KR100933258B1 - 액체연료 로켓엔진용 연료공급계의 세척방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체 추진제를 연료(산화제)로 사용하는 로켓엔진에서 산화제 저장용기를 포함하는 연료공급계를 세척하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척방법은, 상기 저장용기에 산화제를 충전하는 제1단계; 상기 저장용기 내부에 고압의 가스를 공급하여 상기 저장용기 내부에 와류를 형성하면서 상기 저장용기 내부를 세척하는 함과 동시에 상기 저장용기 내의 산화제를 배출하는 제2단계; 및 필터를 사용하여 상기 저장용기로부터 배출되는 산화제 내의 이물질을 채취하는 제3단계;를 포함하며, 상기 제1단계 내지 상기 제3단계를 N회 반복 시행하고, 상기 N은 경험계수를 K, 상기 로켓엔진의 작동을 위해 허용 가능한 이물질의 농도를 C[mg/m³], 채취된 상기 이물질의 농도를 C_t[mg/m³] 라 할 때,

인 것을 특징으로 한다.

Description

액체연료 로켓엔진용 연료공급계의 세척방법 및 장치{Washing Method and Apparatus of Fuel supply system for Liquid Fuel Rocket Engine}

본 발명은 액체 추진제를 연료(산화제)로 사용하는 로켓엔진에서 산화제 저장용기를 포함하는 연료공급계를 세척하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

액체연료 로켓엔진은 고체연료 로켓엔진과는 달리, 별도의 공급계를 가지고 있고, 로켓엔진의 연소실에서 추진제를 연소시킴으로써 만들어진 연소 가스를 분출하여 추력(thrust)을 얻는다. 여기서, 로켓엔진의 추력은 연소실의 연소 압력에 비례하고, 원만한 추력특성을 얻고 안전한 시험 및 비행을 하기 위해서는 엔진 설계요구조건에 적합한 청정 상태의 연료가 공급되어야 한다.

로켓엔진은 고추력을 발생시키는 기구로서, 고압력(high pressure)을 바탕으로 이루어지는 기술이다. 따라서 무엇보다도 엔진 및 부대설비의 기밀(누설 방지)을 유지하는 것이 중요하다. 일반적으로 국부적인 화재나 미세한 점화원이 존재할 경우 연료 등이 누출된다면 화재나 폭발 등 인명을 해할 수 있는 대형 사고로 이어질 수 있기에 사전에 이러한 가능성을 배제하는 것이 무엇보다도 중요하다. 아울러 저장용기 및 공급배관 내에 잔존하는 이물질이 연료와 반응하여 화재 및 국부적 인 폭발을 일으킬 수 있으므로, 저장용기를 포함한 공급계를 사전에 세척하여 줌으로써, 더 높은 안정성과 신뢰성을 확보할 수 있다.

일반적으로 산화제(연료) 용기 및 산화제 공급계 배관 내에 이물질이 존재하는 이유는 다음과 같다.

