재생냉각 챔버 제작용 구리합금의 열처리 전후 성형성 평가

유철성(Chul-Sung Ryu),이금오(Keum-Oh Lee),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.12

액체로켓 연소기의 재생냉각 챔버의 제작에 사용되는 구리합금의 성형성을 돔 장출 시험과 인장시험을 수행하여 평가하였다. 성형성 평가에 사용된 시편은 열처리 유무와 재료의 방향성을 고려하여 제작하여 고온 열처리와 재료의 방향성이 성형성에 미치는 영향을 평가하였다. 시험 결과 열처리 후 구리합금 재료의 성형한계 값은 열처리 전 시편의 성형한계 값에 비하여 증가하였으나, 시편의 제작 방향에 따른 성형성의 차이는 열처리 영향에 비하여 작게 나타났다. 그리고 성형성 평가 시험방법에 따라 성형한계 값이 다르게 나타났다. 이러한 결과들로부터 연소기 재생냉각 챔버의 내측구조물에서 실린더 형상의 구조물을 벌징 공정으로 네킹이나 파손 없이 노즐 형상으로 성공적으로 성형하기 위해서는 벌징 전 재료에 대한 고온열처리가 매우 중요함을 확인하였다. 또한 시험방법이 성형성 평가에 크게 영향을 미치는 것을 확인하였다. 본 연구를 통하여 얻은 구리합금의 성형한계도는 이 재료를 사용하여 제작하는 연소기 재생냉각 챔버 노즐의 구조설계를 위한 데이터로 활용할 예정이다. Dome stretching tests and tension tests were performed to evaluate the formability of a copper alloy used for manufacturing the regenerative cooling chamber. The test specimens were prepared to investigate the effect of heat treatment and direction of specimens on the formability. The test results show that forming limit values are increased by the heat treatment of the material but the variation of the forming limit values by manufacturing direction is negligible compared to the heat treatment effect, and forming limit values are also different according to the test methods. These results indicate that the high temperature heat treatment of the material before bulging is a very important process to deform the inner cylindrical structure of the regenerative cooling chamber into a nozzle shape by the bulging process without necking or fracture and the test methods also have a great effect on a evaluation of the formability. The forming limit diagram obtained in this study would be utilized to the design of regenerative cooling chamber nozzles.

열차폐 코팅이 재생냉각 챔버에 미치는 열/구조적인 영향

유철성(Chul-Sung Ryu),이금오(Keum-Oh Lee),김홍집(Hong-Jip Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

재생냉각형 액체로켓 연소기 챔버에서 열차폐 코팅이 미치는 열/구조적인 영향에 대하여 유한요소 해석을 통하여 고찰하였다. 열차폐 코팅은 현재 개발하고 있는 연소기에 사용되는 NiCrAlY-ZrO2과 향후 적용할 가능성이 있는 Ni-Cr 두 종류를 적용하였다. 열/구조해석 결과 NiCrAlY-ZrO2 코팅이 Ni-Cr 코팅에 비하여 열차폐에 의한 온도감소 효과가 크게 나타났다. 결과적으로 냉각채널의 온도와 변형 또한 NiCrAlY-ZrO2 코팅을 적용하였을 때 Ni-Cr 코팅보다 감소하였다. 외측구조물의 구조안정성에 있어서 Ni-Cr 코팅이 미치는 영향은 없었으나, NiCrAlY-ZrO2 코팅은 외측구조물의 유효응력을 감소시켜 챔버의 구조안정성을 증가시켰다. A study has been performed to investigate the thermo-mechanical effects of thermal barrier coating on liquid rocket regenerative cooling chamber using finite element analysis. Two kinds of thermal barrier coatings were studied on the same loading condition: first, NiCrAlY-ZrO2, coating which is currently applied to the developing combustion chamber and second, Ni-Cr coating which might be applied in the future. Analysis results showed that NiCrAlY-ZrO2 coating has better decreasing effect of temperature than the Ni-Cr coating. As a results, temperature and deformation of the cooling channel in the NiCrAlY-ZrO2 coating were also less than those of the Ni-Cr coating. The Ni-Cr coating has no effect on a structural stability of the outer jacket but the NiCrAlY-ZrO2 coating reduced the effective stress of the outer jacket and enhanced the structural stability of the chamber.

