형성하게 하는 방법이다. 또한, Cavitating Venturi는 오직 공급압에 의해서만 유량이 결정되며, 출구 압에 영향을 받지 않으므로 연소초기는 물론이고, 연소 중 이상연소에 의해 연소압이 떨어져도 설계치 이상의 유량이 공급되지 않는다.

In the pressurized propellant feed system of liquid rocket, feed pressure is decided chamber pressure of normal combustion state. However, during ignition period the initial chamber pressure is atmosphere. So, it may have overflow, hard-start and even critical damage of engine. This paper proposes an improved propellant feed system for the stable combustion of liquid rocket. Hot test were already performed to verify the presented propellent feed system. The proposed propellant feed system uses two steps - pre and main combustion - to prevent large pressure increase and uses cavitating venturis for stable flow rate in whole combustion. This system feeds the flow rate lesser than the designed flow rate, so combustion pressure reached pre-combustion pressure. Cavitating venturis offer unique flow control capabilities at normal and abnormal combustion state, because flow rate is solely dependent on upstream absolute pressure and fluid properties, but independent on downstream condition.