하이브리드 로켓용 파라핀 기반 혼합연료의 액막 및 액적 후퇴율에 관한 연구 = (A) Study on the Liquid Film and Entrainment Regression Rates of Paraffin-Based Hybrid Rocket Fuels

국문 초록 (Abstract)

기존의 파라핀 연료 후퇴율 모델은 주로 연료 표면에서의 기화(vaporization)와 액적 유입(entrainment)에 의한 물질전달을 기반으로 정의되어 왔다. 대표적으로 Karabeyoglu 등에 의해 제안된 모델에서는 파라핀 연료의 높은 후퇴율 특성을 액적 유입 메커니즘에 의해 설명하였으며, 전체 후퇴율은 기화 후퇴율과 유입 후퇴율의 합으로 표현되었다. 이러한 접근은 비교적 높은 산화제 질량유속 조건에서 파라핀 연료의 연소 거동을 설명하는 데 효과적이었으나, 연소 조건이 변화할 경우 적용 범위에 한계를 가진다.
본 연구에서는 기존 연구와 달리 산화제 질량유속을 상대적으로 낮은 범위까지 확장하여 파라핀 기반 혼합연료의 연소 거동을 실험적으로 관찰하였다. 그 결과, 저유속 조건에서 연료 표면에 형성된 액체층이 안정적인 액막 형태로 유지되며 연료 표면을 따라 유동하는 현상이 명확히 관측되었다. 이러한 액막 유동은 기존의 기화 또는 액적 유입 메커니즘으로는 충분히 설명될 수 없는 추가적인 물질전달 현상을 의미하며, 특히 저유속 영역에서 전체 후퇴율에 유의미한 영향을 미치는 것으로 나타났다.
또한 산화제 질량유속이 증가함에 따라 액막의 안정성이 점차 감소하였으며, 임계 질량유속(약 90 kg/m2·sec, 70 kg/m2·sec, 60 kg/m2·sec) 이상에서는 액막 구조가 유지되지 못하고 미세 액적으로 발달하는 현상이 관측되었다. 이 과정에서 액막에 의한 물질전달량은 감소하는 반면, 액적 유입에 의한 물질전달량은 급격히 증가하는 경향을 보였다. 이러한 결과는 파라핀 연료의 후퇴율이 단일한 물질전달 메커니즘에 의해 지배되지 않으며, 산화제 질량유속에 따라 후퇴율에 지배적인 영향을 미치는 물질전달 메커니즘이 변화함을 의미한다.
이와 같은 실험적 관찰과 정량적 분석을 바탕으로, 본 연구에서는 파라핀 기반 혼합연료의 후퇴율을 기화 후퇴율, 유입 후퇴율 및 액막 후퇴율의 세 가지 구성 요소로 분리하여 정의하고, 각 구성 요소에 대한 후퇴율 모델을 제시한다. 기화 후퇴율은 연료 표면에서의 열전달에 의해 발생하는 순수한 기화 현상에 기인하며, 유입 후퇴율은 산화제 유동에 의해 형성된 액적이 연소 영역으로 유입되면서 발생하는 물질전달에 의해 결정된다. 한편, 액막 후퇴율은 연소 과정 중 연료 표면에 형성된 액체층이 연료 표면을 따라 유동하는 물질전달 메커니즘을 의미한다.
본 연구에서는 각 후퇴율 성분에 대해 실험 데이터를 기반으로 한 모델을 도출하고 이를 통해 파라핀 기반 혼합연료의 후퇴율 거동을 정량적으로 해석하였으며, 파라핀 기반 혼합연료의 전체 후퇴율을 제시하였다.
제안한 파라핀 기반 혼합연료의 후퇴율 모델과 연소 데이터를 비교한 결과, 저유속 조건에서는 액막 후퇴율이 전체 후퇴율에 지배적인 영향을 미치는 반면, 산화제 질량유속이 증가함에 따라 액막 후퇴율의 기여도는 감소하고 유입 후퇴율의 기여도가 급격히 증가하는 경향이 확인되었다. 이러한 지배 메커니즘의 변화는 실험 결과와 후퇴율 모델 모두에서 일관되게 나타났으며, 본 연구에서 제안한 후퇴율 분리 모델이 파라핀 기반 혼합연료의 연소 거동을 물리적으로 타당하게 설명할 수 있음을 시사한다.
결과적으로, 본 연구에서 제안한 파라핀 기반 혼합연료의 후퇴율 모델은 기존의 기화 및 유입 후퇴율 모델을 확장하여, 저유속 조건에서 지배적인 영향을 미치는 액막에 의한 후퇴율을 명시적으로 포함한다. 이를 통해 본 모델은 다양한 산화제 질량유속 조건에서 파라핀 연료의 특유한 연소 거동을 보다 포괄적으로 설명할 수 있으며, 향후 파라핀 기반 연료의 연소 모델링 및 추진기관 설계 시 유속 조건에 따른 파라핀 기반 혼합연료의 연소 거동을 이해하는 데 활용될 수 있다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 (Introduction) 16
• 1.1 연구 배경 (Research Background) 16
• 1.2 연구 동향 (Literature Review) 24
• 1.3 연구 목표 및 개요 (Research Objective and Outline) 27
• 제 2 장 이론적 배경(Theoretical Background) 28
• 2.1 하이브리드 로켓 추진시스템의 연소 메커니즘 (Combustion Mechanism of Hybrid Rocket Propulsion System) 28
• 2.2 파라핀 연료의 연소 메커니즘 (Combustion Mechanism of Paraffin Fuel) 32
• 2.3 파라핀 연료의 액막 후퇴율 (Liquid Film Regression Rate of Paraffin Fuel) 34
• 제 3 장 실험 장치 및 조건(Experimental Setup and Conditions) 36
• 3.1 연소시험 설비(Test Facility) 36
• 3.2 Slab-burner 하이브리드 모터(Slab-burner Hybrid Motor) 37
• 3.3 실험 조건(Test Conditions) 39
• 3.4 파라핀 기반 혼합연료의 후퇴율 측정법(Measurement Method for the Regression Rate of Paraffin-based Mixed Fuels) 40
• 3.5 파라핀 연료 기화 및 유입 후퇴율 구분법(Method for Separating Vaporization and Entrainment Regression Rates of Paraffin Fuel) 41
• 제 4 장 결과 및 분석(Results and Discussion) 43
• 4.1 파라핀 기반 혼합연료의 기초 물성치 연구(Study on the Fundamental Properties of Paraffin-based Mixed Fuels) 43
• 4.2 파라핀 기반 혼합연료의 후퇴율(Regression Rates of Paraffin-based Mixed Fuels) 48
• 4.3 파라핀 기반 혼합연료의 액막 후퇴율(Liquid Film Regression Rates of Paraffin-based Mixed Fuels) 54
• 4.4 파라핀 기반 혼합연료의 기화 및 유입 후퇴율(Vaporization and Entrainment Regression Rates of Paraffin-based Mixed Fuels) 57
• 4.5 파라핀 기반 혼합연료의 유입 후퇴율(Entrainment Regression Rates of Paraffin-based Mixed Fuels) 65
• 4.6 파라핀 기반 혼합연료의 후퇴율 모델(Regression Rate Model of Paraffin-based Mixed Fuel) 70
• 제 5 장 결론(conclusion) 72
• 참고문헌 75
• ABSTRACT 78