팽창식 사이클
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목차
1. 개요
팽창식 사이클은 연료를 열교환을 통해 기화시켜 터보 펌프를 구동하고, 남은 연료를 연소실에서 산화제와 함께 연소시키는 방식의 로켓 엔진 사이클이다. 팽창식 사이클은 다른 방식에 비해 터빈 손상이 적고, 엔진 재사용이 가능하다는 장점이 있다. 팽창식 블리드 사이클은 팽창식 사이클의 변형으로, 가열된 추진제의 일부만 터빈 구동에 사용하고 나머지는 배출하여 추력을 향상시킨다. 팽창식 사이클 엔진으로는 RL-10, Vinci, LE-5A 등이 있으며, 아틀라스, 아리안, H-II 로켓 등에 사용된다.
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| 팽창식 사이클 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 종류 | 로켓 엔진 작동 방식 |
| 특징 | 높은 효율, 복잡한 구조 |
| 작동 원리 | 열교환기를 통해 연료를 가열하여 터빈을 구동하고, 펌프를 작동시켜 연료와 산화제를 연소실로 공급하는 방식 |
| 작동 방식 | |
| 구성 요소 | 연소실 노즐 터빈 펌프 열교환기 |
| 작동 과정 | |
| 장점 | 높은 효율 높은 비추력 단점: 복잡한 구조 높은 개발 비용 |
| 적용 사례 | |
| 로켓 엔진 | 아리안 6 upper stage 엔진 (Vinci) |
2. 특징
팽창식 사이클은 연료를 연소실이나 노즐 주변에서 순환시켜 열교환을 통해 기화시키고, 이 가스로 터보펌프를 구동하는 방식이다. 터보펌프 구동 후 연료는 주 연소실로 보내져 산화제와 함께 연소된다.[15] 이러한 방식은 액체에서 기체로의 상변화를 수반하므로, 끓는점이 낮고 기화가 용이한 저온 연료(액체수소, 액체메탄 등)를 사용해야 한다.[9]
팽창식 사이클은 제곱 세제곱의 법칙에 따라 추력이 제한된다. 추력을 높이기 위해 벨형 노즐을 크게 만들면, 노즐 표면적은 직경의 제곱에 비례해 증가하지만 가열해야 하는 연료의 체적은 세제곱에 비례해 증가한다. 따라서 엔진의 최대 추력은 약 300kN 정도로 제한되며, 그 이상은 노즐을 크게 해도 연료를 충분히 가열할 수 없어 터빈을 구동하기 어렵다. 하지만 리니어 에어로스파이크 엔진과 같이 특수한 형태의 엔진에서는 제곱 세제곱 법칙의 제약을 피할 수 있다.[15]
일부 팽창식 사이클 엔진은 시동 시 가스발생기를 사용하기도 한다.
| 엔진 | 제조사 | 비고 |
|---|---|---|
| RL-10 | 프랫 앤 휘트니 | |
| RL-60 | 프랫 앤 휘트니 | [16] |
| Vinci | 아리안 V 상단용 [https://web.archive.org/web/20070929090638/http://www.arianespace.com/site/launcher/launcher_evolving_5escb.html] |
2. 1. 팽창식 블리드 사이클 (Expander bleed cycle)
팽창식 블리드 사이클은 팽창식 사이클의 한 종류로, 가열된 추진제의 일부만 터빈 구동에 사용하고 나머지는 연소실을 거치지 않고 배출하는 방식이다. 터빈 배기를 배출하여 배압을 줄이고 터보펌프 효율을 높여, 표준 팽창식 사이클보다 높은 추력을 얻을 수 있다. 그러나 터빈 배기를 버리므로 효율성은 다소 떨어진다.[15]
