분말 금속 연료를 사용하는 원동기 및 에너지 장비 제작의 전망과 문제
S.P. 코롤료프 기념 사마라 국립 항공우주 대학 (국가 연구 대학) 통보Вестник 2011년 №3-2, pp. 277-281
©2011 A.G. 예고로프, A.S. 티질로프
톨리야티 국가 대학
분말 금속 연료를 사용하는 원동기 장비 제작의 전망이 고려된다.
분말 금속 연료, 유사액체 연료, 알루미늄-공기 혼합물, 원동기 장비, 에너지 장비, 분산 알루미늄-공기
지금까지 분말 금속은 고체연료 로켓 엔진 (RDTT), 수소반응성 엔진 (GRD), 로켓 램제트 엔진 (RPD), 직접 공기반응 엔진 (PVRD) 등의 엔진을 위한 수소반응성 및 혼합 고체연료 화합물의 연료 첨가제로 성공적으로 사용되었다. 가까운 미래에 이들은 직접 수소 및 공기반응 엔진의 주 연료로 사용될 수 있다.
지난 수십년 간 금속 (알루미늄, 붕소, 마그네슘 등) 의 실사용 범주가 지속적으로 확장되어 에너지를 높이고 원동기 장비 (DU) 의 가동 특성을 향상시켰으며 고수준의 신규 기술 프로세스가 개발되었다. 분말 금속 연료로 특히 가장 접근이 쉬운 것은 알루미늄 () 이다.
높은 화염 온도 및 용이한 저장성을 갖춘 금속함유 연료는 비행 장치 엔진 및 특수 에너지 장비를 위한 유사액체 성분 중 하나로써 분말 금속을 사용할 수 있게 한다. 분말형 물질로 구성된 유사액체 연료 (혹은 이의 성분) 는 유동상 기법을 통하여 기체를 동반해 유동화하여 액체 성분과 유사하게 로켓 엔진 연소실에 주입할 수 있다 [1].
연소열이 많이 높은 밀도를 가진 분말 금속은 비추력 및 중량 완전성 계수와 같은 원동기 장비 및 전체 제품의 가장 중요한 특성을 본질적으로 증가시킬 뿐만 아니라 더 큰 폭발 및 화재안정성을 보장한다.
동일한 중량과 치수로 직접 공기반응 엔진 (PVRD) 이 고도 30km, 속도 5M 으로 비행하는 경우 유사액체 연료는 비행 범위에 있어 RDTT와 비교하여 25-50배, 고체연료 RPD (TRT) 와 비교하여 5-15배 더 크다 [2].
그림 1은 다양한 유형의 엔진 및 연료를 사용할 때 체적 비추력에 대한 다이어그램을 도시하였다.
그림 1. 다양한 유형의 엔진 및 연료에 대한 체적 비추력 다이어그램 [2]
주 연료로 분말형 알루미늄을 사용하는 것은 광범위한 국내외 로켓 엔진 스펙트럼에 대해 관련성을 유지한다. 달과 화성 탐사 프로그램의 활성화와 질적으로 새로운 수준으로의 전환과 관련하여 로켓 연료 성분으로 알루미늄을 사용하는 문제에 대한 관심이 높아지고 있다.
국제 컨퍼런스 "우주 공간 탐사를 위한 로켓 엔진 및 응용 문제" 에서 보고서가 작성되었고 목성의 위성과 화성의 연구를 위한 장치가 발표되었다. 그림 2는 그러한 우주 장치에서 분말 금속 연료 (PMG) 를 사용하는 로켓 엔진의 도해를 보여준다.
