극저온 액체 추진제 저장 탱크의 수동형 열역학적 배기 시스템의 개발

Abstract

열역학적 배기 시스템은 우주의 미중력 상황에서 극저온 액체 추진제 탱크 내의 압력을 적절히 조절하는 간접 배기 시스템이다. 불필요한 액체 추진제의 낭비를 피하기 위해 팽창된 유체의 냉열을 이용하여 탱크 내 유체의 내부 에너지를 감소시킨다. 열역학적 배기 시스템에는 극저온 액체 재순환 시스템의 유무에 따라 크게 능동형 방식과 수동형 방식으로 구분된다. 본 연구에서는 수동형 열역학적 배기 시스템을 액체 질소를 이용하여 다양한 충진 레벨과 배기 질량 유량에 따라 실험적으로 연구한다. 또한 열역학적 및 열전달적 모델을 수립하여 탱크 내부 압력과 열교환기 출구 온도를 예측하여 열 제거 능력을 예측한다. 본 연구에서 수동형 열역학적 배기 시스템의 외부 열유입에 대항하는 열 제거 능력을 성취하였고 예측 결과를 실험 결과와 비교하여 검증하였다. 배기 시간과 열교환기 출구 온도의 예측 오차율은 각각 10% 와 5% 이내이다. 또한 무차원화된 성능 지표로 실험 조건에 따른 수동형 열역학적 배기 시스템의 성능을 비교하였다.