액체추진제를 사용하는 위성 발사체의 경우 추진제탱크에 저장된 추진제를 추력을 발생하는 연소실에 공급하기 위하여 헬륨 등의 가압제를 사용한다. 본 연구에서는 액체추진제 로켓엔진의 산화제인 극저온의 액체산소를 저장하고 있는 탱크 내부에 설치된 별도의 탱크에 저장된 극저온/고압의 헬륨을 고온으로 열팽창 시켜 추진제 탱크로 재유입하여 추진제를 가압하는 시스템에 사용되는 가압제 열팽창용 열교환기의 개발을 위한 기초 설계를 수행하였다. (중략)
액체로켓추진시스템에서 추진제 가압시스템은 추진제가 저장되어 있는 탱크의 얼리지 공간에 가압제인 가스를 제어된 압력으로 공급하는 것이다. 이러한 추진제 가압시스템의 가장 중요한 설계변수는 가압제를 저장하고 있는 탱크에서 토출되는 가압제의 온도이며, 기체상태인 가압제의 밀도는 토출되는 가압제의 온도에 따라 민감하게 변한다. 일반적으로 고추력을 요구하는 극저온 추진제가 적용되는 추진기관에서는 가압제를 고밀도 고압으로 저장하여 가압제 탱크의 무게를 줄이기 위하여 가압제 저장탱크를 극저온 추진제 탱크 내부에 설치하는 극저온 저장 가압시스템을 사용한다. 본 연구에서는 가압제가 가압제 저장탱크에서 토출 될 때 강하되는 온도 변화를 실험 및 해석을 통하여 고찰하였다. 본 연구에 적용된 유체는 외부유체로 공기와 액체산소 그리고 가압제로 $GN_2$와 GHe를 각각 사용하였다.
한국항공우주연구원은 액체추진기관 시스템을 이용한 3단형과학로켓(이하 KSR-III)을 국내 최초로 개발하여 비행시험을 수행하였다. 액체추진기관 로켓의 비행시험을 위해서는 이전의 고체 추진기관을 이용한 과학로켓 1, 2와는 달리 비행시험 조건에 부합하게 액체추진제 및 가압제 등을 공급하는 지상설비가 필요하다. 이에 한국항공우주연구원은 독자적으로 비행시험에 필요한 제반 설비를 갖춘 발사장을 구축하였다. KSR-III는 압축 헬륨가스(GHe)를 이용하여 연료(Jet A-1)와 산화제(LOx)를 가압하여 추력을 얻는 액체추진기관 시스템이다. 따라서 발사장에서의 지상공급설비는 유공압 설비와 발사시나리오에 따라 해당 부품을 제어하고 자료를 저장하는 제어/계측 설비 및 기타설비들로 구성되어 있다. 지상공급설비 중 유공압 설비는 LOx의 저장 및 기체 내 산화제 탱크의 충전을 위한 산화제 공급설비, Jet A-1의 저장 및 기체 내 연료 탱크의 충전을 위한 연료 공급 설비, 지상설비용 밸브구동 및 기체 내부 퍼지 등에 필요한 질소($N_2$)를 저장/공급하는 설비, 기체내부 밸브 구동 및 가압제로 사용되는 기체헬륨(He)을 저장/공급하는 설비들로 구성되어 있다. 이러한 구축된 공급설비는 기능시험, 연계시험 등의 각종 입증시험을 통해 그 성능을 검증한 후 단인증모델(SQTM)을 이용하여 발사 시나리오에 따른 추진제 공급능력을 입증한 후 KSR-III의 비행시험을 성공적으로 수행하였다. 수행된 연구결과는 향후 건설되어질 우주센터내의 발사장 기반설비 설계의 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.
추진제는 저장 중 발생되는 질소산화물로 인해서 저장수명이 짧아진다. 추진제의 저장수명을 연장할 목적으로 활성탄소섬유로 추진제에서 발생하는 질소산화물을 흡착하였다. 활성탄소섬유에 폐추진제를 첨착시키고 열처리하여 표면을 개질한 결과 비표면적이 약간 감소하였으나 피리딘(pyridine), 피리돈(pyridone) 및 피롤(pyrrol) 등의 질소기능기가 생기는 것을 확인하였다. NO에 대한 흡착시험을 통해서 표면개질한 활성탄소섬유의 흡착능이 개질 이전의 활성탄소섬유에 비해 약 2배 증가하였다. 그리고 추진제에 대한 가속수명시험 결과 표면개질한 활성탄소섬유를 동봉하면 추진제의 저장수명이 약 25% 증가하였다.
