5달전부터 설계를 거듭해 오던 액체 엔진의 파워헤드에 대한 집중적인 combustion CFD 해석을 끝으로 가시적인 설계를 끝낼 수 있었습니다. 저희가 지난 7월 액체 엔진을 개발하겠다고 밝힌 이후 인젝터 단품에서부터 시작해서 엔진에 가장 잘 맞는 물성을 가진 금속을 찾고, 엔진 사이클 해석을 위한 코드를 짜고, 열해석을 위한 1차원 시뮬레이션을 돌리고 3차원 해석으로 발전시키고, HGM(Hot Gas Manifold) 같은 실질적인 단품 레벨에서 시험 및 해석 자료를 준비하기까지.... 생각보다도 오랜 준비 시간이 걸렸습니다.
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게시물의 사진에서 보이는 것은 저희가 개발 중인 액체 엔진의 파워헤드입니다. 파워헤드는 엔진의 추력을 발생하는 핵심적인 기관이 한데 묶인 것으로, 저희 엔진에서는;
- MCC: Main Combustion Chamber (사진의 종 모양 노즐과 연결된, 아래로 갈수록 좁아지는 형상을 한 부분)
- MCC Injector Head (종 모양 노즐과 연결된 호리병모양 통 위에 달린 긴 볼트로 연결된 것)
- HGM: Hot Gas Manifold (사진의 연소실과 연소실 옆의 TPA를 연결하는 큰 곡선형 배관)
- TPA: Turbopump Assembly (사진의 제일 우측에 보이는 나사들로 체결된 조립체)
- PB: Preburner (TPA에 수평 배관으로 연결된, 사진에서 제일 앞쪽에 보이는 부품)
으로 구성되어 있습니다.
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특히 이런 단계 연소 사이클에서는 Preburner(예연소기)가 발생한 산화제 과농 가스가 TPA의 메인 터빈(저희 엔진에서는 2단 터빈으로 구성되어 있습니다)을 돌리고 HGM을 통해 MCC Injector로 유입되어 MCC에 진입한 뒤 TPA의 MPFTP(Moderate Pressure Fuel Turbopump)가 38MPa로 가압시켜 냉각 재킷을 지나온 350K의 메테인과 혼합하여 연소하게 됩니다.
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실제 엔진에는 사진에서 드러난 이들 부품 외에도 김발(Gimbal) 구동을 위한 액츄에이터와 김발 헤드, TPA의 HPOTP, MPFTP 및 HPFTP에 들어가기 앞서 추진제를 약간 가압하여 가압 효율을 증대시키고 사이클 안정성을 높이며 엔진의 패키징의 무게중심을 골고루 분산시키기 위해 따로 분리되어 나온 두 대의 LPTP(각각 LPFTP, LPOTP; Low Pressure Turbopump)가 수력 터빈 입 출력 배관 각각 두 개씩, 토출구 한 개씩 연결되어 장착됩니다. 또 저희가 엔진에서 상당한 노력을 들이고 있는 각종 계측 장비와 더불어 엔진의 메인 컨트롤러까지 장착될 것입니다. 사진의 파워헤드 어셈블리도 충분히 복잡한 매력을 자아내지만 올해쯤 공개될 모델링은 이보다 훨씬 더 복잡한 모습일테지요...
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복잡하지만 아름다운 엔진을 완성하기 위해 밤낮으로 연구를 진행하고 있습니다.
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사실 아마추어로 시작한 단체에서 단계 연소 사이클을 적용하기란 쉽지 않습니다. 저희는 특히 여러번 사용할 수 있으면서도 저렴하고 내구성을 보장할 수 있을 뿐 아니라 무엇보다 저희가 직접 공급받아 사용할 수 있는(!) 재질과 그 가공 공정을 연구하는 데 무려 8개월의 시간을 쏟았습니다. 연소실의 제작 공정을 연구하느라 들인 노력은 이틀 밤을 새어 이야기해도 모자를 지경이지요...
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많은 개발 예산을 쓰기 어렵다는 사실(금전적 제약이 있는 입장이기에 ㅠㅠ)에서 출발한 제작 공정에 대한 연구도 어느정도 결실을 맺었습니다. 이중 벽면으로 구성된 재생냉각 연소기를 제작하기 위한 내피 라이너 디포짓 공정과 외피 성형 공정은 연소기 한 대의 제작 비용을 기존 7천만원에서 1천만원까지 낮출 수 있을 것으로 보입니다.
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아직 엔진의 파워헤드 부분이 아닌 LPTP (Low Pressure Turbopump) 부분은 설계를 더 진행해야 할 부분이고 전자 장비와 엔진 자세제어 구동용 액츄에이터들의 구동 방식에 대해서도 많은 의견이 있습니다만... 엔진의 파워헤드 부분만큼의 난이도가 있는 부분은 아니니 비교적 수월하게 끝낼 수 있을 것 같다고 판단하고 있습니다.
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저희가 처음 이 연구를 시작할때부터 믿고 지켜봐 주신 많은 분께 감사드립니다.
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개발에만 집중하다보니 정보 공유가 좀 늦어졌습니다. 일주일쯤 후에 저희 회사 홈페이지를 다시 개편할 예정인데 엔진의 제작 실물과 개발 일정, 투자자 정보 등 자세한 정보는 홈페이지에서 소상히 다루도록 하겠습니다.
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아래는 몇가지 공개 가능한 개발 정보입니다.
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엔진 추진제 특성 사양
- Codename: Blue (블루)
- Propellant: LO2 + LCH4 (94% CH4 vol.)
- Engine nominal mixture ratio: 3.15
- Drive cycle: 산화제 과농 단계 연소 사이클 (ORSC: Oxidizer Rich Staged Combustion)
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연소기 성능
- Chamber pressure: 25MPa
- Preburner pressure: 59MPa
- Combustion temperature: 3500K
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엔진 동작 성능
- Sea level specific impulse: 320s
- Vacuum specific impulse: 352s
- Sea level thrust: 49.8kN
- Vacuum thrust: 54.9kN
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엔진 물성
- Overall height of the powerhead assembly: 800mm
- Expected overall height of engine assembly: 1050mm
- Powerhead total mass: 32kg
- Expected engine mass total: 52kg, 40kg goal for FM(flight model)
- Engine TWR: ~100, 140 goal for FM
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주요 재질
- Combustion chamber inner liner material: 100% PERIGEE IN-HOUSE DEVELOPED, 88% Cu, 6% Ag, 3.2% Zr - (Mechanical/chemical property similar to NARLoy-Z)
- Preburner, HGM & Injector cover material: Inconel 718
- Turbine blade material: Ti-Alpha
산소과잉 Prebuerner 터보펌프를 사용하는 메탄로켓을 개발 하는것 같다..
목표는 2018년까지인것 같은데..
로켓을 좋아하는 10대 17명이 모여서 아마추어가 개발하기는 힘들것 같은데 어떻게 될 지 모르겠다
동신과학고 2학년 김상훈 학생은 지구 저궤도에 인공위성을 쏘아 올릴 수 있는 로켓 엔진 개발을 목표로 ‘페리지 로켓(Perigee Rocket) LLC’ 라는
이름의 유한책임회사를 포스텍, 토론토 대학생 등 10대 소년들이 공동으로 회사를 설립했다.