재생냉각 연소기 챔버 제작용 구리합금의 성형성 평가

유철성(Chul-Sung Ryu),이금오(Keum-Oh Lee),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국항공우주학회 2009 韓國航空宇宙學會誌 Vol.37 No.9

액체로켓 연소기 재생냉각 챔버의 제작에 사용되는 구리합금의 성형한계 곡선을 얻기 위하여 돔 장출 시험과 인장시험을 수행하였다. 성형한계 곡선에 대한 실험적인 연구를 위하여 인장시편을 사용하여 인장-압축 변형률 상태의 데이터를 얻었으며, 인장-인장의 변형률 상태를 얻기 위하여 돔 장출 시험용 시편을 사용한 돔 장출 시험 또한 수행하였다. 시험에 사용한 모든 시편은 제작방향에 따라 종 방향과 횡 방향시편으로 구분하였다. 시험 결과 인장-인장 변형률 상태에서 최대 주 변형률과 부 변형률은 62.3%와 58.6%이며, 인장-압축 상태에서는 60.5%와 25.8%로 나타났다. The dome stretching tests and tension tests have been performed to obtain a forming limit curve(FLC) for the copper alloy which is used for manufacturing the regenerative cooling thrust chamber. For experimental investigation of the forming limit curve, we have used in-plane tension specimen to obtain tension-compression strain state as well as out-of-plane specimen to obtain tension-tension strain state through dome stretching test. All specimens were divided into longitudinal and transverse directions according to the orientation of test specimen. The test results showed that in the tension-tension region, copper alloy revealed a maximum major strain of 62.3% and a maximum minor strain of 58.6%. In the tension-compression region, the maximum major strain and the maximum minor strain were measured to be 60.5% and 25.8%, respectively.

액체로켓엔진 노즐확장부 소재기술 동향

이금오(Keum-Oh Lee),유철성(Chul-Sung Ryu),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국항공우주연구원 2011 항공우주산업기술동향 Vol.9 No.1

액체 로켓 엔진의 연소기는 높은 온도의 연소가스를 발생시키므로 연소실과 노즐은 열적으로 보호되어야 한다. 고공 엔진의 노즐확장부도 고열에 견딜 수 있게 설계되어야 하며, 이를 위하여 가스냉각, 삭마냉각, 복사냉각 등 다양한 방법의 냉각이 적용되고 있다. 특히 큰 노즐 팽창비를 갖는 상단 엔진의 경우 무게가 발사체 성능에 미치는 영향이 크므로 경량 내열 소재가 개발되어 사용되어 왔다. 미국과 러시아, 유럽에서 사용되어 온 노즐확장부 재료를 조사한 결과 스테인리스강과 티타늄 합금과 같은 무거운 금속 재료에서 경량의 탄소섬유 강화 복합재 또는 세라믹 복합재로 바뀌어 가는 경향이 파악되었다. The combustion chamber and nozzle of a liquid rocket engine need thermal protection against the high temperature combustion gas. The nozzle extension of a high-altitude engine also has to be compatible with high temperature environment and several kinds of cooling methods including gas film cooling, ablative cooling and radiative cooling are used. Especially for an upper-stage nozzle extension having a large expansion ratio, the weight impact on the launcher performance is crucial and it necessitated the development of light-weight refractory material. TI1e present survey on the nozzle extension materials employed in the liquid rocket engines of USA, Russia and European Union has revealed a trend that the heavier metals like stainless steels and titanium alloys are being substituted with light weight carbon fiber or ceramic matrix composite materials.

