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임병직(Byoungjik Lim),김철웅(Cheulwoong Kim),이금오(Keum-Oh Lee),이기주(Keejoo Lee),박재성(Jaesung Park),안규복(Kyubok Ahn),남궁혁준(Hyuck-Joon Namkoung),윤영빈(Youngbin Yoon) 한국추진공학회 2020 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.11
최근 발사체 개발의 큰 흐름을 살펴보면, 친환경, 저비용, 재사용, 심우주 탐사를 위한 저장성, 외부행성에서의 추진제 확보 가능성 등의 이유로 액체 메탄이 로켓 연료로 각광 받기 시작했다. 이미 메탄엔진의 개발을 완료한 기업도 있으며 전반적으로는 많은 국가와 기업이 메탄엔진의 신규 개발에 나선형국이다. 재사용 발사체 기술의 보편화, 국제적인 엔진개발 추세에 발맞춰 미래의 경쟁력과 임무 유연성을 확보하려면 엔진 개발 기간 등을 고려해서 가능한 빨리 메탄엔진 개발을 추진해야 하며, 제작 및 시험 인프라, 활용성, 개발 비용 등을 종합적으로 고려하면 부스터 엔진보다 저추력 엔진을 선행 개발하는 것이 더 적절한 것으로 판단된다. Selecting liquid methane as fuel is a prevailing trend for recent rocket engine developments around the world, triggered by its environment-friendliness, affordability, reusability, storability for deep space exploration, and prospect for in-situ resource utilization. A few companies in the forefront of advancing rocket engine technology have already completed the development of lox-methane engines, and a number of entities from both private and public sectors are actively pursuing the development of so-called methane engine. Given years of time required for acquiring a new rocket engine, a national-level R&D program to develop a methane engine is highly desirable at the earliest opportunity in order to catch up with this worldwide trend towards reusing launch vehicles for competitiveness and mission flexibility. In light of the monumental cost associated with development, fabrication, and testing of a booster stage engine, it is strategically a prudent choice to start with a low-thrust engine and build up space application cases.
산업용 유량제어밸브를 이용한 7톤급 액체로켓엔진 가스발생기 연소시험
임병직(Byoungjik Lim),김현준(Hyeon-Jun Kim),김문기(Munki Kim),김종규(Jonggyu Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12
7톤급 액체로켓엔진 가스발생기 연소시험설비에 공급 유량을 변화시킬 수 있는 산업용 유량제어밸브를 설치하였다. 설비 수류시험을 통해 유량제어밸브의 작동 특성을 확인하였다. 수행된 2회의 연소시험은 각각 1회 점화를 통해 3곳의 가스발생기 작동조건에서 시험이 이루어지도록 구성되었으며, 각 작동영역에서 10초 정도의 정상구간을 확보할 수 있도록 사이클로그램을 설정하였다. 2회 시험을 통해 개선되어야 할 사항들이 있지만, 산업용 제어밸브를 이용한 가스발생기의 다중점 연소시험 가능성은 확인하였다. Industrial flow control valves were installed to change the propellant flow rate in the combustion test facility for the gas generator of a 7 tonf class liquid rocket engine. And then their operating characteristics were investigated through cold flow tests. Two combustion tests were conducted in such a way that 3 operating conditions were covered in one ignition firing, and cyclogram was set to ensure 10 seconds steady state period for each condition. From two tests, it shows the possibility of combustion test for multiple operating conditions although there are a few things to be improved.
터빈 매니폴드 모사장치를 이용한 액체로켓엔진 가스발생기 연소시험
임병직(Byoungjik Lim),김문기(Munki Kim),김종규(Jonggyu Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5
개방형 사이클의 액체로켓엔진에서는 추진제 중 일부를 연소시켜 터빈 구동용 가스를 생성시키는 가스발생기가 사용되며, 개방형 사이클 액체로켓엔진의 주요 구성품으로서 가스발생기 자체의 연소성능 및 특성을 파악하기 위한 연소시험이 요구된다. 하지만, 가스발생기에서 생성된 연소가스는 터빈 매니폴드의 터빈 노즐에서 질식이 이루어지기 때문에 가스발생기뿐만 아니라 터빈 매니폴드 내부 부피를 고려해야만 가스발생기의 연소 성능 및 특성, 그리고 음향 특성을 정확히 파악할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 터빈 매니폴드 모사장치를 이용한 가스발생기 연소시험 결과를 기술하고 가스발생기 단독연소시험 결과를 이용한 특성 예측을 설명한다. A Gas generator which generates turbine driving gas by burning a part of propellants is used in an open cycle liquid rocket engine and as a main component of an open cycle liquid rocket engine autonomous hot firing tests are required to investigate the combustion performance and characteristics of the gas generator. However, since the combustion gas generated by a gas generator is choked at the turbine nozzle in the turbine manifold, it is necessary to consider the internal volume of turbine manifold as well as a that of the gas generator for correct investigation of the combustion performance, characteristics, and acoustic characteristics of the gas generator. Therefore, in the paper hot firing test results of a gas generator with a turbine manifold simulator are described and characteristic prediction using the autonomous test of a gas generator is explained.