- 저장용기 및 공급배관의 제작시 발생할 수 있는 버(burr) 등의 이물질

- 저장용기 및 공급배관 제작 후 내부 세척시에 사용된 섬유성분의 세척타올 잔존물

- 저장용기 및 공급배관 이송시 침투한 흙 등의 이물질

- 저장용기와 기타 공급계 배관 및 자재를 조립할 때 발생하는 배관 및 자재의 표면손상으로 인한 이물질 침투

- 엔진조립체 이송과정에서 발생하는 진동으로 인한 저장용기 및 공급계 배관의 내부 박리 현상에 의한 오염

- 연료 공급 및 연료 공급에 따른 냉각현상에 의한 이물질의 응축 및 결로 현상에 따른 이물질 발생

- 발사 전 지상시험시 발생하는 기계적 충격에 의한 저장용기 및 공급계 배관의 내부 소재 박리

- 발사 전 지상시험시 발생하는 온도차에 의한 저장용기 및 공급계 배관의 수축/팽창에 따른 소재 박리

- 발사 전 지상시험시 발생하는 저장용기 및 공급계 배관의 내부 압력상승 및 진동 등에 의한 저장용기 및 공급계 배관의 내부 소재 박리

- 저장용기 내 산화제 충진 후 대기에 있을 때 바람 등에 의한 내부수준변화에 의한 저장용기 내부 소재의 박리

로켓엔진의 개발은 무엇보다 안전성과 신뢰성을 바탕으로 이루어지는 개발 작업이다. 따라서 개발과정 및 운용과정에서 로켓엔진에 공급되는 연료(산화제)의 높은 신뢰성과 안정성을 확보할 수 있는 방법이 반드시 필요하다.

로켓엔진에 공급되는 연료의 청정도에 영향을 주는 요인으로는 연료 자체의 청정도도 있지만, 그에 못지않게 연료를 저장하고 엔진에 공급하는 저장용기 및 배관 등의 공급계 상태도 중요한 요인으로 작용한다. 따라서 로켓엔진의 지상연소 시험 및 발사 전에는 이러한 연료 저장용기에 이물질 등을 제거하는 세척 작업이 별도로 반드시 수행되어야 한다.

종래에는 로켓엔진의 산화제 저장용기 및 공급계를 세척하기 위해서 사염화탄소 등의 전용 세척제를 사용하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 최근 대두되고 있는 환경문제의 심각성 및 1987년 9월에 채택된 몬트리올 의정서에 의하여 환경에 위협을 주는 방법으로 분류되어, 이러한 종류의 세척제를 사용하는 것은 제한을 받을 수밖에 없다.

또한, 종래 세척제를 사용하여 로켓엔진의 저장용기 및 공급배관 등의 공급계를 세척하는 방법은, 저장용기 및 공급계를 세척제에 침수시키는 방법과, 저장용기 및 공급계의 내부로 세척액을 흘려 보내어 세척하는 방법이 있다.

그런데 이러한 2가지 방법으로 세척을 하더라도 대상물인 로켓엔진의 산화제 저장용기와 공급계가 어느 정도 세척이 되었는지는 육안으로 확인이 불가능하다. 따라서, 세척에 사용된 세척액을 별도로 채취하여 분광법 등의 화학분석작업을 별도로 수행하여 세척상태를 파악하여야 하며, 또한 이러한 방법은 화학분석 작업을 별도로 거쳐야 하므로 숙련된 화학분석 전문가가 필요한 문제점이 있었다.

그리고 종래의 방법은 현대의 고추력 발사체에 적용되기에는 곤란한 문제점이 있었다. 즉, 현대의 고추력 엔진은 산화제 저장용기의 용량이 크고, 또한 엔진마다 각각 다른 추진제를 사용하므로, 세척액을 선정하는 것이 쉽지 않으며, 또한 많은 양의 세척액이 필요하다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 효율적이고 신뢰성 있는 로켓엔진을 개발하기 위해서 연료(산화제) 저장용기를 포함한 연료공급계를 세척할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 연료 저장용기를 포함한 연료공급계에 남아 있을 수 있는 이물질 등이 산화제와 반응하여 산화제 저장용기나 공급 배관 속에서 국부 화재나 국부 폭발 등의 사고가 발생하는 것을 방지하기 위해 연료공급계를 신뢰성 높게 세척할 수 있는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척방법은, 상기 저장용기에 산화제를 충전하는 제1단계; 상기 저장용기 내부에 고압의 가스를 공급하여 상기 저장용기 내부에 와류를 형성하면서 상기 저장용기 내부를 세척하는 함과 동시에 상기 저장용기 내의 산화제를 배출하는 제2단계; 및 필터를 사용하여 상기 저장용기로부터 배출되는 산화제 내의 이물질을 채취하는 제3단계;를 포함하며, 상기 제1단계 내지 상기 제3단계를 N회 반복 시행하고, 상기 N은 경험계수를 K, 상기 로켓엔진의 작동을 위해 허용 가능한 이물질의 농도를 C[mg/m³], 채취된 상기 이물질의 농도를 C_t[mg/m³] 라 할 때,

인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산화제를 배출할 때, 상기 산화제 상부를 고압의 가스로 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 경험계수 K는, 0.14≤K≤2.4 인 것을 특징으로 한다.

