韓国航空宇宙研究員は次世代足死体のための高性能ロケットエンジン要素技術確保の一環で去る 2012年ケロシン/液体酸素多段燃焼サイクルロケットエンジン用酸化剤過剰イェヨンソギ(ガス発生器) 開発モデルに対する認証燃焼試験を完了した事があります.
が装置は主演所期に先立って燃消するからといってイェヨンソギ(preburner)と呼んで, タービンを駆動するガスを作るからといってガス発生器(gas generator)とも呼びます.
多段燃焼サイクルロケットエンジンはこの前一ボイラー業社の広告文具で登場したように ‘二度乗せる’エンジンだと思えば良いです.
多段燃焼サイクルロケットエンジン, 特に私たちが関心を持つ液体酸素/ケロシンエンジンはイェヨンソギ(ガス発生器)で酸素過剰状態で先に推進剤を燃消して, この時発生したガス炉燃料と酸化剤を供給するためのターボポンプを駆動させます. そして, ターボポンプを駆動させた酸化剤過剰ガスが排出されないでまた主演所期で入って行って燃料とともにもう一度燃消する方式です.
酸化剤過剰イェヨンソギ開発過程は苦難の連続でした. イェヨンソギ開発を始める時は言葉とおり何もない手ぶらでした. イェヨンソギという概念だけぼんやり分かっている位だった設計図はもちろん実物をまともに本赤道なかったです. 研究陣は海外博物館に展示されているモデルを撮影した写真, インターネットを流れる写真と絵何枚を土台で, ここにその間国内から蓄積して来た開発経験を加えて設計図を作りました. 設計図を土台でハードウェアを製作して, 実際燃焼試験を通じる性能検証まで終えました.
酸化剤過剰イェヨンソギは燃焼の時燃料(ケロシン)に比べて酸化剤比重がもっと高いイェヨンソギを言います. ケロシン/液体酸素を使う場合, エネルギー生成側面で燃料過剰(燃焼の時酸化剤より燃料比重が高い方式) 方式より酸化剤過剰方式が有利ですよ. ケロシン/液体酸素を燃消させるエンジンを搭載した足死体の場合酸化剤を燃料に比べて質量費基準で約 2.6倍もう積むようになります. 搭載される酸化剤の量が燃料の羊に比べて数等多いから酸化剤過剰ガスを作るのがもっと多い量のガスを作り上げることができます.
特にケロシンエンジンの場合燃料過剰ガスは多量の炭(soot)を発生させるから主演所期で行く流路や主演所期噴射期に沈着される問題があってロシアの多段燃焼サイクルケロシンエンジンは皆酸化剤過剰イェヨンソギを使っています.
アメリカ, 日本など水素エンジンを使う国家では伝統的に燃料過剰イェヨンソギを使いました. 開放型サイクルエンジンからの燃料過剰燃焼技術をそのまま引き続くという側面もあったが酸化剤過剰燃焼は危ないという考えを基本的に持ったからです. しかし最近にはアメリカも新しいメタンエンジンとケロシンエンジン開発において酸化剤過剰燃焼を時度しています.
我が国はケロシン/液体酸素エンジンを主力で開発しているし現在は韓国型発死体のために開発中の開放型サイクルエンジンを試験の中にあります. これとは別に次世代要素技術研究の一環で酸化剤過剰イェヨンソギ開発が成り立ったのですよ. この開発には下のようないろいろ新しい技術の適用と挑戦が試みされました.
第一は 200 気圧の高圧燃焼です.
開発されたガス発生器内部は 1.5リットル PET 病気位の大きさであり, この空間の中に超当たり約 16 kg 程度のケロシンと液体酸素を言葉とおり降り注ぎながら乗せると思えば良いです. 燃焼圧力を高めようとすればこのように狭い空間に多い量の推進剤を降り注いで安定するように燃焼を維持しなければならないとても難しい作業です.
今度開発したイェヨンソギは足死体の一番上団にあたる上端エンジン級で真空推進力 8トン級基準のエンジンを目標で作られました. 多段燃焼サイクル大型エンジンはイェヨンソギの圧力が約 500気圧, 主演所期圧力が約 250 気圧位にすごく高いです. しかし上端エンジンは推進力規模が 10トン級前後だから圧力をあまり高めればエンジンの大きさがすぎるほど小くなります. エンジンを製作する側面で見たら構成品があまり小くなってむしろ損害だと言えます. エンジンを小さくすることだけが能ではないという話です. したがって開発目標にした上端エンジンモデルは主演所期圧力 80 気圧, イェヨンソギ圧力 200 気圧で選定したし, ここに見たイェヨンソギで 200 気圧燃焼試験を進行するようになったのです.
한국항공우주연구원은 차세대 발사체를 위한 고성능 로켓엔진 요소 기술 확보의 일환으로 지난 2012년 케로신/액체산소 다단연소 사이클 로켓엔진용 산화제과잉 예연소기(가스발생기) 개발 모델에 대한 인증 연소시험을 완료한 바 있습니다.
