Spray and Combustion Characteristics of a Multi-slit Type Throttleable Gas–Liquid Pintle Injector = 다중 슬릿형 가변추력 기체-액체 핀틀 분사기의 분무 및 연소 특성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid increase in private sector involvement in space development, which was previously a government-led endeavor, various organizations are independently developing propulsion systems. These development trends encompass propulsion systems for reusable space launch vehicles capable of vertical landing, as well as lunar landers, thereby increasing the demand for variable thrust rocket engines. While several methods exist for liquid rocket engine throttling, the use of throttleable pintle injectors has been recognized as the most representative approach, as can be found in the examples of the Merlin engine used in SpaceX’s Falcon launch vehicle series and the Chinese lunar lander Chang’E.
The pintle injector is a type of injector for bipropellant liquid rocket engines, in which the oxidizer and fuel are injected through two distinct paths: radial orifices located on the side of a pintle structure protruding toward the center of the combustion chamber and an annular axial orifice formed along the perimeter of the pintle structure in the combustion chamber head. Due to this unique structure, pintle injectors exhibit characteristics of both impinging and coaxial injectors, and they possess numerous geometrical variables. Despite the rapid increase in studies on pintle injectors in recent years, only basic types such as continuous pintle injectors have been investigated. However, many actual applications of pintle injector in variable thrust rocket engines, such as the Apollo lunar lander descent engine, have adopted multi-slit type throttleable pintle injectors.
The multi-slit type throttleable pintle injector is a discrete type pintle injector, characterized by multiple vertically long, rectangular radial orifices. During the throttling process, the injection areas of both radial and axial flows can be controlled by adjusting the axial relative displacement between the pintle and its surrounding sleeve. Multi-slit type pintle injectors are known for their high combustion efficiency, which stems from superior mixing efficiency compared to continuous type pintle injectors. Furthermore, their vertically long radial orifices facilitate precise radial injection area control during deep throttling. However, due to their diverse geometrical variables, such as the width, height, number, and row arrangement of the slits, research on multi-slit type pintle injectors has been very limited. Therefore, this study aims to resolve this deficiency by investigating the spray and combustion characteristics of a multi-slit type throttleable pintle injector under various injection conditions and throttling levels, thereby providing fundamental design data. To understand these basic characteristics, a single-row slit arrangement with all slits arranged in the same row was selected, and three pintle tips were designed and manufactured, including cases with momentum ratios both greater and less than 1, which was reported to have exhibited the highest combustion efficiency in TRW’s previous studies. Additionally, a gas–liquid propellant combination was selected considering its applicability to methane engines, which have been actively studied and developed worldwide recently.
First, the spray characteristics of the multi-slit type throttleable gas–liquid pintle injector were experimentally investigated across a wide range of momentum ratios and throttling levels. Air and water were used as propellant simulants, and the spray angle, two-dimensional spray pattern, three-dimensional spray structure, and spray uniformity were analyzed. Based on the momentum conservation, a prediction model was derived to express the spray angle of the pintle injector as a function of injection conditions. This model was then validated with the experimental results, exhibiting its accuracy compared to spray angle prediction models of previous studies. Using laser diagnostics, spray cross-sections were visualized, and it was found that the spray pattern and structure could be broadly classified into three types, depending on the spray angle. Furthermore, the most uniform spray structure and its corresponding spray angle range were presented in terms of uniformity index of spray.
Next, the combustion characteristics of the multi-slit type throttleable gas–liquid pintle injector, using gaseous methane and liquid oxygen as propellants, were numerically investigated. To ensure the reliability of the numerical simulation, the radial flow angle and average droplet size depending on the throttling level were validated by comparing the results of cold flow experiment and numerical simulation. Additionally, the combustion numerical simulation model was validated by comparing its outputs with high pressure combustion experiment results from a previous study. The combustion efficiency, represented by the characteristic velocity efficiency, and the pintle tip surface temperature, related to the pintle tip thermal damage problem, were mainly analyzed. Within the injection conditions of this study, it was observed that the smaller the momentum ratio, the higher the characteristic velocity efficiency. The characteristic velocity efficiency was able to be roughly evaluated by mixing efficiency obtained from the cold flow experiment results. The pintle tip surface temperature was greatly affected by the internal flow field, and the highest pintle tip surface temperature was observed at a momentum ratio around 1. Therefore, it was shown that operating the pintle injector under conditions of momentum ratio less than 1 can simultaneously satisfy high combustion efficiency and an acceptable pintle tip surface temperature. However, it should be noted that these results can be affected by the geometry of the injector and combustor, and the equations defining momentum ratios may vary depending on literature.
