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극저온 공통격벽 추진제 탱크의 열-구조 연계 해석을 위한 모델링 방법 연구
최동국,이수용 한국항공우주학회 2023 韓國航空宇宙學會誌 Vol.51 No.11
공통격벽 추진재 탱크는 산화제 탱크와 연료 탱크가 병합된 일체형 구조로써, 분리형 추진제 탱크에 비하여 구조 및 공간 효율이 좋다는 장점이 있다. 그러나 공통격벽 탱크는 산화재와 연료가 공통격벽으로 분리되어 있어 공통격벽을 통해 열전달이 발생하며, 공통격벽의 열전달은 탱크의 구조적 안전성이 저하되는 원인이 된다. 본 연구에서는 극저온의 액체수소/액체산소를 추진제로 사용하는 공통격벽 추진제 탱크의 좌굴 특성을 분석하였다. 공통격벽 탱크의 열 하중과 공통격벽의 폼코어 두께에 따른 좌굴 특성을 분석하기 위하여 열-구조 연계 해석을 수행하였다. 극저온의 추진제에 의한 탱크의 온도분포를 해석하기 위하여 열전달 해석을 수행하였다. 열 해석을 통해 얻은 온도분포를 탱크의 열 하중으로 적용하여 좌굴 해석을 수행하였다. 열-구조 해석 결과, 열 하중에 의해 공통격벽 탱크의 좌굴 하중 계수가 감소하였고, 최대 좌굴 하중 계수가 나타나는 폼코어의 두께가 감소하였다. 최종적으로 공통격벽 추진제 탱크의 설계 시 열 하중이 고려되어야 함을 확인하였다. Common bulkhead (CBH) propellant tanks have an integrated structure in which an oxidizer tank and a fuel tank are merged, and have advantage in that the structural and space efficiency are better than the separate type propellant tanks. However, in the CBH tanks, heat transfer occurs through the CBH because oxidizer and fuel are separated by the CBH. The heat transfer of the CBH is a causes of reducing the structural safety of the tank. In this study, the buckling characteristics of a CBH propellant tank containing cryogenic liquid hydrogen/liquid oxygen were analyzed. A thermal-structural analysis was performed to analyze the buckling characteristics according to the thermal load of the tank and the foam core thickness of the CBH. A heat transfer analysis was carried out to obtain the temperature distribution of the tank by the cryogenic propellant. As the results of thermal-structural analysis, the buckling load factors of the CBH tank were decreased due to thermal loads, and the foam core thickness with the maximum buckling load factor was decreased. Finally, it was confirmed that thermal loads should be considered in designing the common bulkhead propellant tanks.
액체수소 충전 비율에 따른 액체수소 연료탱크의 내부 압력 거동 비교
최동국,이수용 항공우주시스템공학회 2024 항공우주시스템공학회지 Vol.18 No.3
수소는 매우 낮은 밀도를 갖기 때문에 화석연료와 동일한 수준의 에너지량을 저장하기 위해서는 기존과 다른 저장방식이 요구된다. 수소의 밀도를 높이는 방법으로는 수소를 액화하여 저장하는 방법이 있다. 하지만, 수소의 액화온도는 –252 ℃의 극저온이기 때문에 외부 열 유입에 의해 쉽게 기화된다. 액체수소가 기화되면 탱크 내부의 압력이 증가되는 자가증압 현상을 발생하므로, 탱크 설계 시 이 상승하는 압력을 잘 예측해야 한다. 따라서, 본 논문에서는 극저온 액체수소 연료탱크의 액체수소 충전 비율에 따른 내부 압력을 예측하였다. 탱크 내부의 압력 상승을 예측하기 위하여 1차원 열역학적 모델을 적용하였다. 열전달 모델은 열 유입, 액체수소의 기화, 연료 배출에 현상이 고려되었다. 최종적으로 연료탱크 내의 액체수소의 충전 비율에 따라 압력 상승 거동과 최대 상승 압력에 큰 차이가 있음을 확인하였다. Because hydrogen has very low density, a different storage method is required to store the same amount of energy as fossil fuel. One way to increase the density of hydrogen is through liquefaction. However, since the liquefied temperature of hydrogen is extremely low at −252 ℃, it is easily vaporized by external heat input. When liquid hydrogen is vaporized, a self-pressurizing phenomenon occurs in which the pressure inside the hydrogen tank increases, so when designing the tank, this rising pressure must be carefully predicted. Therefore, in this paper, the internal pressure of a cryogenic liquid fuel tank was predicted according to the liquid hydrogen filling ratio. A one-dimensional thermodynamic model was applied to predict the pressure rise inside the tank. The thermodynamic model considered heat transfer, vaporization of liquid hydrogen, and fuel discharging. Finally, it was confirmed that there was a significant difference in pressure behavior and maximum rise pressure depending on the filling ratio of liquid hydrogen in the fuel tank.