추진제 KM10은 니트로셀룰로오스를 주원료로 제조된 단기추진제로서 장기저장 시자연분해현상을 일으키는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 고온가속노화시험과 저장분석시험을 이용하여 추진제의 저장수명을 추정하였다. 고온가속 노화시험을 이용한 저장수명추정은 Arrhenius 식과 Berthelot 식을 사용하였으며, 저장분석시험을 이용한 저장수명 예측은 1차 회귀직선식을 이용하였다. 본 연구 결과에 따르면 고온가속 노화시험의 Arrhenius 식과 Berthelot식을 이용하여 추정한 추진제 KM10의 저장수명은 43.72년, 16.53년으로 큰 차이를 보였으며, 저장분석시험으로 이용한 저장수명은 42.94년으로 나타났다. 이것을 E. R. Bixon의 연구결과와 비교할 때 Arrhenius 식을 이용하여 추정한 값이 타당한 것으로 판단되었다.
최근 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 과산화수소가 친환경 추진제로서 많은 관심을 받고 있다. 추력기용 단일추진제, 이원추진제 로켓의 산화제로 많이 사용되고 있으며, 특히 인공위성 자세제어용 추력기나 미사일과 같은 군사 무기용으로도 사용되게 되었다. 이에 따라 과산화수소를 장시간 보관해둘 필요가 늘어나게 되었고 저장성평가 또한 필요하게 되었다. 이 논문에서는 과산화수소 저장성 평가의 필요성과 저장성 평가를 위한 방법에 관하여 소개 하였다. 현재 진행 중인 기초 저장성평가의 결과를 비교 분석하였다.
추진제 KM10은 NC(Nitrocellulose)를 주원료로 제조된 단기추진제로서 장기저장시 자연분해현상을 일으키는 것으로 알려져 있다. 저장수명추정은 잔류안정제 함량분석을 위해 일반적으로 이용되는 고온가속노화시험을 사용하였으며, 반응속도상수 산출을 위해 Arrhenius 식과 Berthelot 식을 사용하였다. 본 연구 결과에 따르면 Arrhenius 식과 Berthelot 식을 이용하여 추정한 추진제 KM10의 저장수명은 43.72년, 16.53년으로 큰 차이를 보였으며, E. R. Bixon의 연구결과[1]와 비교할 때 Arrhenius Equation을 이용하여 추정한 43.72년이 타당한 것으로 판단된다.
본 본문은 발사체용 액체 추진제에 대하여 과거, 현재 미래의 추세에 대하여 초점을 맞추어 조사하였다. 일반적으로 저장성, 하이퍼골릭 추진제는 군사용으로 사용되고, 케로신 계열과 극저온 추진제가 발사체용으로 사용되는 추세이다. 액체 추진기관은 성숙된 기술로 볼 수 있지만, 우주 탐험에 대한 새로운 관심은 새로운 엔진의 개발과 함께, 좀 더 많은 설계 마진, 그리고 다양한 추력과 수명 요구와 관련하여 사용과 생산에 간편한 방향으로 나아가고 있다.
혼합형 고체 추진제의 온도 및 습도 가속노화 시험을 수행하여, 그 결과를 분석하였다 수명 평가를 위해서 온도 가속 노화 시험을 수행하였고, 산화제인 AP의 흡습성에 의해 추진제가 연화되는 특성을 분석하기 위해 상대습도 10, 30, $50\%$에서 습도 노화 시험을 수행하였다 온도 가속 노화 시험은 시편을 제작하여 시험하였고, 습도 시험은 실제 모터와 유사한 추진제 블록을 만들어 시험하였다. 온도 가속 노화 결과 $60^{\circ}C$에서 4개월 저장 결과가 $20^{\circ}C$에서 10년 저장한 결과로 예측되었다 HTPB 바인더를 사용한 혼합형 고체 추진제는 시간에 따라 경화되는 경향을 나타내었으며, 상대 습도 $50\%$까지는 습기의 영향이 크게 나타나지 않았다.
한국형발사체(KSLV-II) PSD 시스템에 있는 DR 구형 용기의 산화제 가압을 위해서는 극저온 헬륨가스를 사용하고 추진제인 산화제로는 액체 산소를 사용한다. 가압제 용기는 산화제인 액체산소 탱크 내부에 설치되어 있어 가압제가 초저온 상태로 저장되고 산화제는 산화제 탱크에 저장된다. 본 연구에서는 한국형발사체에 적용되는 PSD 산화제 배출밸브에 대한 성능시험을 고찰하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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