Research Highlight

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- 단일 추진제 로켓 엔진 내 촉매 반응기의 동적 모델링 및 시뮬레이션 -

   

  이번 리서치 하이라이트에서는 2021년 5월에 제17회 KAIST 조정훈 학술상 수상자로 선정된 최석민 박사과정 (권세진 교수님 연구실)의 단일추진제 로켓 엔진과 관련된 연구에 대하여 소개하도록 하겠습니다.

 

 

  단일추진제 로켓 엔진은 일반적으로 액체 상의 추진제를 반응기에 주입시켜 촉매 분해 반응을 유도하고, 이를 통해 생성된 고온의 기체를 노즐을 통해 배출하여 추력을 얻는 추진 시스템을 일컫습니다. 단일추진제 로켓 엔진은 우주 비행체의 자세 제어 및 궤도 조정, 착륙선의 동력 강하를 포함한 다양한 우주 임무에서 광범위하게 활용되고 있습니다. 단일추진제 로켓 엔진에 대한 연구는 로켓 개발의 역사와 함께 오래도록 지속되어왔고, 이를 통해 습득한 기술을 바탕으로 오늘날 고효율, 친환경 엔진 개발이 가능해졌습니다.

 

  하지만 관련 기술의 성숙에도 불구하고 여전히 엔진의 성능 저하 및 시스템 파괴의 위협은 존재합니다. <그림 1>에서는 로켓 엔진 속 촉매 반응기의 시동 과정 중 형성된 강한 연소 불안정성에 의해 추진제 공급 시스템에 강한 구조적 진동이 야기되었으며, 엔진의 성능 저하가 일어난 실험 장면을 확인할 수 있습니다. <그림 2>에서는 추진제 제어 밸브의 작동 환경 변화에 따른 로켓 엔진 펄스 운용 시험 중 엔진 내 유동의 역류 현상으로 인해 촉매 반응기 내 압력이 급상승한 결과와 이에 따른 밸브 고장 및 누수 현상을 확인할 수 있습니다.

 

 

<그림 1> 로켓 엔진 시동 시 촉매 반응기 내 연소 불안정에 의한 추진제 공급계 진동 및 시스템 파손

 

 

<그림 2> 단일추진제 로켓 엔진의 펄스 운용 연소 실험(좌) 및 촉매 반응기 내 압력 급상승 현상(우)

 

 

 

  이와 같은 엔진의 성능 저하 및 시스템 파손은 만약 로켓 엔진의 형상 혹은 작동 환경이 특정 조건을 만족한다면, 연소 불안정성 혹은 압력의 급상승 등의 이상 현상에 의해 발생할 수 있으며, 특히 로켓 엔진이 작동을 시작하는 시동 과정 혹은 작동 중 운용 조건에 변경되는 과도 구간에서 발생하는 것으로 알려져 있습니다. 실제 우주 임무에서 위의 이상 현상에 의한 임무 실패를 방지하기 위해서는 이러한 현상이 일어나는 정확한 원인 규명 및 발생 여부 예측이 필요합니다.

 

  이상 현상의 원인 규명 및 발생 여부 예측을 위해서는 다양한 운용 조건에 따른 로켓 엔진 내부 특성의 변화를 측정하고, 분석해야 합니다. 하지만 단일추진제 로켓 엔지의 시스템적 특성으로 인해 이러한 연구 방법은 시도하기 어렵습니다. <그림 3>에 보여지는 단일추진제 로켓 엔진의 단면 사진에서 볼 수 있듯이, 단일추진제 로켓 엔진은 두꺼운 철제 외벽으로 둘러싸여 있어 내부의 특성을 측정하기 어렵고, 엔진의 작은 크기로 인해 세밀한 측정 또한 불가합니다. 액체 추진제의 촉매 분해 반응은 그 속도가 매우 빨라 일반적으로 활용되는 센서로 엔진 내부의 특성을 파악하는데 한계가 존재합니다. 또한, 내부가 비어 있는 이원추진제 로켓 엔진의 연소기와 다르게 화학 반응이 주요하게 일어나는 촉매 반응기의 내부에는 고체 촉매가 빼곡히 자리잡고 있어, 광학 분석 기법 또한 시도할 수 없습니다.