또한, K=0.14는 상기 저장용기의 제작 후 세척 작업을 수행하지 않았을 경우에 적용되고, K=2.4는 상기 저장용기를 깨끗이 세척하였을 경우에 적용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산화제를 배출할 때, 상기 산화제는 상기 로켓엔진의 실제 연소시와 동일한 유량, 유속 및 압력으로 배출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척장치는, 상기 저장용기 내부로 산화제를 충전하는 산화제 충전부, 상기 산화제의 배출 시 상기 산화제가 고압의 상태로 배출되기 위하여 상기 저장용기 내부로 고압가스를 공급하는 산화제 가압부, 상기 저장용기 내부의 세척을 위하여 상기 산화제에 와류를 형성시키는 고압가스 공급부, 상기 저장용기 내의 산화제가 배출되는 배출라인을 포함하며, 상기 배출라인에는 배출되는 상기 산화제에 포함되어 있는 이물질을 거르는 필터 및 유량계가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 저장용기에는 압력센서, 온도센서, 수준계가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 가진 본 발명에 의하면, 액체연료 연료공급시스템에서 엔진으로 공급되는 연료의 품질을 엔진의 설계 요구조건에 적합하도록 연료 저장용기와 공급배관 등의 세척을 보다 경제적으로 쉽게 할 수 있다.

또한, 세척을 위해서 고가의 세척액을 별도로 사용하는 것이 아니고, 실연료를 이용하여 세척작업을 수행하므로 로켓 발사 전 별도의 수류시험을 거치지 않아도 된다. 따라서 비교적 저렴하고, 또 환경오염 등의 문제를 줄일 수 있다.

또한, 경험을 바탕으로 수립한 경험식을 이용하여 저장용기 및 공급계의 세척에 필요한 연료의 충전과 배출 회수를 사전에 계산할 수 있으므로, 연료의 배출시마다 수행하여야 하는 필터 점검 및 화학분석 작업을 생략할 수 있으므로 작업이 간편하다.

또한, 본 발명은 로켓엔진 시스템의 추력 및 엔진의 크기에 상관없이 적용이 가능하고, 로켓엔진에 공급되는 연료의 품질을 엔진설계 요구조건대로 제공할 수 있다.

또한, 오염된 연료가 엔진 내부로 공급되어 발생하는 사고나, 공급계 및 연료 저장용기 내에 잔존할 수 있는 오염원과 연료가 반응하여 발생할 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있다.

이하에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

먼저, 저장용기(1)에 실매질인 연료(LOX)를 산화제 충전부(100)의 공급밸 브(10)를 통하여 충전한다. 이 과정에서 저장용기(1)에 공급되는 연료의 온도, 압력, 수위는 온도센서(3), 압력센서(9), 수준계(2)를 사용하여 파악한다. 연료를 저장용기(1)에 충전하는 동안 변하는 압력은 저장용기(1) 상부의 드레인 밸브(6)를 이용하여 적절히 고정한다. 또한, 저장용기(1)에 연료를 충전할 때 준수하여야 하는 연료의 충전 온도 및 유량은 연료 충전라인의 밸브(10)를 이용하여 적절히 제어한다.

저장용기(1)에 연료 충전이 끝이 나고, 발사 전 수행하여야 하는 지상 작업이 종료하거나, 발사 전 싸이클로그램에 따른 검증작업이 끝이 나면, 저장용기(1) 내에 남아 있는 연료를 배출라인(400)을 통하여 배출한다.

연료를 배출함과 동시에, 고압가스 공급부(300)를 통하여 연료 저장용기(1) 내부에 고압가스를 공급하여, 저장된 연료 내부에 인위적으로 와류를 형성하고, 동시에 연료 저장용기(1) 내부의 연료를 배출하며 내부를 세척한다. 이때 고압가스는 공급밸브(15)를 통하여 공급한다.

