An Investigation on Impeller Design of Electric Pump Cycle for Lander Rocket Engine

Abstract

With the growing interest in lunar exploration around the world and many landing missions being raised, it can be expected that demand for high-performance lander engines that play a key role in landing will increase. Meanwhile, with the advent of the New Space era, the economic feasibility of launch vehicle is emerging as an important topic. As a result, the electric pump system, which has the advantage of being easy to produce, easy to control, and cheap, is in the spotlight. As a result, research on electric pump cycle is becoming more active, but most of them are devoted to simulation research. Authors research group also manufactured electric pumps with different impeller shapes, but the performance measurement was not done. In this research, experimental study on the effect of the geometric shape of the pump on the propulsion system using the electric pump system was done. Sample lunar landing mission using an engine equipped with an electric pump was established to set evaluation criteria. In addition, it was investigated that lunar lander with electric pumps could significantly reduce dry mass of lander system, indicating that this mission configuration is affordable. The characteristics of pump systems were then measured experimentally. A closed loop test rig was built to measure the performance of the pump. The hydraulic performance, efficiency, and suction performance of different impellers are measured and compared. The comparison showed that the pressure rise of the small discharge angle impeller was low, but it showed higher efficiency and better suction performance. Finally, performance of electric pump at given mission was predicted and design trade-off was discussed.

세계적으로 달 탐사에 대한 관심이 뜨거워지며 착륙 임무가 다수 제기됨에 따라, 착륙에 핵심적인 역할을 수행하는 고성능 착륙선 엔진에 대한 수요가 늘어날 것이라 예상할 수 있다. 한편, New space 시대가 도래함에 따라 발사체의 경제성이 중요한 화두로 떠오르고 있다. 이에 따라 생산이 간편하며, 제어가 쉽고 가격이 저렴하다는 장점이 있는 전기펌프 시스템이 새로이 각광을 받고 있다. 이에 전기펌프 시스템에 관한 연구가 활발해지고 있으나 대부분 시뮬레이션 연구에서 그치고 있다. 본 연구 그룹에서도 서로 다른 임펠러 형상으로 전기펌프를 제작한 바 있으나 이들 펌프의 성능 측정은 이루어지지 못했다. 본 연구에서는 이미 보유한 전기펌프 시스템을 이용하여 펌프의 기하학적 형상이 추력기 시스템에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 먼저, 실험적 분석의 기준을 세우기 위해 전기펌프가 적용된 엔진을 활용한 달 착륙 임무를 구성하였다. 추가로, 전기펌프를 적용한 달 착륙선이 가압식 사이클을 적용하는 경우보다 착륙선의 건조중량을 크게 줄일 수 있어 이러한 임무 구성이 가능성 있음을 보였다. 이후 보유한 전기펌프 시스템의 특성을 실험적으로 측정하였다. 펌프의 성능을 측정하기 위해 closed loop 방식의 test rig를 구축하였다. 서로 다른 임펠러의 수력학적 성능, 효율, 흡입성능을 측정하여 비교하였다. 비교 결과 토출각이 작은 임펠러의 경우 더 낮은 압력상승을 보였으나 더 높은 효율과 더 좋은 흡입성능을 보였다. 최종적으로 임무 설계 지점에서의 펌프 성능을 예측하고 전기펌프 방식 엔진을 설계할 떄 고려해야 할 tradeoff 관계를 살펴보았다.