액체로켓 연료 탱크 내부의 슬로싱이 연료 배출에 미치는 영향에 대한 수치적 분석

Abstract

본 연구는 발사체의 재점화 과정 중 추진제 탱크 내부에서 발생하는 슬로싱이 배출 유동에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 슬로싱 움직임에 대한 변수인 탱크 내 상경계면의 초기 위치와 추력 가속도를 연구 파라미터로 설정하였고, 재점화 과정에서 발생할 수 있는 환경을 고려해 파라메트릭 연구를 수행 하였다. 전산 해석을 통한 연구 결과는 해석 조건 별 상경계면과 증기 흡입 현상 분석, 배출관에서 발생하는 속도/압력 변동 측면에서 분석하였다. 발사체 배출 과정에서 발생할 수 있는 증기상 흡입 현상은 추력 크기가 작을수록, 상경계면 높이가 낮을수록 쉽게 발생하였다. Dip 이 발생하는 경우 슬로싱은 상경계면을 주기적으로 낮아지게 하는 효과를 주기 때문에 증기 흡입 시간이 짧아지고, 가용 산화제 잔량이 줄어드는 결과를 보였다. 슬로싱에 의해 배출관 단면에서 나타나는 속도 변동의 경우 펌프 수두/토크 성능 악화와 펌프 축에 대한 횡방향 힘을 유효하게 발생시킬 것으로 예상되었다. 또한 압력 변동의 경우 펌프 가동에 의해 발생하는 압력 진동의 스케일과 비교하였을 때 슬로싱에 의한 압력 변동의 스케일이 작기 때문에 펌프 성능에 슬로싱이 직접적으로 영향을 미치지는 못할 것으로 분석되었다.

The present study was conducted to investigate the effect of sloshing in the propellant tank on the discharge flow during re-ignition of the space vehicle. The initial position of phase interface in the tank, which is variable for sloshing motion, and thrust acceleration were set as the parameter for this study. A parametric study was performed considering the condition that may occur during re-ignition. The results of computational analysis were analyzed in terms of phase interface, vapor ingestion phenomenon, and velocity/pressure fluctuations in the discharge pipe. The vapor ingestion, which can develop during the propellant discharge, occur easily with smaller thrust and lower boundary surface height. When dip occur at the face interface, sloshing had the effect of lowering the phase interface periodically, resulting in a shorter vapor ingestion time and less usable residual propellant. The velocity fluctuations in the discharge pipe cross section due to sloshing were expected to generate a pump head/torque performance and a lateral force on the pump shaft meaningfully. In addition, in the case of pressure fluctuations, sloshing did not directly affect pump performance because the scale of pressure fluctuations due to sloshing is small compared to the scale of one caused by pump operation.