안전이격거리 설정을 위한 저장식과 이동식 수소충전소 제트누출의 수치해석적 연구
박병직(Byoungjik Park),김진현(Jinhyun Kim),임옥근(Ohk Kun Lim),김양균(Yangkyun Kim) 한국화재소방학회 2021 한국화재소방학회논문지 Vol.35 No.6
수소 고압 설비에서 제트누출(jet release)사고가 발생되어, 즉시 점화가 되면 제트화재(jet fire)가 발생하며, 지연점화가 이루어지면 폭발(explosion)사고로 이어질 수 있기 때문에 누출되지 않도록 관리하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 저장식 수소충전소와 이동식 수소충전소의 수소저장탱크에서 제트누출 사고가 발생한 경우에 수소 설비 주변의 수소 체적분율 변화와 가연영역을 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 기반의 모델을 활용하여 분석하였다. 저장식 수소충전소는 벽면 상단에 있는 개구부를 통해서 외부로 확산되었으며, 이동식 수소충전소는 구조적인 형태로 인해 윙바디(wing body) 아랫부분에 일부 누출된 수소가 정체되었다. 제트 누출이 발생한 10 s 후에 대부분의 수소설비는 수소 가연영역에 포함되었으며, 가연거리는 이동식 수소충전소가 저장식 수소충전소에 비해 30s 이후부터는 약 2배 정도 길게 계산되었다. High-pressure hydrogen facilities are prone to jet release accidents. In the cases of immediate ignition, jet fire occurs,and delayed ignition can lead to explosion accidents. Therefore, its management is crucial to avoid leakage. In this study,the change in volume fraction of hydrogen and the flammable area around the hydrogen facility were calculated using acomputational fluid dynamics model, for the cases of jet release accident in a hydrogen storage tank of off-site hydrogenrefueling station and a mobile hydrogen refueling station. The leakage at the off-site hydrogen refueling station was throughthe opening at the top of the wall. The mobile hydrogen refueling station had hydrogen stagnated in the lower part of thewing body due to the wing body. Most of the hydrogen facilities were included in the hydrogen flammable zone after 10s of the jet release. Further, after 30 s, the flammable distance was calculated to be approximately twice for of a mobilehydrogen refueling station as compared to a storage type hydrogen refueling station.
임병직(Byoungjik Lim),김문기(Munki Kim),김현준(Hyeon-Jun Kim),강동혁(Donghyuk Kang),김종규(Jonggyu Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2014 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2014 No.5
한국형발사체 1, 2단에 사용되는 75톤급 액체로켓엔진 가스발생기 개발시제 3기를 이용한 연소시험 결과를 기술하고 엔진시스템 요구조건과 비교하여 그 적합성을 평가하였다. Combustion test results were described of the 3 development test articles of the gas generator for a 75 tonf-class liquid rocket engine which is the component of the 1st and 2nd stage of the Korea Space Launch Vehicle II and the conformance with the engine system requirements was evaluated.
박병직(Byoungjik Park),김양균(Yangkyun Kim) 한국화재소방학회 2021 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2021 No.추계
전 세계적으로 탄소저감의 중요성을 인식하고 관련 정책을 제시하고 있다. 이에 따라 우리나라도 수소법(수소경제 육성 및 수소 안전관리에 관한법률, 산업통상자원부, 2021)을 근거로 하여 수소사회로 급속하게 전환하려 하고 있다. 세계 자동차 업계에서는 전기차를 넘어 자율주행 및 수소자동차(FCEV, Fuel Cell Vehicle)로 변화하고 있다. 우리나라는 세계적인 수준의 자동차관련 기술을 갖고 있으며, 친환경 자동차 연구 기술개발을 통하여 수소자동차를 국내외 보급하고자 한다. 우리나라의 수소차 보급대수는 약 15,000대(2021년 7월 기준)이며, 친환경자동차(하이브리드차 및 전기차 포함) 중에 1.57%를 차지하고 있으며, 2040년까지 수소차 620만대, 수소충전소 1200개소의 수소모빌리티 보급 계획(수소경제 활성화 로드맵, 산업통상자원부, 2019)을 갖고 있다. 수소가스는 넓은 가연범위(4~75%)를 갖고 있으며, 정전기로 인하여 폭발(Explosion)이 가능하고 제트화염(Jet Fire) 발생시 화염온도가 4800℃까지 상승이 가능하다. 수소자동차는 이러한 위험요소가 있는 수소가스를 고압(700 bar)으로 사용하기 때문에 안전밸브(Relief Valve), 온도감응식 압력안전장치(TPRD, Thermally-Activated Pressure Relief Device) 등의 안전장치가 수소자동차에 설계되어 있다. 대부분의 운전자, 관리자, 소방관 들은 수소폭탄의 재료로 사용되었던 수소가스를 연료로 하는 수소자동차의 안전성에 대해서 부정적인 의견을 갖고 있으며, 수소자동차의 안전성을 높이기 위하여 현재 사용화 수소자동차의 안전도를 확인하고, 제트화염 및 폭발 사고 발생시 복사열 (Heat flux) 및 과압(Peak overpressure)에 대한 안전거리를 확인하여 안심하고 수소자동차를 사용하는 방안 제시가 필요하다. 본 실험은 국내 상용 수소자동차인 넥쏘(NEXO)를 대상으로 햅탄 버너를 사용하여, TPRD가 제거된 차량 하부의 탱크(700 bar) 내부의 압력을 상승시켜 폭발사고를 발생시켰으며, 열전대(Thermo couple) 및 압력계를 사용하여 온도 및 압력을 계측하였다. 실험결과를 통하여 수소자동차 사고발생시 안전이격거리를 제시하여 보다 안전하게 수소자동차를 사용할 수 있도록 제안하였다.