노즐 측면 하중 해석

고고도에서의 운용에 맞도록 설계된 우주발사체의 액체로켓엔진 노즐은 엔진의 시동 시점인 저고도에서는 과대 팽창(over-expanded) 상태가 되는 특징을 갖게 된다. 이로 인해 노즐 내부에 충격파가 위치하게 되며, 노즐 내부 벽면에서 유동의 박리가 발생하게 된다. 유동의 박리는 노즐의 축을 따라 비대칭적인 형태를 갖게 되는 경우가 많기 때문에 측면 방향으로 노즐 벽면에 하중이 가해지게 된다. 이러한 측면 하중은 노즐 구조물을 변형시키고, 이러한 구조물의 변형은 노즐 내부 유동의 비 대칭성을 더욱 더 강화시킨다. 이러한 현상은 추력의 왜곡(distortion) 혹은 노즐 자체의 구조적인 파손으로 이어질 수 있다. 실제로 해외 액체로켓 엔진 개발 중 J-2S, SSME, VULCAIN, LE-7A 등의 엔진에 대한 지상 연소 시험 시 엔진 시동과 종료 천이 과정에서 측면 하중이 발생하여 하드웨어의 손상이 발생한 사례가 존재한다. 이렇게 측면 하중은 하드웨어나 연소기 자체의 파손을 발생시킬 수 있는 주요 설계 항목이므로 새로운 엔진 개발에서 반드시 검토해야 할 필요가 있다.

노즐 측면 하중은 노즐 내 충격파 패턴의 천이나 박리 지점의 진동, 노즐 구조물의 비 대칭성 등 다양한 요인에 의해 발생하고, 이렇게 발생한 측면 하중은 노즐의 구조적 변형과 연동되어 더 심한 측면 하중을 발생시킨다. 하지만 실험적으로 그리고 해석적으로 이러한 현상을 예측하는데 매우 많은 비용과 시간, 계산 자원이 요구되기 때문에 노즐 내부에서 측면 하중을 발생시키는 물리적인 원인 현상에 대해서는 아직까지 전체적으로 완전한 분석이 이루어지지 않은 상태이다.

본 연구에서는 로켓 과대 팽창 노즐의 측면 하중 발생 메커니즘을 물리적으로 이해하기 위해 한국형발사체(누리호)의 실제 엔진 노즐 형상에 대한 해석을 수행하여 유동 특성 및 측면 하중 분석에 대한 연구를 수행하는 것을 목표로 한다. 특히, 측면 하중에 의한 구조적 변형과 상호작용을 고려하기 위해 유동 해석 뿐만 아니라 유동-구조 연동 해석을 수행하는 것을 목표로 한다.

Fig. 1. 액체로켓 엔진 시동 시 발생하는 측면 하중

Fig. 2. 한국형발사체 3단 엔진 노즐에 대한 유동-구조 통합 해석 결과

Fig. 3. 한국형발사체 1단 클러스터링 엔진에 대한 유동 해석 결과