[서울대학교] 로켓추진 연구실(Rocket Propulsion Laboratory)
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서울대학교 기계항공공학부 로켓추진 연구실은 1996년도부터 시작하여 액체로켓 최적 분사시스템에 관한 연구, 레이저 진단계측기법 개발, 난류 화염에 관한 연구, 가스터빈 연소기의 연소불안정에 관한 연구 등을 수행해 오고 있습니다. 특히 여러 가지 레이저 계측 기법을 확보하여 액체로켓 분사시스템 및 연소 연구들에 대한 다양한 실험을 수행할 수 있는 역량을 갖추고 있는 것이 강점입니다.
이를 바탕으로 KSR-Ⅲ 과제를 성공적으로 완료하였고 2002년도부터는 러시아와 국제공동연구를 수행함으로써 액체로켓 분사시스템 분야의 선진기술을 습득하기 위해 노력해오고 있습니다. 또한 2008년도에 우주 기초 원천기술 개발사업(NSL)에 지정되어 극저온 환경에서의 액체로켓 분사시스템에 대하여 좀 더 심화된 연구를 수행 중에 있습니다. 그 외에도 지금까지 초음속 연소특성 및 연료공기 혼합증대에 관한 연구, 화염 및 초음속유체 시공간분해 진단기법 개발, 저 NOx 연소기 개발에 관한 연구, 흡입공기와의 혼합을 고려한 액체연료 연소 연구(액체 램제트), 진보된 충돌분무 모델을 이용한 저공해/고효율 충돌 분무형 보일러 연료 분사 시스템 개발 등의 과제를 완료하였으며 램제트 엔진의 연소불안정 현상 연구 및 능동제어기법 개발, 가스터빈 연소기의 연소불안정 현상 및 NOx 저감법 개발 등의 과제를 진행하고 있습니다. 최근에는 차세대 우주추진 연구센터(ERC)로 선정되어 보다 발전된 형태의 액체로켓 분사시스템 개발을 위해 연구에 박차를 가하고 있습니다.
21세기에 진입하면서 항공우주분야에 대한 연구는 세계적으로 점점 치열해지고 있습니다. 우주 강대국들 사이에서 우리나라 또한 나로호의 성공을 바탕으로 2020년 달 탐사를 수행하겠다는 원대한 목표를 세우고, 이를 위해 활발한 연구를 진행하고 있습니다. 성공적인 우주기술 개발을 위하여 대학, 연구소, 산업체들이 긴밀히 협력하여 노력하고 있으며, 본 로켓추진 연구실 또한 우리나라의 항공우주 연구수준을 국제적인 위치로 높이겠다는 사명을 가지고 현재 5명의 석사과정 학생들과 10명의 박사/박사후 과정 학생들이 열심히 연구를 하고 있습니다.
일반적인 액체 로켓 엔진은 극저온의 액체 추진제를 사용하여 연소실 내에서 분사, 연소시켜 높은 추력을 얻습니다. 이때 높은 성능을 얻기 위하여 로켓 엔진 내 연소기는 높은 온도 및 압력에서 동작하게 되는데, 그 결과 극저온 액체 추진제는 초임계 온도 및 압력 조건의 연소실로 분사되며, 연소실 내에서 기화되는 과정에서 초임계 유체의 특성을 갖게 됩니다. 초임계 유체의 경우 액체에 비하여 낮은 표면 장력 및 증발열, 기체에 비하여 높은 밀도 등 일반적인 유체와 비교하여 그 성질이 특이하기 때문에, 연소실 내로 분사되는 극저온 액체 추진제는 일반적인 분무와 다른 특성을 갖게 됩니다. 본 연구실에서는 액체 질소를 모의 추진제로 이용하여 고압 챔버 내에 분사함으로써 초임계 환경에서의 극저온 추진제 분사를 모사하고 있습니다.
수소/액체산소를 추진제로 사용하는 액체 로켓 엔진에서, 극저온 액체 추진제는 엔진을 냉각하는 과정 및 예연소기를 거치는 과정에서 기화되면서 주연소실에서 기체 상태로 공급됩니다. 이러한 경우 연소기에 연료를 공급하기 위하여 기체-액체 동축 인젝터가 주로 사용되며, 이러한 인젝터의 특성을 파악하여 로켓 엔진 개발에 이용할 수 있습니다. 미국, 유럽 등지에서는 전단 동축형 인젝터가 사용되는 반면, 러시아에서는 스월 동축형 인젝터를 사용하고 있습니다. 기체-액체 스월 동축형 인젝터는 크게 액체 중심 스월 동축형 인젝터(LCSC)와 기체 중심 스월 동축형 인젝터(GCSC)로 나눌수 있으며, 각각 다른 특성을 지니고 있습니다.
본 연구실에서는 이러한 기체-액체 스월 동축형 인젝터의 분무 특성에 대하여 연구하고 있습니다. 분무각 측정, 분무 액적 크기 (SMD) 측정, 레이저 이용 분무 단면 계측 등을 통하여 분무 특성을 파악하며, 그 외에 인젝터 관련 음향학적 연구 또한 수행하고 있습니다.
석탄가스화 복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle, IGCC)용 가스터빈에 연료로 공급되는 합성가스Syngas(Synthetic Gas)는 석탄의 가스화, 집진, 정제 공정을 통해서 얻어진 합성가스로 H2(수소)와 CO(일산화탄소)가 주요 성분을 이루고 있습니다. 이러한 합성가스를 이용한 가스터빈은 기존의 상용연료인 LNG와는 그 연소 특성이 매우 상이하므로 IGCC 가스터빈을 안정적으로 운전하기 위해서는 합성가스의 연소 특성 및 배기배출물의 특성을 파악하는 것이 필수적이며, 이러한 연소특성의 파악을 위해서는 가스터빈 연소기를 잘 모사하여 실험하는 것이 매우 중요합니다. 또한 실증 플렌트 설계를 위해서는 수소와 일산화탄소의 조성 비율, 당량비, 부하, 운전 모드 등에 따른 NOx, CO, UHC 등의 배기 배출물 특성, 온도, 정압 등 연소 정특성을 파악하는 것이 필요한 것은 물론이고, 현재 LNG 가스터빈에서 이슈화되는 연소불안정 현상에 관한 연소 동특성 파악도 매우 중요합니다. 이러한 일련의 실험 결과는 IGCC 실증플렌트의 안정적 운영에 기여함은 물론, 설계 시 고려해야 하는 설계 기준 데이터베이스로도 사용될 수 있습니다.
■ 주소: (우) 151-744 서울특별시 관악구 대학동 서울대학교 301동 신공학관 216호 로켓추진연구실
■ 전화번호: 02-880-7396
■ 팩스: 02-872-8032
■ 이메일: id227@snu.ac.kr (담당학생 : 윤정수)
■ 홈페이지: http://rpl.snu.ac.kr/ 또는 http://sprc.snu.ac.kr
