YF-77
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1. 개요
YF-77은 중국에서 개발된 액체 수소/액체 산소 극저온 로켓 엔진이다. 2002년에 개발이 시작되어 2013년에 자격 테스트를 완료하고 창정 5호 로켓에 통합되었다. 진공 추력 72.5톤, 지상 추력 50톤을 가지며, 액체 수소와 액체 산소를 사용하고 가스발생기 사이클 방식을 채택하여 진공 비추력 430초의 효율을 보인다. 한국의 KARI 75톤급 로켓 엔진과 비교되기도 한다.
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YF-20은 N2O4 산화제와 UDMH 연료를 사용하는 가스발생기 사이클 방식의 중국 로켓 엔진으로, 다양한 창정 로켓 시리즈의 1단 엔진으로 사용되었으며, 백두엔진과의 기술적 유사성 논란이 있다.
| YF-77 | |
|---|---|
| YF-77 엔진 정보 | |
 | |
| 원산지 | 중국 |
| 설계 | 항공우주 액체 추진 기술 아카데미 |
| 용도 | 지속 엔진 |
| 관련 로켓 | 창정 5호 |
| 상태 | 운용 중 |
| 엔진 기술 정보 | |
| 종류 | 액체 |
| 산화제 | 액체 산소 |
| 연료 | 액체 수소 |
| 혼합비 | 5.5 (조정 가능) |
| 사이클 | 가스 발생기 사이클 (로켓) |
| 연소실 | 1개 |
| 노즐 비 | 49 |
| 추력 성능 | |
| 추력 (진공) | 700 kN |
| 추력 (해수면) | 518 kN |
| 연소실 압력 | 10.1 MPa |
| 비추력 (진공) | 428.0 s |
| 비추력 (해수면) | 316.7 s |
| 연소 시간 | 525 s |
| 물리적 특성 | |
| 길이 | 2600 mm (랙 포함) |
| 지름 | 1500 mm |
| 사용 정보 | |
| 사용처 | 창정 5호 코어 스테이지 |
2. 개발
YF-77 엔진 개발은 2000년대 중국 국가우주국(CNSA)의 지휘 아래 시작되었으며, 2002년 중국의 우주 장기 개발 계획의 주요 요소였다. YF-77은 이전의 YF-75 엔진에 비해 규모가 크게 달라졌는데, YF-75는 중국에서 개발된 가장 강력한 액체 수소/액체 산소 추진제 극저온 엔진이었으나, YF-77은 YF-75에 비해 추력이 9배, 연소실 압력이 2.7배 증가했다.
2. 1. 개발 과정
2002년 1월, 국방과학기술공업위원회는 새로운 극저온 엔진 개발을 승인했다. 개발은 중국우주액체추진기술연구원 산하 베이징 우주 추진 연구소가 맡았다. 2002년 중반까지 예비 설계가 완료되었고, 2003년 초까지 첫 번째 부품 세트가 제조되었다. 같은 해 초기 부품 및 서브시스템 테스트가 진행되었으며, 가스 발생기는 7월 30일에 첫 번째 테스트를 성공적으로 수행했다. 2003년 12월까지 전체 파워팩이 첫 번째 통합 테스트를 통과했고, 2004년 9월 17일에는 완전한 프로토타입 엔진의 50초 연소 시험이 성공적으로 이루어졌다.2013년 5월, 공식적인 자격 테스트 캠페인이 시작되었다. 2013년 말까지 12개의 엔진으로 70회 이상의 테스트와 24,000초의 정적 연소 시험이 수행되었다. 개념 검토 결과 성능 목표와 발사체 요구 사항이 충족되었음이 확인되었고, 엔진은 창정 5호 로켓의 첫 발사에 통합될 준비가 완료되었다.