와류에 의한 연료 저장용기(1)의 세척작업과 동시에 연료 저장용기(1) 하단의 배출용 밸브(4,11)를 이용하여 연료 저장용기(1) 내의 연료를 배출라인(400)을 통하여 배출한다. 이때에는 반드시 연료 내에 존재할 수 있는 이물질을 거르기 위한 필터(12)를 사용한다.

한편, 연료 배출 작업시에는 저장용기(1) 상부의 산화제 가압부(200)의 밸브(8)를 열어 고압가스로 가압하여 배출한다. 가압조건은, 배출되는 연료가 로켓엔진이 연소할 때와 동일한 조건(압력,유량)으로 저장용기(1)로부터 배출되도록 하 며, 이를 위하여 유량조절기(14) 및 측정기(유량계)(13)를 사용한다.

이상과 같은 작업을 반복 수행함으로써, 저장용기(1) 내벽에 존재할 수 있는 고형물 등의 이물질들이 저장용기(1) 내벽으로부터 박리 되어, 실질적으로 엔진 시스템 연소시 이물질들이 엔진으로 공급되는 것을 사전에 방지할 수 있다.

연료가 모두 배출된 저장용기(1) 내부의 청정도는 이물질의 무게(m)와, 저장용기(1)로부터 배출되는 라인에 설치되어 있는 필터(12)에 걸러진 이물질의 양(V)을 바탕으로 m/V 값을 계산한다. 그리고 m/V 값을 저장용기(1) 내의 허용 가능한 이물질 농도의 값(C)과 비교하여 저장용기(1) 세척을 진행한다. 저장용기(1)의 반복 세척작업의 종료는 C≥m/V 조건을 만족할 때까지 수행한다. 배출되는 연료 속에 포함되는 이물질의 농도를 허용기준(C) 이하로 줄이기 위하여, 저장용기(1)에 실매질인 연료를 공급하고 배출하는 작업을 반복 수행하여야 하며, 이러한 작업의 회수(N)는 연료의 청정도와 직접적 연관이 있는 중요한 부분이다.

저장용기(1)로의 연료를 충전하고 배출하는 회수(N)는 경험을 바탕으로 한 다음 관계식에 따라 산정한다.

[수학식 1]

여기서, K는 경험계수, C[mg/m³]는 엔진의 작동에 허용 가능한 이물질의 농도, C_t[mg/m³]는 발사전 지상시험과정에서 발생한 이물질의 농도임.

[수학식 1]은 본 발명의 발명자들이 9m³, 90m³, 200m³ 크기의 저장용기에 액체산소를 충전하고 배출하는 작업을 반복적으로 수행하여, 그 결과를 분석하고, 분석한 결과를 수식으로 표현한 것이다. 액체산소를 저장용기에 충전할 때에는 저장용기의 90%를 충전하고, 배출시에는 전량 배출하는 작업을 반복하였다.

한편, [수학식 1]을 적용하기 위해서는 저장용기 배출라인의 필터에 축적되는 이물질의 총량인 C_t 값을 알아야 하는데, 이값은 지상시험설비에서 실제 작동환경을 모사한 콜드 테스트(cold test)를 수행하여, 그 값을 산정하여야 한다. 그리고 이러한 C_t 값 확보는 어렵지 않은데, 이유는 새로운 엔진시스템을 제작하거나 또는 엔진시스템을 개량할 경우 반드시 지상시험설비에서 콜드 테스트를 수행하여야 하므로 C_t 값을 확보할 수 있는 지상시험의 기회는 많기 때문이다.

경험을 토대로 볼 때 K의 범위는 0.14~2.4 이다. 이때 0.14의 값은 저장용기의 제작 후 제작공장에서 용기의 세척작업을 수행하지 않았을 경우에 적용하며, 2.4의 값은 제작공장에서 저장용기 제작 후 용기 내부를 깨끗이 세척했을 경우에 적용하는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 "깨끗이 세척"의 의미는 침적방법으로 탈지한 탈지품의 탈지품질을 나타내는 정도가, 탈지액 속의 유지 성분이 5mg/ℓ이하임을 의미하는 것으로 한다.