그림 2. PMG 로켓 엔진 도해 [3]: 1 - 분말형 연료 공급 시스템; 2 - 예연실豫燃室; 3 - 점화기; 4 - 연소실; 5 - 분사구; 6 - 가스 실린더; 7 - 산화제 탱크; 8 - 가동차단 밸브; 9 - 체크 밸브; 10 - 감압기; 11 - 터보펌프 집합체; 12 - 이貳성분 액체 가스발생기 (ZhGG); 13 - ZhGG 산화제 탱크; 14 - 연료 탱크; 15 - 파이프라인
Al-CO2 연료 원동기 장비 (DU) 는 1단 및 지구에서 연료가 운송되는 DU의 경우 2단에서 사용될 수 있다. 행성간 LA의 착륙 단계에서 이러한 유형의 엔진을 장착하면 모든 연료가 지구에서 운송되는 엔진에 비해 경제적 비용을 크게 증가시키지 않으며 과학 연구의 양을 증가시킬 수 있다 [3].
신규 고효율 원동기 장비를 제작하는 프로젝트의 실현은 연소실에서 작업 프로세스를 조직하는 임무의 성공적인 해법에 달려있다. 반응 엔진 및 에너지 장비의 연소실에서 분말 금속 연료를 적용하는 것은 액화제 유동에서 응축된 금속 입자의 불균일 연소 과정을 불가피하게 복잡하게 만든다. 최종적으로 고속 난류 유동에서 분말형 금속 화염의 점화, 연소 및 안정화 과정에 대한 지식을 확장하고 연료 시스템 제조, 고온 소재 확보 등으로 결론나는 실질적인 공학적 임무를 해결하여야 한다. 이 모든 것은 유사액체 연료 난류 유동에서의 점화, 연소 및 안정화 과정의 기본 규칙성에 대한 연구와 같이 많은 문제의 복합을 가진 과학적 발견의 등장을 자극한다.
분말형 금속이 에너지원인 원동기 및 에너지 장비의 제작은 신뢰할 수 있는 연료공급 시스템의 개발 및 안정적인 연소실 작동 과정의 조직과 관련이 있다.
액체 연료와 유사하게, 기체 산화제 유동에서 분산된 고체 연료의 혼합조성화는 실室 입구 구획에서 발생하는 초기 과정이다. 실 단면에서 고상 및 기상이 적절하게 분포된 가연성 혼합물을 만드는 것을 목적으로 한다.
혼합조성화는 여러 요구사항을 충족하여야 한다. 주요한 사항 중 하나는 엔진의 높은 비추력 및 안정적인 작동을 보장하는 것이다. 이러한 목표를 위해 한편으로는 요구되는 미분화 질質로 연소실 영역에서 비율 및 강도 면에서 충분히 균일한 혼합물을 보장하는 것이 필요하다. 이러한 요인은 연료 연소의 높은 완전성, 연소 생성물 온도 영역의 균일화 및 안정화에 기여한다.
유동에 수반되는 입자는 해당되는 실의 체적에 가능한 한 균질하게 분포되어야 한다 (간혹 유동의 개별 가연 영역에서 더 많이 농축되거나 고갈되려 함). 혼합조성화 과정은 100-600mm 연신 (다른 연소 조직 시스템의 경우) 의 실의 "차가운" 구획에서 발생한다. "차가운" 구획에서 분산된 고체 연료 입자의 체류 시간은 길지 않으며 (5-20ms) 공기와 연료가 완전히 뒤섞이기에 충분하지 않다.
현재 액체 연료의 미분화 및 혼합조성화 이론에 대한 이론적이고 응용적인 많은 자료가 축적되었다. 그러나 액체 연료와 달리 현재 금속기체 화염 분무 및 유사액체 연료 공급을 위한 분연기 계산에 대한 완전한 이론은 정립되지 않았다. 따라서 분말형 금속 연료 분야의 많은 전문가들은 필요한 요구사항을 충족하는 공급 시스템을 개발할 때 심대한 이론 및 설계 문제에 직면하였다.
원동기 장비 연소실에서 신뢰할 수 있고 조정되는 PMG 공급 변형 중 하나가 [3] 에서 제시되었다.
