Lab-Scale 메탄 로켓엔진의 추력 제어를 고려한 실험적 연구

초록

메탄은 수소에 비해 저렴한 가격, 케로신에 비해 우수한 비추력으로 최근 큰 주목을 받고 있는 추진제이다. 특히 재생냉각이 가능하다는 점, 심우주 및 외계 행성에서 추진제 확보가 가능한 점과 케로신에 깨끗한 연소 생성물로, 코킹 현상이 덜하여 냉각 채널과 연소기 내부의 관리가 용이하기 때문에 재사용 발사체의 추진제로 각광받고 있다. (1) 재사용 발사체는 발사체의 착륙 과정이 필수적이다. 따라서 재사용 발사체의 엔진은 발사체의 착륙 임무를 수행하기 위한 넓은 범위의 추력 제어가 필요하다. 로켓 엔진 추력 제어의 일반적인 방법은 공급 유량을 조절하여 추력을 제어하는 방식이다. 이러한 방식은 유량과 함께 공급 압력 또한 변경되는데, 이는 고정된 형상을 가진 인젝터에서 분사 및 혼합 특성의 변화 원인이 된다. 인젝터는 추진제 공급 압력과 챔버 압력의 차인 인젝터 차압에 따라 성능이 결정되고. 인젝터 차압은 추진제의 미립화 성능과 분사 속도와 유관하다. 인젝터 차압이 클수록 미립화가 잘 일어나고, 분사 속도가 빨라 추진제 입자 간 충돌 및 혼합이 원활하게 이루어진다. 즉, 인젝터 차압이 크면 연료와 산화제가 잘 혼합되어 연소가 잘 일어나게 된다. 인젝터 차압은 추진제 공급 압력과 비례한 값으로, 추진제 공급압이 커지면 인젝터 차압도 커지고, 추진제 공급압이 작으면 인젝터 차압 또한 작다. 따라서 추력 제어를 위해 공급 유량과 압력을 줄이게 되면, 인젝터 차압이 감소하여 추진제의 미립화와 혼합이 잘 이루어지지 않게 되고, 이에 따라 연소가 불안정해지는 효과가 있다. 이런 현상은 연소기의 진동과 공급 불안정으로 이어질 수 있고, 엔진의 파손이나 파괴의 원인이 된다. (2), (3), (4) 특정 인젝터의 형상에서 연소 불안정성이 생기는 조건이나 그에 따른 영향은 이론적으로 예측하기 어려운 영역으로, 일반적인 경우 실험적으로 특성을 확인한다. 따라서 본 연구에서는 메탄 추진제를 사용하는 모델 로켓 엔진의 연소 실험을 진행하였다. 여러 추진제 공급 조건에서 실험을 수행하여 챔버 압력과 추력의 관계와 기타 현상들을 확인하였다.