Finally, attempts were made to improve spray and combustion characteristics through geometrical modifications beyond simply changing the number of slits. As a first method, when the slits were arranged alternately in two rows, the mixing performance increased, but the atomization performance decreased at low throttling levels, resulting in combustion efficiency decrease at the low throttling levels. Consequently, this double-row slit arrangement could be applied only to rocket engines that operate exclusively at high throttling levels. For the second method, the slit height was elongated while maintaining the opening height so that the radial flow was deflected to the axial direction, particularly at high throttling levels. In this case, there was no significant difference from the original pintle tip at the low throttling levels. However, at high throttling levels, both the mixing and atomization performances increased, resulting in higher combustion efficiency. Despite these improvements, both modification methods caused increases in the pintle tip surface temperature, and it was found that there was a trade-off relationship in which the pintle tip surface temperature had to be increased to increase combustion efficiency. Therefore, the decision to use either the double-row slit arrangement or the vertically heightened slit should be made by carefully considering the materials and cooling methods of the pintle tip.
This study can be considered as the first comprehensive investigation into the spray and combustion characteristics of a multi-slit type throttleable pintle injector. It is also significant because it partially clarified the correlation between the spray and combustion characteristics of the pintle injector. The spray angle prediction model, the optimal spray angle range for maximizing uniformity, and the combustion efficiency prediction model using the results of cold flow experiment proposed in this study are expected to be helpful in designing future multi-slit type throttleable gas–liquid pintle injectors. Further investigation and verification are still required, particularly regarding the influence of slit and combustor geometrical variables not considered in this study.

국문 초록 (Abstract)

과거 정부 주도로 이루어졌던 전 세계 우주 개발에 민간의 참여가 급증하면서, 다양한 기관들이 독립적으로 추진기관을 개발하고 있다. 이러한 개발 동향에는 수직 착륙을 통한 발사체 회수나 달 착륙선 등에 적용하기 위한 추진기관이 포함되며, 이에 가변추력 로켓엔진의 수요 또한 함께 증가하고 있다. 로켓엔진의 추력조절을 구현하는 방법에는 여러 가지가 존재하나, SpaceX의 Falcon 발사체 시리즈에 적용된 Merlin 엔진이나 중국의 달 착륙선 Chang’E의 사례로부터 찾아볼 수 있듯 가변추력 핀틀 분사기를 사용하는 것이 최근까지도 가장 대표적인 방법으로 여겨진다.
핀틀 분사기는 이원추진제 액체로켓엔진용 분사기의 한 종류로, 연소실 중앙부로 돌출된 핀틀 구조의 옆면에 배치된 반경 방향 오리피스와, 핀틀 구조의 둘레를 따라 헤드부에 나 있는 환형의 축 방향 오리피스를 통해 산화제와 연료가 각각 분사된다. 이러한 독특한 구조로 인해 충돌형 분사기와 동축형 분사기의 특징을 모두 지니며, 수많은 기하적 변수를 가져 근래 수 년간 핀틀 분사기 관련 연구 사례가 급증했음에도 불구하고 연속형 핀틀 분사기 등 기초적인 형상만이 연구의 대상이 되어 왔다. 그러나 Apollo 달 착륙선과 같이 핀틀 분사기를 가변추력 로켓엔진에 적용한 실제 사례들은 상당수 다중 슬릿형 가변추력 핀틀 분사기를 채택한 바 있다.
