액체로켓 탱크 내부 유동 해석

우주 발사체 탱크 내부 유동 연구

액체 로켓의 추진제/산화제로는 대부분 극저온 유체가 사용된다. 극저온 유체는 비등점이 낮기 때문에, 탱크에 작용하는 다양한 열원으로 인해 발사체의 이륙 직후부터 액체 연료와 기체상 사이의 열 교환과 질량 교환이 지속적으로 발생한다. 또한 발사체의 발사 궤적과 미션에 따라 다양한 중력 환경이 작용하며, 안정적인 추진제/산화제의 사용을 위해 탱크 내부로의 가압이 이루어지기도 한다. 이와 같이 발사체 탱크에 작용하는 다양한 외부 요인으로 인해 탱크 내부의 추진제/산화제는 3차원의 복잡한 물리적 거동을 보이며, 발사체의 시퀀스에 따라 추진제/산화제의 가용 잔량이 변화한다. 따라서 발사체의 성공적인 임무수행을 위해 추진제/산화제의 요구 잔량과 탱크 내부의 유동을 예측하는 것은 매우 중요하다. ASDL에서는 산화제 탱크 내부 유동을 해석하기 위해 개발한 유동 해석 프로그램을 통해 다음과 같은 연구를 수행 하고 있다.

가압 가스 주입에 의한 탱크 가압

NASA Stennis Space Center의 E-1 test facility에 설치된 산소 탱크에 가압제가 주입되는 경우를 해석하였다. 구형 단열 탱크 내부에 액체 산소가 90%, 기체 산소가 10% 채워져 있는 상황에서 고온의 가압제가 방사형으로 주입되는 경우이다. 이를 무중력 조건에서 1초까지 해석한 결과를 보면, 가압제가 주입됨에 따라 vortex가 생기고 길어지다가 탱크 벽면에 다다르면 아래쪽으로 액체상을 파고 드는 경향을 보인다. 반면 중력이 작용하는 경우에는 액체상의 높은 hydrostatic pressure로 인해 기체가 액체를 밀어내지 못하고 다시 상경계면이 평평해지는 것을 알 수 있다.

Fig. 1. 1.0초에서 온도 분포: (좌) 무중력, (우) 중력 작용

외부 열원으로 인한 탱크 가압

기존의 Saturn AS-203 실험 비행의 결과를 기반으로 외부 열원으로 인해 탱크 내부가 가압되는 현상을 해석하였다. 탱크의 각 부분에서 들어오는 외부 열 플럭스를 각기 다르게 적용하였으며 중력/무중력 조건과 표면장력의 유무에 따라 해석하였다.

Fig. 2. AS-203 탱크 격자

Fig. 3. 기체상 부피분율 분포: (좌) 저중력, (우) 무중력

탱크에 작용하는 외력으로 인한 액체 연료의 sloshing 현상

Sloshing 현상이란 유체와 유체를 담고 있는 용기 사이에 발생하는 상대적 운동을 의미한다. 액체 로켓의 추진제 및 산화제뿐만 아니라 다양한 유체를 운송할 때 탱크 내부에서 발생하는 sloshing은 탱크 벽에 충격력을 가해 소음을 야기하고 심할 경우 구조물의 파손을 초래할 수 있으므로 이에 대한 정확한 해석과 물리적 이해가 필요하다. 본 연구에서는 NASA Marshall Space Flight Center에서 수행된 drop tower 실험을 수치적으로 해석하였고, 외부 가속도에 의해 발생하는 비대칭적이고 복잡한 sloshing 현상을 잘 캡처하였다.

Fig. 4. S-IVB 탱크 모델 3차원 sloshing: (좌) 실험, (우) 해석 결과 (xy 단면), -0.1, +0.53, +0.99, +1.23, +1.94, +2.44초