그림 3. 금속 분말의 조정가능 공급 조직 도해 [3]: 1 - 분말 용적, 2 - 가스 투과성 피스톤, 3 - 우회 밸브, 4 - 구동장치, 5 - 고립-조정 밸브, 6 - 배출구 앞의 가스 압력 센서
PVRD 혹은 RPD 실로 주입되는 유사액체 연료의 연소는 일반적으로 공기와 분말의 확산 혼합 조건과 금속 입자 연소의 운동 특성에 의해 결정된다. PVRD 및 RPD 연소실에서의 공기 가열 과정에서 유사액체 연료 연소는 압도적으로 다수의 사례에서 주로 공기와 연료 제트의 확산 혼합에 의해 결정된다. 따라서 유사액체 연료를 사용하는 비행 장치의 원동기 장비 개발에 있어 연소실의 제한된 기하학적 매개변수로 최대한 완전한 연소를 달성하기 위해 공기와 PMG의 혼합 과정이 가장 중요하다.
다면적이고 아마도 램제트 및 로켓-램제트 엔진 이론에서 가장 어려운 임무인 이러한 과정에 영향을 미치는 모든 요인의 개입을 고려하여 연료공급, 혼합, 점화, 연소 안정화 및 금속공기 혼합물의 연소 과정에서 규칙성을 수립해야 한다.
PMG를 사용하는 새로운 유형의 원동기 및 에너지 장비는 연소실의 압력 및 성분 비율, 금속 입자 분산도 등의 매개변수의 광범위한 변화로 구별된다. PMG의 우월성을 극대화하려면 작동 과정이 기본 특성에 미치는 영향을 알아야 한다. [4]에서는 반응형 원동기 장비 및 기술적 과정의 설계 및 개발을 위해 분말형 금속 연료의 점화 및 연소 특성에 대한 과학-정보 복합체가 제시되었다.
실질적으로 가장 중요한 점은 PMG의 에너지 포텐셜을 최대한도로 실현하지 못하게 하는 제한이 있기에 ( 및 와 같은 금속의 높은 용융점과 비등점 및 표면상의 보호 산화막과 관련이 있음), 금속 자체의 성질을 변화시키는 문제를 해결하는 것이다.
PMG의 수정을 통해 원동기 장비의 작동 과정을 본질적으로 강화할 수 있으나, 본 방면으로 전도되는 작업에는 신뢰할 수 있는 이론적 입증 및 PMG가 사용되는 구체적 조건과 일치하도록 수정된 PMG의 특성 최적화가 필요하다. [4]에서의 실험 결과는 니켈로 PMG 입자를 캡슐화하면 산화제 과잉 계수 0.2-0.54에서 화염 확산 속도가 2-3.5배 증가하는 것으로 나타났다.
입자의 반경이 감소함에 따라 점화 유도 기간이 감소하므로, ASD-4 기반의 미세분산 PMG의 사용은 ASD-1 기반에 비해 초기 알루미늄 입자와 캡슐화 입자 모두에서 공기현탁물의 화염 확산 속도가 증가한다.
20세기 말까지 군사-산업 복합체 (VPK) 는 고급 기술 개발에 대한 광범위한 실제 경험을 축적하였다. VPK의 최신 성과를 민간 제조 분야에 널리 도입하는 것은 거시경제적 과업의 관점에서 논리적으로 필요하다. 예시로 미세분산 에어로졸 및 고체 연료 연소시 발생하는 억제 성분의 소화 수단 개발; 초음속 절단 장치; 방호 및 복원 코팅의 초음속 분무 장비, 초미세 금속 산화물 합성 등이 있다.
활성 기체 (산소, 질소, 이산화탄소 혹은 이들의 혼합물)에서 많은 금속 (알루미늄, 마그네슘, 지르코늄, 티타늄 등) 이 연소되며 응축된 연소 생성물 (산화물, 질화물, 탄화물) 을 형성한다. 이러한 금속의 연소가 금속 입자의 가스현탁물 형태로 발생하면 연소 생성물은 가스분산 형태로 얻어진다. 연소 조건 (압력, 온도, 기상 조성, 분산상 농도), 초기 금속 분말의 분산적 및 화학적 조성을 변경하여 연소 생성물 입자의 형태와 구조, 이들의 크기, 화학적 및 상 조성에 영향을 줄 수 있다. 초기 분말형 금속 및 기체형 산화제의 높은 화학적 순도를 확보하여 최종 생성물의 높은 화학적 순도를 보장할 수 있다. 따라서, 활성 기체에서 미분된 분말형 금속을 연소시켜 기술적 장비에서 의도한 성질을 지닌 새로운 분말 재료를 합성할 수 있다. 금속의 연소 과정은 극도의 발열반응이며, 고온 및 고속으로 진행된다. 동시에 과정은 추가적인 에너지를 필요로 하지 않는다. 이러한 기술은 유망하며, 비용효율적이며 높은 생산성으로 고품질의 생성물을 수득할 수 있다. 그림 4는 나노분산 분말 합성을 위한 장치의 도해를 보여준다.