다중 슬릿형 가변추력 핀틀 분사기는 불연속형 핀틀 분사기의 한 종류로, 세로로 긴 직사각형 형상의 반경 방향 오리피스 여러 개를 갖는다. 추력조절 시에는 핀틀과 이를 둘러싸고 있는 슬리브의 축 방향 상대 위치를 바꾸어 반경 방향 및 축 방향 오리피스의 분사 면적을 조절할 수 있다. 다중 슬릿형 핀틀 분사기는 연속형 핀틀 분사기 대비 혼합 효율이 뛰어나 높은 연소성능을 가지는 것으로 알려져 있다. 또한, 세로로 긴 반경 방향 오리피스가 광범위한 추력조절 시의 분사 면적 조절을 용이하게 하나, 슬릿의 너비, 높이, 개수를 비롯한 열 배치 등 매우 다양한 기하적 변수를 가져 지금까지 관련 연구가 거의 수행되지 않았다. 이에 본 연구에서는 이러한 공백을 해소하고자 다중 슬릿형 가변추력 핀틀 분사기의 분사 조건과 추력 단계에 따른 분무특성과 연소특성을 파악하고 기초 데이터를 제공하는 것을 목표로 하였다. 기본적인 특성 파악을 위해 슬릿이 모두 동일한 열에 배치된 1열 배치를 선택하였으며, TRW의 선행 연구에서 가장 높은 연소효율을 보였던 조건인 운동량비 1을 기준으로 그보다 운동량비가 크고 작은 경우를 포함하여 3개의 핀틀 팁을 설계 및 제작하였다. 아울러, 최근 전 세계적으로 활발한 연구개발이 수행되고 있는 메탄엔진으로의 적용을 고려하여 기체-액체 추진제 조합을 사용하였다.
먼저, 다중 슬릿형 가변추력 기체-액체 핀틀 분사기의 분무특성을 넓은 운동량비 및 추력 단계 범위에서 실험적으로 탐구하였다. 추진제 대신 공기와 물을 모사 유체로 사용하였으며, 분무각, 2차원 분무 패턴, 3차원 분무 구조, 그리고 분무의 균일도를 분석하였다. 운동량 보존 법칙을 기반으로 본 분사기의 분무각을 분사 조건의 함수로 나타낼 수 있는 모델을 고안하였으며, backlight photography를 이용한 실험을 통해 해당 모델을 검증하고 선행 연구들의 분무각 모델 대비 우수성을 확인하였다. 추가로 2p-SLIPI 레이저 계측을 이용하여 분무의 단면을 가시화하였으며, 분무각에 따라 크게 분무 패턴과 분무 구조를 각각 세 종류로 분류할 수 있음을 확인하였다. 또한, 분무의 균일도 측면에서 가장 적절한 분무 구조와 이를 수반하는 분무각 범위를 제시하였다.
다음으로, 기체메탄과 액체산소를 추진제로 사용하는 다중 슬릿형 가변추력 기체-액체 핀틀 분사기의 연소특성을 수치해석적으로 탐구하였다. 수치해석의 신뢰성을 확보하기 위해 추력 단계에 따른 반경 방향 유동 각도와 평균 액적 크기를 수류실험 결과와 비교하여 검증하였고, 해당 수치해석 모델을 이용한 연소해석 결과를 기 확보된 연속형 핀틀 분사기의 고압 연소실험 결과와 비교 및 검증하였다. 연소특성으로는 특성속도효율로 대표되는 연소효율과, 핀틀 분사기 손상 문제와 관련된 핀틀 팁의 표면 온도를 주로 분석하였다. 본 연구의 실험 조건 범위 내에서는 운동량비가 작을수록, 즉 반경 방향 유동의 운동량이 작을수록 높은 연소효율이 나타남을 확인하였다. 또한, 수류실험 결과로부터 획득한 혼합 효율을 바탕으로 연소효율의 우열을 어느 정도 예측할 수 있음을 확인하였다. 핀틀 팁 표면 온도의 경우 운동량비에 따른 내부 유동장 구조의 영향을 크게 받으며, 운동량비가 1 부근일 때 가장 높은 핀틀 팁 표면 온도가 나타났다. 종합적으로 운동량비가 1보다 작은 조건에서 핀틀 분사기를 운용하면 높은 연소효율과 수용 가능한 핀틀 팁 표면 온도를 동시에 만족시킬 수 있음을 보였다. 다만, 이러한 특성은 분사기 형상뿐만 아니라 연소기 내경 등 연소기의 형상에도 영향을 받을 수 있으며, 운동량비를 계산하는 식은 문헌마다 크게 다르므로 주의하여 참고할 필요가 있다.