이 장치는 주연소기에 앞서 연소한다고 해서 예연소기(preburner)라고 부르고, 터빈을 구동하는 가스를 만든다고 해서 가스발생기(gas generator)라고도 부릅니다.
다단연소 사이클 로켓 엔진은 예전 한 보일러 업체의 광고 문구로 등장했던 것처럼 ‘두 번 태우는’엔진이라고 생각하시면 됩니다.
다단연소사이클 로켓 엔진, 특히 우리가 관심을 갖는 액체산소/케로신 엔진은 예연소기(가스발생기)에서 산소 과잉 상태로 먼저 추진제를 연소하고, 이때 발생한 가스로 연료와 산화제를 공급하기 위한 터보펌프를 구동시킵니다. 그리고, 터보펌프를 구동시킨 산화제 과잉 가스가 배출되지 않고 다시 주연소기로 들어가 연료와 함께 다시 한 번 연소하는 방식입니다.
산화제 과잉 예연소기 개발 과정은 고난의 연속이었습니다. 예연소기 개발을 시작할 때는 말 그대로 아무것도 없는 빈손이었습니다. 예연소기라는 개념만 어렴풋이 알고 있는 정도였지 설계도는 물론 실물을 제대로 본 적도 없었습니다. 연구진은 해외 박물관에 전시되어 있는 모델을 촬영한 사진, 인터넷을 떠도는 사진과 그림 몇 장을 바탕으로, 여기에 그동안 국내에서 축적해온 개발 경험을 더해 설계도를 만들었습니다. 설계도를 바탕으로 하드웨어를 제작하고, 실제 연소시험을 통한 성능 검증까지 마쳤습니다.
산화제 과잉 예연소기는 연소시 연료(케로신)에 비해 산화제 비중이 더 높은 예연소기를 말합니다. 케로신/액체 산소를 사용하는 경우, 에너지 생성 측면에서 연료과잉(연소시 산화제보다 연료 비중이 높은 방식) 방식보다 산화제과잉 방식이 유리한데요. 케로신/액체 산소를 연소시키는 엔진을 탑재한 발사체의 경우 산화제를 연료에 비해 질량비 기준으로 약 2.6배 더 싣게 됩니다. 탑재되는 산화제의 양이 연료의 양에 비해 월등히 많기 때문에 산화제과잉 가스를 만드는 것이 훨씬 많은 양의 가스를 만들어 낼 수 있습니다.
특히 케로신 엔진의 경우 연료과잉 가스는 다량의 검댕(soot)을 발생시키기 때문에 주연소기로 가는 유로나 주연소기 분사기에 침착되는 문제가 있어 러시아의 다단연소 사이클 케로신 엔진은 모두 산화제과잉 예연소기를 사용하고 있습니다.
미국, 일본 등 수소엔진을 사용하는 국가에서는 전통적으로 연료과잉 예연소기를 사용했습니다. 개방형 사이클 엔진으로부터의 연료과잉 연소 기술을 그대로 이어간다는 측면도 있었지만 산화제과잉 연소는 위험하다는 생각을 기본적으로 가지고 있었기 때문입니다. 하지만 최근에는 미국도 새로운 메탄 엔진과 케로신 엔진 개발에 있어 산화제 과잉연소를 시도하고 있습니다.
우리나라는 케로신/액체산소 엔진을 주력으로 개발하고 있고 현재는 한국형발사체를 위해 개발 중인 개방형 사이클 엔진을 시험 중에 있습니다. 이와는 별도로 차세대 요소 기술 연구의 일환으로 산화제과잉 예연소기 개발이 이루어진 것인데요. 이 개발에는 아래와 같은 여러 가지 새로운 기술의 적용과 도전이 시도됐습니다.
첫째는 200 기압의 고압 연소입니다.
개발된 가스발생기 내부는 1.5리터 PET 병 정도의 크기이며, 이 공간 안에 초당 약 16 kg 정도의 케로신과 액체산소를 말 그대로 쏟아부으면서 태운다고 생각하면 됩니다. 연소 압력을 높이려면 이처럼 좁은 공간에 많은 양의 추진제를 쏟아부어 안정하게 연소를 유지해야만 하는 매우 어려운 작업입니다.
이번에 개발한 예연소기는 발사체의 제일 윗 단에 해당하는 상단 엔진 급으로 진공추력 8톤급 기준의 엔진을 목표로 만들어졌습니다. 다단연소사이클 대형엔진은 예연소기의 압력이 약 500기압, 주연소기 압력이 약 250 기압 정도로 대단히 높습니다. 하지만 상단 엔진은 추력 규모가 10톤급 전후이기 때문에 압력을 너무 높이면 엔진의 크기가 지나치게 작아집니다. 엔진을 제작하는 측면에서 본다면 구성품이 너무 작아져 오히려 손해라 할 수 있습니다. 엔진을 작게 만드는 것만이 능사가 아니라는 말입니다. 따라서 개발 목표로 삼은 상단엔진 모델은 주연소기 압력 80 기압, 예연소기 압력 200 기압으로 선정하였고, 이에 본 예연소기로 200 기압 연소시험을 진행하게 된 것입니다.