YF-77은 이전의 YF-75 엔진에 비해 규모가 크게 달라졌다. YF-75는 중국에서 개발된 가장 강력한 액체 수소/액체 산소 추진제 극저온 엔진이었으나, YF-77은 YF-75에 비해 추력이 9배, 연소실 압력이 2.7배 증가했다. YF-77 엔진 개발은 2000년대에 중국 국가우주국(CNSA)의 지휘 아래 시작되었으며, 2002년 중국의 우주 장기 개발 계획의 주요 요소로 지정되었다. 엔진 설계는 베이징의 항공우주추진연구소가 담당했고, 항천추진기술연구원(AALPT)이 액체 연료 로켓 엔진 제조를 담당했다. 최초의 시제품은 2004년 9월에 연소 시험을 실시했고, 2005년부터 테스트가 시작되어 2007년 중반까지 성공적으로 테스트되었다. 2013년 9월, 엔진은 12기의 엔진으로 70회의 시험에서 누적 24,000초의 운전을 달성했다.
3. 기술적 특징
YF-77은 진공추력 72.5ton, 지상추력 50ton인 액체연료 로켓 엔진이다. 극저온의 액체수소를 연료로, 극저온의 액체산소를 산화제로 사용하며, 가스발생기 사이클 방식이다. 액체수소를 사용하기 때문에 진공 비추력이 430초로 효율이 높다.
KARI 75톤급 로켓엔진과 비교되기도 한다.
3. 1. 구성 요소
YF-77은 저렴하고 신뢰성이 높은 일회용 엔진으로, 단일 프레임에 2개의 510kN (해수면 기준) 가스 발생기 엔진을 장착하여 요구 사항을 충족한다. 각 엔진은 별도의 가스 배출구가 있는 이중 터보 펌프를 갖추고 있으며, 두 터빈은 모두 연료가 풍부한 단일 가스 발생기에 의해 구동된다. 연소실과 목 부분은 재생 냉각 방식으로, 용접된 파이프 구조의 노즐은 덤프 냉각 방식으로 냉각된다. 터보 펌프 시동에는 고체 추진제 카트리지가 사용되고, 가스 발생기와 연소실 점화에는 화약 점화기가 사용된다. 밸브와 사전 밸브는 헬륨으로 작동하는 볼 밸브이다. 추력과 혼합비는 지상 테스트에서 벤투리 및 추진제 활용 밸브를 통해 보정된다. 또한, 이 엔진은 탱크 가압을 위해 뜨거운 기체 상태의 수소와 산소를 공급하는 이중 열 교환기를 갖추고 있다.모든 서브 시스템은 연소실에 부착되며, 짐벌은 두 개의 독립적인 액추에이터를 사용하여 전체 엔진을 두 개의 직교 평면에서 회전시켜 추력 방향을 제어한다. 인젝터 플레이트는 동축 인젝터를 사용하며, 일부는 고주파 불안정성을 억제하기 위한 배플을 만들기 위해 연장되어 있다. 티타늄 연료 터보 펌프는 인듀서가 있는 2단 펌프를 사용하며, 2단 축류 터빈에 의해 구동된다. 분당 35,000rpm으로 회전하며 16.5MPa의 배출 압력을 제공한다. 산화제 터보 펌프는 2단 터빈으로 구동되는 나선형 인듀서가 있는 1단 원심 펌프를 사용하며, 분당 18,000rpm으로 회전하며 14MPa의 배출 압력을 제공한다.
YF-77은 액체 수소와 액체 산소를 추진제로 사용하며, 5:1의 수소:산소 혼합비로 연소한다. 창정 5호의 1단 추진에 사용되는 2기의 YF-77은 저렴하고 신뢰성이 높으며 고성능을 갖도록 설계되었다. 이러한 이유로 중국 기술진은 발사체 1단 추진에 가스 발생기와 연소실이 각각 2개씩 있는 1개의 엔진 대신 2개의 독립된 엔진을 선택했다. 연소실은 재생 냉각 시스템으로 냉각되며, 노즐은 비냉각 방식이다. 연소실 압력은 102bar이고 노즐 팽창비는 49이다. 엔진은 추진제 탱크 가압을 위해 열교환기에서 수소 및 산소 가스를 생성한다. 진공 상태에서 비추력은 430초이며, 추력은 우주 공간에서 70톤(두 엔진 합계 140톤)이다. 두 엔진의 추력 방향은 두 개의 실린더를 통해 추력 편향이 가능하다. 연소 시간은 520초, 신뢰도는 0.9999이다. YF-77은 본질적으로 두 개의 엔진으로 구성되며, 전체 높이 4.2m, 전체 폭 5m, 무게 2.7ton이다.