마지막으로, 슬릿의 개수가 아닌 다른 기하적 조건을 변경함으로써 분무특성과 연소특성의 개선을 시도하였다. 첫 번째 방법으로 슬릿을 두 개의 열에 번갈아 배치하는 방식을 적용하였으며, 2열 배치에 따른 혼합 성능의 증대를 얻었으나 반대급부로 저추력 단계에서 미립화 성능이 감소하는 결과를 얻었다. 따라서 슬릿의 2열 배치는 고추력 단계에서만 운용되는 로켓엔진에 한해 적용할 수 있을 것으로 판단하였다. 두 번째 방법으로는 슬릿의 개방 면적은 유지하되 슬릿 자체의 높이를 증가시켜 반경 방향 유동이 고추력 단계에서부터 축 방향으로 편향되어 흐르도록 하였다. 이 경우 저추력 단계에서는 기존 형상과 큰 차이가 없었으나, 고추력 단계에서는 혼합 성능과 미립화 성능이 모두 증가하는 효과를 얻을 수 있었다. 다만 위의 두 방법 모두 핀틀 팁 표면 온도의 증가를 야기하였으며, 연소효율을 높이기 위해 핀틀 팁 표면 온도를 함께 높이게 되는 상충관계에 놓여 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 슬릿의 2열 배치 및 슬릿의 높이 연장의 적용 여부는 핀틀 팁의 재질이나 냉각 방식을 고려하여 적절히 결정해야 할 것이다.
본 연구는 다중 슬릿형 가변추력 핀틀 분사기의 분무특성 및 연소특성을 종합적으로 다룬 최초의 사례로 볼 수 있으며, 해당 핀틀 분사기의 분무특성과 연소특성 사이의 관계를 일부 밝혔다는 점에서도 의의를 갖는다. 본 연구에서 제안된 분무각 예측 모델, 혼합 효율을 극대화하는 분무각 범위, 수류실험 결과를 이용한 연소효율 예측 모델 등은 향후 다중 슬릿형 가변추력 기체-액체 핀틀 분사기의 설계에 중요한 참고자료가 될 것으로 기대하며, 본 연구에서 고려되지 않은 슬릿의 기하적 변수나 연소기 형상 등의 영향에 대해서는 추가적인 탐구와 검증이 필요할 것이다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract
• Contents
• List of Figures
• List of Tables
• Nomenclature
• Chapter 1: Introduction
• Chapter 2: Experimental and Numerical Methodology
• 2.1 Pintle Injector Design
• 2.2 Experimental Conditions
• 2.2.1 Throttling mechanism
• 2.2.2 Mass flow rate
• 2.3 Experimental Setups
• 2.3.1 Backlight photography
• 2.3.2 Two-phase structured laser illumination planar imaging (2p-SLIPI)
• 2.4 Measurements
• 2.4.1 Spray angle
• 2.4.2 Droplet size
• 2.4.3 Spray pattern and structure
• 2.4.4 Spray uniformity
• 2.5 Numerical Simulation Conditions
• 2.6 Grid Independence Test
• Chapter 3: Spray Characteristics
• 3.1 Spray Angle
• 3.1.1 Radial flow
• 3.1.2 Axial flow
• 3.1.3 Spray angle
• 3.2 Spray Structure
• 3.2.1 2D spray pattern
• 3.2.2 3D spray structure
• 3.2.3 Spray uniformity
• 3.3 Summary of Ch. 3
• Chapter 4: Combustion Characteristics
• 4.1 Validation with Experimental Results
• 4.1.1 Radial flow angle
• 4.1.2 Droplet size
• 4.1.3 Combustion efficiency
• 4.1.4 Numerical simulation workflow
• 4.2 Fundamental Characteristics
• 4.2.1 Spray angle
• 4.2.2 Internal flow field
• 4.3 Combustion Efficiency
• 4.3.1 Effects of momentum ratio and throttling level
• 4.3.2 Correlation between results of cold flow experiment and numerical simulation
• 4.4 Thermal Characteristics
• 4.4.1 Types of internal flow field
• 4.4.2 Pintle tip surface temperature
• 4.5 Summary of Ch. 4
• Chapter 5: Geometrical Modifications
• 5.1 Effects of Slit Row Arrangement
• 5.1.1 Pintle tip design
• 5.1.2 Spray characteristics
• 5.1.3 Combustion characteristics
• 5.2 Effects of Slit Height
• 5.2.1 Pintle tip design
• 5.2.2 Spray characteristics
• 5.2.3 Combustion characteristics
• 5.3 Summary of Ch. 5
• Chapter 6: Conclusion
• Future Work
• References
• Abstract in Korean