 

<그림 3> 단일추진제 로켓 엔진의 단면(좌)와 소형 단일추진제 로켓 엔진의 온도 및 압력 센서 부착 형태(우)

 

 

 

  이를 해결하기 위해 활용될 수 있는 것은 단일추진제 로켓 엔진에서 가장 주요한 역할을 수행하는 촉매 반응기의 모델을 구축하여, 이를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 분석하는 방법입니다. 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식 등의 지배 방정식을 통해 반응기 내부를 구현하고, 이를 활용해 촉매 반응기 내부에서 관심있는 시간과 위치에 해당하는 온도, 압력, 유속 등의 특성을 계산할 수 있습니다. 모델링 기법의 장점은 실제 로켓 엔진의 가공 및 실험 과정 없이 다양한 설계 요건 및 작동 환경에서 로켓 엔진의 특성을 예측하여 분석할 수 있는데 있습니다.

 

  본 연구에서는 KAIST 로켓 연구실에서 개발한 과산화수소 단일추진제 로켓 엔진의 촉매 반응기의 동적 모델링을 구축하고, 구축된 모델을 활용한 시뮬레이션 결과를 실제 로켓 엔진의 연소 실험 결과와 대조하여 모델을 검증했습니다.

 

  과산화수소 단일추진제 로켓 엔진의 모델링의 단순화를 위해 1차원 Heterogeneous, plug-flow 가정을 선정하였습니다. <그림 4>와 같이 각 샘플 위치는 하나의 Control Volume으로 나타낼 수 있습니다. 과산화수소 단일추진제 로켓 엔진은 액체 상의 추진제를 주입하여 기체 상의 생성물이 형성되기 때문에 Control Volume 속 상은 고체 촉매를 포함하여 총 3 가지로 나타낼 수 있습니다. 고체 촉매의 경우 boundary layer 내부에 빈 공간인 pore이 많은 비중으로 분포되어 있습니다. 이를 고려하여 고체 상은 실제로 고체 촉매로 채워진 Solid Catalyst와 빈 공간으로 촉매 반응을 위한 반응물이 흡착하는 Catalyst pore로 구분했습니다.

 

 

<그림 4> 촉매 반응기 내 Control Volume의 부피 구성

 

 

 

  반응기에서 과산화수소의 분해 반응은 크게 촉매 분해와 열 분해 반응으로 나눌 수 있습니다. 촉매 반응은 촉매 표면에 흡착된 과산화수소가 분해 반응 물질과 반응하여 일어나는 것인 반면에 열 분해는 고온의 과산화수소 기체가 스스로 분해하는 과정입니다. 반응기에서 일어나는 주요한 반응은 촉매 분해 반응이며, 이것이 일어나기 위해서는 여러 단계를 거쳐야만 합니다. 본 연구에서 구축한 모델링에서는 <그림 5>와 같이 기체 혹은 액체 상에 존재하는 과산화수소는 고체 상 boundary layer로 전달되고, 이는 촉매의 공극으로 이동하여 표면에 흡착하게 됩니다. 흡착된 과산화수소는 촉매 표면에 있는 반응 물질과의 작용으로 산소와 물로 변하게 되며, 동일한 과정이 반대로 일어나며 유동에 흡수되게 됩니다.

 

 

<그림 5> 고체 촉매 간 흡착 및 탈착 경로

 

 

 

  지배 방정식을 계산하기 위해서는 수치 해석 기법을 활용해야 합니다. 본 연구에 활용된 것은 MacCormack’s method으로 Predictor/Corrector 방식을 활용하여 시간과 공간에 대해 2차항의 정확도를 가지며, 비선형 식을 해결하는데 주로 사용되는 것으로 알려져 있습니다. 본 연구에서 수치해석은 매트랩을 활용했습니다. 코드 작동을 위해 필수적으로 필요한 파라메터들은 문헌 조사를 통해 얻은 수식과 경험식, 측정 데이터, 혹은 반복 작동을 통해 검출하는 방식을 통해 수집했습니다

 

<그림 6> 수치해석 코드 구성(좌)와 촉매 반응기 모델 개발 Flow chart(우)

 

 

원고         최석민[csm9420@kaist.ac.kr]

편집         박진우[jinpark57@kaist.ac.kr]