3. 2. 성능
YF-77은 진공추력 72.5ton, 지상추력 50ton의 액체연료 로켓 엔진이다. 극저온의 액체수소를 연료로, 극저온의 액체산소를 산화제로 사용하며, 가스발생기 사이클 방식이다. 액체수소를 사용하기 때문에 진공 비추력이 430초로 매우 효율이 높다.한국이 개발 중인 KARI 75톤급 로켓엔진과 비교되기도 한다. KARI 75톤급 로켓엔진은 진공추력 75톤, 지상추력 65톤의 액체연료 로켓 엔진으로, 상온의 등유를 연료로, 극저온의 액체산소를 산화제로 사용하며, 가스발생기 사이클 방식이다.
YF-77은 액체 수소와 액체 산소를 추진제로 사용하며, 산소:수소 = 1:5의 혼합비로 연소한다. 창정 5호의 1단 추진에 적합하도록 저렴하고 신뢰성이 높으며 고성능인 사양을 갖추고 있다. 중국 기술진은 발사체의 1단 추진에 가스 발생기와 연소실 2개를 갖춘 1개의 엔진보다 2개의 독립된 엔진을 선택했다. 연소실은 재생 냉각 시스템으로 냉각되며, 노즐은 비냉각 방식이다. 연소실 압력은 102bar이며 노즐의 팽창비는 49이다. 엔진은 추진제 탱크의 가압을 위해 열교환기에서 수소와 산소 가스를 생성한다. 진공에서의 비추력은 430초이다. 추력은 우주 공간에서 70ton(두 엔진 합계 140ton)이다. 2개의 엔진의 추력 방향은 2개의 실린더로 추력 편향이 가능하다. 연소 시간은 520초이며 신뢰도는 0.9999이다. 본질적으로 2개의 엔진으로 구성되며, 전체 높이 4.2m, 전체 폭 5m, 무게 2.7톤이다.
각 엔진은 별도의 가스 배출구가 있는 이중 터보 펌프를 가지고 있다. 두 터빈 모두 연료가 풍부한 단일 가스 발생기에 의해 공급된다. 연소실과 목은 재생 냉각되며, 용접된 파이프 구조의 노즐은 덤프 냉각을 사용한다. 터보 펌프는 시동을 위해 고체 추진제 카트리지를 사용하고, 가스 발생기와 연소실은 화약 점화기를 사용한다. 밸브와 사전 밸브는 헬륨 작동 볼 밸브이다. 추력과 혼합비는 지상 테스트에서 벤투리와 추진제 활용 밸브로 보정된다. 또한 이 엔진은 탱크 가압을 위해 뜨거운 기체 수소와 산소를 공급하는 이중 열 교환기를 가지고 있다.
모든 서브 시스템은 연소실에 부착되며, 짐벌은 두 개의 독립적인 액추에이터를 사용하여 전체 엔진을 두 개의 직교 평면에서 회전시켜 구현된다. 인젝터 플레이트는 동축 인젝터를 사용하며, 그 중 일부는 고주파 불안정성을 방지하는 배플을 만들기 위해 연장된다. 티타늄 연료 터보 펌프는 인듀서가 있는 2단 펌프를 사용하며 2단 축류 터빈에 의해 작동된다. 분당 35,000rpm으로 회전하며 16.5MPa의 배출 압력을 공급한다. 산화제 터보 펌프는 2단 터빈에 의해 구동되는 나선형 인듀서가 있는 1단 원심 펌프를 사용한다. 분당 18,000rpm으로 회전하며 14MPa의 배출 압력을 공급한다.
4. 한국과의 비교
YF-77은 진공추력 72.5톤, 지상추력 50톤의 액체연료 로켓 엔진이다. 극저온의 액체수소를 연료로, 극저온의 액체산소를 산화제로 사용하며, 가스발생기 사이클 방식이다. 액체수소를 사용하므로 진공 비추력이 430초로 매우 효율이 높다.
한국이 개발 중인 KARI 75톤급 로켓엔진과 비교된다. KARI 75톤급 로켓엔진은 진공추력 75톤, 지상추력 65톤의 액체연료 로켓 엔진이다. 상온의 등유를 연료로, 극저온의 액체산소를 산화제로 사용하며, 가스발생기 사이클 방식이다.
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