일본의 LE-5A/LE-5B 엔진은 팽창식 블리드 사이클을 채택하여 팽창식 사이클의 단점인 낮은 연소압 문제를 어느 정도 해결하고 추력 향상을 이루었다.[15] 터빈 배기가 주 연소실 연소압의 영향을 받지 않아 터보펌프 출력을 높이기 쉽고, 주 연소실에 터빈 배기를 넣지 않아 연소실 압력을 높이기도 용이하다.[17] 풀 팽창식 사이클에 비해 추력을 높이기 쉽지만, 터빈 구동용 연료가 추력에 기여하지 않으므로 추진제 효율은 떨어진다. 하지만 터빈 펌프 구동용 연료를 고려해도 연소압 향상에 따른 효율 향상 효과가 커서 일반적인 팽창식 사이클보다는 효율이 높다. 또한 구조가 간단하고 엔진 시동 시 제어가 다단 연소 사이클에 비해 쉽다.[15]
미쓰비시 LE-5A는 세계 최초로 실용화된 팽창식 블리드 사이클 엔진이다.[2] 미쓰비시 LE-9는 세계 최초의 1단 팽창식 블리드 사이클 엔진이다.[3] 블루 오리진은 New Glenn 발사체 상단에 사용되는 BE-3U 엔진에 팽창식 블리드 사이클을 사용했다.[4] 대한민국의 H3 로켓 1단 엔진 LE-9도 이 방식을 채택했다.[14]
2. 2. 이중 팽창식 사이클 (Dual expander cycle)
스톨 연소가 전류식 사이클에서 산화제와 연료에 개별적으로 구현될 수 있는 것과 유사하게, 팽창기 사이클은 '이중 팽창기 사이클'로 두 개의 개별 경로에서 구현될 수 있다. 터보펌프의 터빈과 펌프 측에 액체와 동일한 화학적 성질을 가진 뜨거운 가스를 사용하면 퍼지(purge)가 필요 없고 일부 고장 모드가 제거된다. 또한, 연료와 산화제의 밀도가 상당히 다를 경우, H2/LOX의 경우처럼, 최적의 터보펌프 속도가 너무 많이 달라서 연료 펌프와 산화제 펌프 사이에 기어박스가 필요하다. 이중 팽창기 사이클을 사용하면 별도의 터빈을 사용하여 고장 위험이 있는 이 장비를 제거할 수 있다.이중 팽창기 사이클은 재생 냉각 시스템에서 연료와 산화제를 위한 분리된 섹션을 사용하거나, 냉각을 위해 단일 유체를 사용하고 두 번째 유체를 끓이기 위한 열교환기를 사용하여 구현할 수 있다. 첫 번째 경우, 예를 들어 연료를 사용하여 연소실을 냉각하고 산화제를 사용하여 노즐을 냉각할 수 있다. 두 번째 경우, 연료를 사용하여 전체 엔진을 냉각하고 열교환기를 사용하여 산화제를 끓일 수 있다.
3. 장점
팽창식 사이클은 다른 종류의 사이클에 비해 몇 가지 장점이 있다.
- 낮은 온도: 추진제는 기체로 변환된 후 대개 실온에 가까워 터빈에 거의 또는 전혀 손상을 주지 않는다. 따라서 엔진 재사용이 가능하다. 반면 가스 발생기 또는 다단 연소 엔진의 터보 펌프에 사용되는 터빈은 고온에서 구동된다.[15]
- 내구성: RL10 개발 과정에서 엔지니어들은 탱크 내부에 장착된 단열 폼이 떨어져 엔진을 손상시킬 수 있다는 우려를 했다. 그들은 연료 탱크에 폼 조각을 넣고 엔진을 작동시켜 이 문제를 시험했는데, RL10은 문제없이 폼을 처리했으며 성능 저하도 눈에 띄지 않았다. 가스 발생기의 작은 부분이라도 막히면 핫 스폿이 발생하여 엔진에 심각한 손실을 초래할 수 있다. 엔진 벨을 '가스 발생기'로 사용하면 더 넓은 연료 흐름 채널을 사용하기 때문에 연료 오염에 대한 내성이 매우 높다.
- 안전성: 벨형 팽창식 사이클 엔진은 추력 제한이 있기 때문에 최대 추력 조건에서도 견딜 수 있도록 쉽게 설계할 수 있다. 다른 엔진 유형에서는 연료 밸브 고착 등의 문제로 의도치 않은 피드백 시스템이 발생하여 엔진 추력이 통제 불능 상태로 치솟을 수 있다. 팽창식 사이클은 설계상 그러한 방식으로 오작동할 수 없다.