그림 4. 나노분산 분말 합성을 위한 장치의 도해 [3]
본 기술은 낮은 에너지 비용 및 고수준의 합성 분말 분산도로 수반되는 높은 생산성을 특성으로 한다. 그림 5는 초기 알루미늄 분말의 예시에 대한 입자 크기 미분 분포도를 보여준다 [3].
그림 5. 입자 크기 미분 분포
현재 분말형 알루미늄 (Al) 을 사용하는 원동기 및 에너지 장비의 작동 과정 완성도를 결정하는 주 매개변수가 확인되었다: 알루미늄 입자 화염 확산 속도, 점화 온도, 연소 시간 및 완전성. 그럼에도 불구하고 오늘날까지 창조된 반응형 원동기 및 에너지 장비의 설계 및 개발을 위한 분말형 Al의 점화 및 연소 특성에 관한 과학-정보 복합체는 총망라된 것으로 간주될 수 없다 [5].
유사액체 연료를 사용하는 반응형 원동기 및 에너지 장비 연소실에서의 작동 과정 조직의 구상은 분말형 금속 연료 (PMG) 로 사용되는 금속의 물리화학적 특성을 고려하여 설계되어야 한다. 준거하여, 연소실 내 공정을 최적화하기 위해 금속의 특성, 재순환, 가능한 반응 생성물의 최다수 형성, 온도적, 속도적 및 화학적 비평형과 같은 직접 연소실 내에서 실제로 반영되는 과정을 고려하여 수학적 모델을 창조하여야 한다. 유사액체 연료 유동에서 열 및 물질전달, 화염 연소 및 안정화 과정을 통제하는 효과적인 기법 및 수단도 필요하다.
참고문헌
[1]: V.E. 알레마소프. 로켓 엔진 이론 / V.E. 알레마소프, A.F. 드레갈린, A.P. 티쉰 - М.: 마쉬노스트로에니예, 1980. - p533.
[2]: V.I. 페트렌코. PRVD 분말화 금속 연료 - 유도 로켓의 탄도 특성 개선에 대한 향후 방향 / V.I. 페트렌코, V.I. 말리닌 // 현대 역학의 기초 및 응용 문제: 전러시아 제3회 과학 컨퍼런스 - 톰스크: TGU, 2002. - p94-98.
[3]: V.I. 말리닌. 분말형 금속 연료 사용 장비의 연소실 내 과정 / V.I. 말리닌 - 예카테린부르크-페름: RAN UO 출판, 2006. p262.
[4]: D.A. 야고드니코프. 분말형 금속의 점화 및 연소 / D.A. 야고드니코프 - M.: 바우만 MGTU 출판, 2009. p432.
[5]: A.G. 예고로프. 반응형 원동기 장비의 직접 연소실에서 분말형 알루미늄 연소 과정 / A.G. 예고로프 - 사마라: RAN SNTs 출판, 2004. p375.
저자 정보
알렉산드르 그리고리예비치 예고로프, 공학 박사, 톨리야티 국립 대학 정교수. Tel.: (8482) 54-64-37. E-mail: eag@tltsu.ru . 연구 분야: 로켓 엔진.
안드레이 세르게예비치 티질로프, 톨리야티 국립 대학 대학원생. Tel.: (8482) 53-93-29. E-mail: andrewtizilov@mail.ru . 연구 분야: 로켓 엔진