연소실험을 통한 ED 노즐 핀틀의 막냉각 성능 분석

초록

뉴스페이스 시대의 도래로 인해, 우주 개발은 더 이상 정부 주도의 영역에만 국한되지 않고, 민간 기 업들의 활발한 참여가 이루어지고 있다. 이에 따라 발사체 산업에도 경쟁력 있는 가격과 효율을 갖춘 발사체 개발이 중요한 과제로 부상하고 있다. 이러한 흐름 속에서 최근 개발되는 우주발사체들은 경제 성과 신뢰성 확보를 위한 기술 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 그중 하나의 방법으로 발사체의 구조 효율을 개선하는 방향이 주목받고 있다. ED(Expansion-Deflection) 노즐은 추력기의 중량을 줄여 발사체 전체의 구조비를 개선함으로써 경제 성을 높일 수 있는 효과적인 방안으로 평가된다. 이에 따라 국내외에서 ED 노즐에 대한 다양한 연구가 수행되어 왔으며, 주로 전산해석이나 공압 실험 등을 통해 ED 노즐의 형상 최적화 및 내부 유동 구조 분석이 이루어졌다. 하지만 이러한 연구는 대부분 비연소 조건 하에서 수행된 것으로, 실제 운용 환경인 고온, 고압의 연소 조건을 반영하기에는 한계가 존재한다. ED 노즐이 실질적으로 발사체에 적용되기 위해서는 연소 환경에서의 성능과 신뢰성을 확보하는 것이 필수적이다. 특히, ED 노즐의 핀틀은 연소기 내부에서 고온, 고압의 연소가스에 직접적으로 노출되기 때 문에 손상이 발생할 가능성이 매우 높으며, 이를 방지하기 위한 효과적인 냉각 기법이 반드시 필요하다. 이에 본 연구에서는 로켓 연소기 환경에서 ED 노즐을 운용하고, 막냉각을 적용한 핀틀의 냉각 성능을 분석하고자 하였다. 전산해석을 통해 각 분사구 형상에 대한 최대 냉각 성능을 보여주는 형상을 선정하 였으며, 이를 기반으로 각 형상에 대한 연소시험을 진행하였다. 고고도 환경을 모사하기 위한 초음속 디 퓨저를 이용하였으며, 동일 막냉각제 공급 조건에서 분사구 형상에 따른 핀틀 냉각 성능을 확인하였다.