- 높은 진공 성능: 압력 공급 엔진에 비해 펌프 공급 엔진, 즉 팽창식 사이클 엔진은 더 높은 연소실 압력을 갖는다. 연소실 압력 증가는 목 면적 Ath를 줄일 수 있게 해주며, 따라서 동일한 노즐 출구 면적 Ae에 대해 더 큰 팽창비 e = Ae/Ath를 유도하여 궁극적으로 더 높은 진공 성능을 제공한다.
4. 사용례
팽창식 사이클은 다양한 로켓 엔진에 사용된다. 대표적인 엔진과 발사체는 다음과 같다.
엔진
- Aerojet Rocketdyne RL10
- 프랫 & 휘트니 RL60
- 아리안그룹 빈치
- CADB & 프랫 & 휘트니 RD-0146
- YF-75D
- 미쓰비시 중공업 LE-5A / 5B
- 미쓰비시 중공업 LE-9
- Aerojet Rocketdyne & MHI MARC-60 (MB-60)
- 블루 오리진 BE-3U 및 BE-7
- 아비오 M10
- 민첩한 시스루나 궤도 운용을 위한 시연 로켓 (DRACO) 핵 열 엔진
발사체
4. 1. 팽창식 연소 사이클 엔진
연소 전의 추진제 중 연료를 고온의 연소실이나 노즐 주변에 순환시켜 열교환으로 에너지를 받아 가스화된 연료로 터보펌프를 구동시킨다. 터보펌프를 구동시킨 뒤 연료는 주연소실로 보내져 산화제와 함께 연소된다. 시동시 출력으로 터보펌프가 구동되어 연료와 산화제는 펌프에 의해 승압되어 연소실로 보내진다. 완전 팽창식 사이클(클로즈 사이클)에서는 터빈 구동 후의 연료는 산화제와 함께 연소실로 분사되어 연소시켜 추진제를 효율적으로 사용된다. 팽창식 블리드 사이클(오픈 사이클)의 경우 터빈 구동 후의 연료는 별도로 배기된다[15]. 팽창식 블리드 사이클에서는 터빈 구동용으로 가열되는 것은 연료의 일부 뿐이다.액체로부터 기체로의 상변화를 수반하기 때문에 팽창식 사이클에서의 추력은 제곱 세제곱의 법칙을 따른다. 추력 증대를 위해 벨형 노즐을 대형화하면 (연료를 팽창시키기 위한 열도 추출하고 있는)노즐의 표면적은 직경의 제곱에 비례해서 증가한다. 그러나 가열해야 하는 연료의 체적은 세제곱으로 비례한다. 때문에 엔진의 최대 추력 규모는 약 300kN 정도로 그 이상은 노즐의 개구부를 크게 해도 연료펌프의 터빈을 구동시키기 위해 필요한 연료를 충분히 가열시킬 수 없다. 일부의 연료를 터빈이나 연소실의 냉각 용도로 쓰지 않고 직접 주연소실에 분사하는 바이패스 팽창식 사이클에서는 보다 높은 추력을 얻을 수 있다. 리니어 에어로스파이크 엔진에서는 직선 형태의 엔진의 형태에 따라 제곱 세제곱의 법칙을 피할 수 있어, 엔진의 폭이 늘어나면 가열할 연료의 체적을 받아들이는 열에너지도 비례해서 늘어나기 때문에 원하는 규모의 엔진을 만들 수 있다. 모든 팽창식 사이클 엔진은 액체수소나 액체메탄이나 액체프로판처럼 끓는점이 낮고 기화가 용이한 저온 연료 사용(Cryogenic fuel)이 필요해진다.
몇몇 팽창식 사이클 엔진에서는 터빈의 시동과 연소실이나 노즐 스커트의 열이 충분히 얻어질 때까지 가스발생기를 사용하는 경우도 있다.
대표적인 팽창식 사이클 로켓엔진으로서는 프랫 앤 휘트니의 RL-10이나 RL-60[16], 아리안 V의 상단용인 Vinci 등을 들 수 있다.
