[논문자료] 밸브 입구 압력 변화에 따른 연소기 산화제 개폐밸브 열림 특성

출처: 픽사베이

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충전된 추진제가 수동적으로 연소되는 고체로켓모터에 비해, 액체로켓엔진은 추진제를 능동적으로 공급 및 차단하기 때문에 상대적으로 복잡한 점화 과정을 통해 엔진 시동이 이뤄진다. 한국형발사체의 가스발생기 사이클 액체로켓엔진 경우에 있어서도 터빈을 구동하는 가스발생기와 엔진의 추력을 발생 시키는 연소기에서 추진제의 점화 및 연소가 이뤄지며, 다양한 요소들이 액체로켓엔진의 점화 및 시동 특성에 영향을 미친다.

엔진의 시동 특성은 파이로 시동기, 연소기 점화기, 엔진 퍼지, 추진제 탱크 압력, 엔진 사이클로그램 뿐만 아니라 추진제를 공급하는 주요 개폐밸브들의 작동 특성에 의해 영향을 받는다. 주요 개폐밸브들의 개폐시간과 밸브 개폐시 밸브 입구 압력을 정확히 예측할 수 있어야 액체 로켓엔진의 점화 및 시동 절차를 안정적으로 설정할 수 있다[1].

가스발생기와 연소기로의 추진제 공급 시작 시점과 해당 시점에서의 추진제 공급량에 대한 선정이 엔진 시동 설계에 있어서 매우 중요한 변수라고 할 수 있다.

이러한 엔진 시동과 연관된 추진제 공급 특성은 주요 개폐밸브들의 밸브 개방 시간과 밸브 행정 속도 등과 같은 밸브 개방 특성에 의해 근본적으로 좌우된다.

 

따라서 엔진 시동 설계의 높은 신뢰성을 확보하기 위해서는 추진제 공급 특성을 결정짓는 개폐밸브들의 밸브 개방 특성에 대한 정확한 이해가 필수불가결하다고 할 수 있다.

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO202029462558756

액체로켓엔진의 신뢰성 높고 안정된 점화 시동 구현을 위해서는 추진제를 공급하는 개폐밸브들의 개방 특성에 대한 이해가 필수적이다. 이에 한국형발 사체용 연소기 산화제 개폐밸브에 대해 밸브 입구 압력 변화에 따른 밸브 개방 특성에 대한 정량적인 분석 내용을 본 논문에서 소개하였다.

한국형발사체용 연소기 산화제 개폐밸브의 자체개 방유지형 포핏 방식의 밸브 특성으로 인해 밸브 입구 압력이 증가할수록 밸브 개방을 위해 보다 높은 구동압력이 요구된다. 밸브 개방에 필요한 구동압력은 밸브 입구 압력과 구동압력의 작용면적 비율에 따라 선형적으로 증가하기 때문에 작용면적비를 적절히 선정함으로써 밸브 입구 압력 상승에 따른 밸브 개방에 필요한 구동압력을 조절할 수 있다.

밸브 개방 시 밸브 입구 압력이 상승함에 따라 밸브 행정 시간은 감소한다. 그러나 밸브 행정 시간이 짧아지는 것에 비해 밸브 개방 구동압력 도달까지의 시간이 상대적으로 더욱 길어지기 때문에 밸브 입구 압력이 상승할수록 전체적인 밸브 개방 시간은 결과적으로 증가하는 것을 확인하였다.

따라서 밸브 개방 시점은 밸브 개방에 필요한 구동압력까지 소요되는 시간에 의해 좌우된다. 결국 밸브 구동부의 체적 및 오리피스에 대한 설계를 통해 밸브 개방 시점의 밸브 입구 압력과 연소기로의 산화제 공급량을 적절하게 조정할 수 있다.

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하이플럭스( http://www.hiflux.com/ )

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