참고로, 도 2는 전술한 방식과 같은 계산을 통하여 얻은 N값(도트값)과, 산화제 저장용기를 산화제인 액체산소로 공급 및 배출하여 경험을 토대로 습득한 [수학식 1]에 근거한 N값(실선값)을 비교하여 보여주고 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 액체연료 로켓엔진용 연료공급계의 세척방법은 액체연료 로켓엔진의 산화제 저장용기 내부를 실매질을 이용하여 세척하는 것으로, 기존의 방법과 차별화되는 점은 액체연료 로켓엔진 내부를 발사(또는 점화) 전에 저장용기나 공급계 내부에 잔존하는 이물질을 실매질인 연료를 이용하여 세척하고, 세척한 저장용기에 연료를 충전하였을 때에, 저장용기 내의 오염물질 농도를 발사체의 운용기준에 적합하도록 줄이기 위한 방법이다.

도 1은 본 발명에 따른 액체연료 로켓엔진의 연료공급계의 개략도이다.

도 2는 계산을 통하여 얻은 N값과, 본 발명에 따른 경험식에 근거한 N값을 비교하여 보여주고 있다.

Claims (7)

1. 액체연료를 사용하는 로켓엔진의 산화제 저장용기를 포함한 연료공급계를 세척하는 방법에 있어서,

   상기 저장용기에 산화제를 충전하는 제1단계;

   상기 저장용기 내부에 고압의 가스를 공급하여 상기 저장용기 내부에 와류를 형성하면서 상기 저장용기 내부를 세척하는 함과 동시에 상기 저장용기 내의 산화제를 배출하는 제2단계; 및

   필터를 사용하여 상기 저장용기로부터 배출되는 산화제 내의 이물질을 채취하는 제3단계;

   를 포함하며,

   상기 제1단계 내지 상기 제3단계를 N회 반복 시행하고, 상기 N은 경험계수를 K, 상기 로켓엔진의 작동을 위해 허용 가능한 이물질의 농도를 C[mg/m³], 채취된 상기 이물질의 농도를 C_t[mg/m³] 라 할 때,

   

   인 것을 특징으로 하는 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척방법
2. 제1항에서,

   상기 산화제를 배출할 때, 상기 산화제 상부를 고압의 가스로 가압하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척방법.
3. 제1항에서,

   상기 경험계수 K는, 0.14≤K≤2.4 인 것을 특징으로 하는 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척방법.
4. 제3항에서,

   K=0.14는 상기 저장용기의 제작 후 세척 작업을 수행하지 않았을 경우에 적용되고, K=2.4는 상기 저장용기를 깨끗이 세척하였을 경우에 적용되는 것을 특징으로 하는 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척방법.
5. 제1항에서,

   상기 산화제를 배출할 때, 상기 산화제는 상기 로켓엔진의 실제 연소시와 동일한 유량, 유속 및 압력으로 배출되는 것을 특징으로 하는 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척방법.
6. 액체연료를 사용하는 로켓엔진의 산화제 저장용기를 포함한 연료공급계의 세척장치에 있어서,

   상기 저장용기 내부로 산화제를 충전하는 산화제 충전부,

   상기 산화제의 배출 시 상기 산화제가 고압의 상태로 배출되기 위하여 상기 저장용기 내부로 고압가스를 공급하는 산화제 가압부,

   상기 저장용기 내부의 세척을 위하여 상기 산화제에 와류를 형성시키는 고압가스 공급부,

   상기 저장용기 내의 산화제가 배출되는 배출라인,

   을 포함하며,

   상기 배출라인에는 배출되는 상기 산화제에 포함되어 있는 이물질을 거르는 필터 및 유량계가 설치되어 있는 것

   을 특징으로 하는 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척장치.
7. 제6항에서,

   상기 저장용기에는 압력센서, 온도센서, 수준계가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 액체연료 로켓엔진용 연료공급계 세척장치.

Images