연소기 적용 전해니켈/크롬도금 공정개발을 위한 시편시험

임병직(Byoungjik Lim),유철성(Chul-Sung Ryu),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.5

고온, 고압의 조건에서 작동하는 연소기 내벽을 보호하기 위해 적용되는 니켈/크롬코팅에 대한 적용 가능성과 성능을 평가하기 위해 3가지 코팅 조건으로 9개의 평판형 시편을 제작하였다. 제작된 시편을 이용하여 코팅 층 두께 측정, 열전도율을 측정하고 열충격시험을 수행하고 있다. A total of 9 coating specimens were fabricated through 3 different processes to evaluate the availability and performance of a nickel/chrome coating for the protection of the inner wall of a thrust chamber operating on a condition of high temperature and pressure. Thickness and thermal conductivity of the specimens were measured and thermal shock test was conducted.

액체로켓엔진 연소기 열차폐코팅 내구성 시험 기술동향

이금오(Keum-Oh Lee),유철성(Chul-Sung Ryu),임병직(Byoung-Jik Lim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

액체로켓 연소기에 사용되는 열차폐코팅(TBC)의 내구성 시험 기술동향을 조사하였다. 표면 접합력 측정을 위한 기계적 시험, 레이저나 가열로, 버너나 플라즈마 등을 이용한 열피로 시험, 분사기를 이용한 소형 연소시험, 열적 기계적 피로시험 등의 많은 내구성 시험들이 있었다. 연소기에 사용하기 위해 이러한 시편 수준의 시험을 통해 내구성이 확보된 TBC를 결정할 수 있으며, 실제 연소시험을 통해 내구성을 검증할 수 있다. Durability testing method trends of the thermal barrier coating(TBC) for the combustion chamber of the liquid-propellant rocket engine has been investigated. Many types of the durability testing method such as the mechanical tests to measure surface cohesion force, the thermal fatigue tests with laser, furnace, burner or plasma, the small scale combustion tests using injectors, and the thermo-mechanical fatigue tests were observed. The TBC with sufficient durability can be selected for the use of combustion chamber through such specimen-level tests and the durability can be verified by the tests using the real scale combustion chambers.

액체로켓엔진 연소기 열차폐코팅 내구성 시험 기술동향

이금오(Keum-Oh Lee),유철성(Chul-Sung Ryu),임병직(Byoung-Jik Lim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회지 Vol.17 No.1

Durability testing method trends of the thermal barrier coating(TBC) for the combustion chamber of the liquid-propellant rocket engine have been investigated. Many types of the durability testing method such as the mechanical tests to measure surface cohesion force, the thermal fatigue tests with laser, furnace, burner or plasma, the small scale combustion tests using injectors, and the thermo-mechanical fatigue tests were observed. The TBC with sufficient durability can be selected for the use of combustion chamber through such specimen-level tests and the durability can be verified by the tests using the real scale combustion chambers.

액체추진 엔진 연소실용 구리합금의 강도향상 연구

이금오(Keum-Oh Lee),유철성(Chul-Sung Ryu),허성찬(Seong-Chan Heo),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12

연소실 구리합금의 피로수명 예측

이금오(Keum-Oh Lee),유철성(Chul-Sung Ryu),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회지 Vol.15 No.2

A study of the fatigue life of copper alloy which was used in inner jacket of regenerative cooling chamber of liquid rocket engine has been performed. Generally used life prediction methods -original universal slopes method, modified universal slopes method, Mitchell’s method, Baumel and Seeger’s method, and Ong’s method- have been used for predicting the fatigue data. It was found that the novel life prediction method which was modified from Ong’s method was suggested since almost all data have not been predicted well with the widely used methods. The suggested modified Ong’s method predicted well within 3X scatterbands.

액체로켓 연소기 노즐확장부 제작 및 재료 기술 동향

이금오(Keum-Oh Lee),유철성(Chul-Sung Ryu),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회지 Vol.16 No.3

The combustion chamber and nozzle of a liquid rocket engine should be protected from the high temperature combustion gas generated by the chamber. An upper-stage nozzle extension has a large expansion ratio, therefore, The light-weight refractory materials have been used since the weight impact on the launcher performance is crucial. Gas film cooling method was used before, but was not applicable nowadays. Ablative cooling method and radiative cooling method with niobium alloy, Ni-based superalloy and ceramic based composite have been used to this day.