'''팽창식 연소 사이클을 사용한 엔진'''
| 엔진 |
|---|
| 프랫 앤 휘트니 RL-10 |
| 프랫 & 휘트니 RL60 |
| 키마프토마티키 RD-0146 |
| 스넥마 Vinci |
| 이시카와지마-하리마 중공업 HIPEX |
| 아비오 M10 |
| 블루 오리진 BE-7 |
| YF-75D |
| YF-79 |
4. 2. 팽창식 블리드 사이클 엔진
팽창식 블리드 사이클은 냉각제 블리드 사이클이라고도 불린다. 일본이 H-II 로켓 2단 엔진인 LE-5A에서 세계 최초로 실용화한 고신뢰성 엔진 사이클이다.[13] LE-5A 엔진은 후속 모델인 LE-5B 엔진과 함께 산화제로 액체 산소를, 연료로 액체 수소를 사용한다.[10]
팽창식 블리드 사이클에서는 연소압을 올리기 어려운 팽창식 사이클의 단점을 줄이기 위해, 노즐과 연소실에서 열 교환한 추진제 중 터보 펌프 구동에 사용된 부분을 연소실로 보내지 않고 배기한다. 이로 인해 터빈 배압이 연소실 압력보다 훨씬 낮은 압력이 되므로 터보 펌프의 효율이 향상된다. 또한, 터보 펌프 효율과 연소실 압력의 트레이드 오프를 고려할 필요가 없어 고압 연소가 용이해지므로,[9] 풀 팽창식 사이클에 비해 고효율을 낼 수 있다.
미쓰비시 중공업과 프랫 앤 휘트니 로켓다인이 공동 개발 중인 MB-XX 엔진은 연소압을 LE-5B의 3.6MPa에서 14MPa로 올림으로써, 엔진의 추진 성능 평가에서 비추력 467초라는 풀 팽창식 사이클을 능가하는 성능을 목표로 하고 있다. 다만 터빈 구동용 연료가 추력에 기여하지 않으므로, 그만큼 추진제 소모로 산입했을 경우의 비추력은 클로즈 사이클의 2단 연소 사이클이나 풀 팽창식 사이클보다 떨어진다.
한편 2단 연소 사이클에 비해 구조가 간소해지고, 터보 펌프 작용 기체도 저온이므로 저비용화를 꾀할 수 있으며, 엔진 시동 시 제어성과 신뢰성이 대폭 향상된다.[10] 액체산소/액체수소 엔진의 경우, 가스 발생기 사이클과 동등한 효율(비추력)을 실현할 수 있으며, 시동성, 재점화 횟수, 신뢰성도 향상된다. 최대 추력도 2000kN 정도로 추정된다. 개발 중인 H3 로켓 1단용 LE-9는 세계 최초의 1단용 대추력 팽창식 블리드 사이클 엔진으로, 그 추력은 1471kN이다.[14]
'''팽창식 블리드 사이클 엔진'''
4. 3. 팽창식 연소 사이클 엔진 탑재 발사체
- 새턴 1[1]
- DC-X[1]
- 아리안 5 ECB (중지)[1]
- HIMES[1]
- 아틀라스 계열[1]
- 아틀라스 I[1]
- 아틀라스 II[1]
- 아틀라스 III[1]
- 아틀라스 V[1]
- Atlas G|아틀라스 G영어[1]
- 아틀라스-센타우르[1]
- 타이탄 계열[1]
- Titan IIIE|타이탄 IIIE영어[1]
- 타이탄 IV[1]
- 앙가라 A5M[1]
- 아리안 6[1]
- 델타 III[1]
- 델타 IV[1]
- 베가 E[1]
- 블루 문 (우주선)|블루 문한국어[1]
- 창정 5호[1]
- 창정 9호[1]
4. 4. 팽창식 블리드 사이클 엔진 탑재 발사체
H-II, H-IIA, H-IIB, H3(예정), 뉴 글렌(예정) 등의 발사체에 팽창식 블리드 사이클 엔진이 탑재된다.| 발사체 | 엔진 | 비고 |
|---|---|---|
| H-II H-IIA | 미쓰비시 중공업 LE-5A, LE-5B | |
| H-IIB | 미쓰비시 중공업 LE-5B | |
| H3 | 미쓰비시 중공업 LE-9 | 예정 |
| 뉴 글렌 | 블루 오리진 BE-3U | 예정 |
5. 상단 팽창식 사이클 엔진 비교
챔버 팽창식