[TECH] 연소 챔버, 화학적 배기 가스 가속 '올바른 위성 궤도' 콘트롤

유럽우주국(ESA)은 3D Systems 주문형 부품 제조 서비스 팀과의 협력을 통해 DMP(Direct Metal Printing)를 사용한 이중 추진 통신 위성 엔진에 중요한 인젝터, 연소 챔버, 팽창 노즐을 생산했다.

이러한 부품을 통해 ESA는 현재 설계의 제조를 추가로 개선할 잠재력을 갖고 있다고 평가했다. ESA와 3D Systems 전문가들은 DMP 설계를 활용해 앞서 언급한 위성 엔진 부품과 기능적으로 구별되는 설계 대안을 제작했다.

예를 들어, 지지 외부 구조 스캐폴드가 적용된 얇은 벽 압력 용기를 통합한 모놀리식 연소 챔버 설계가 있다. DMP는 중량을 줄이고 어셈블리를 간소화하며 제조 속도를 높이고 후기 단계 설계 조정을 지원한다.

밸브에서 연소 챔버까지 추진제 흐름
DMP 매니폴드를 통해 밸브에서 연소 챔버까지 추진제의 흐름을 최적화할 수 있다.

통신 위성은 모바일 인터넷과 은행 간 보안 금융 통신, 직접 TV 방송, 일기 예보를 위한 지구 관측에 필요하다. ESA의 역할 중 하나는 우주 위성 엔진 기술 개발을 감독하는 것이다. 내부 자금 지원 프로그램의 일부로 ESA는 금속 적층 제조/DMP(Direct Metal Printing)의 현재 상태를 조사하면서 향후 엔진 개발에 있어 그 잠재력과 성숙도를 평가하고 있다.

연구 프로그램의 일환으로 ESA는 3D Systems를 선택했다. 3D Systems는 세 개의 중요 엔진 부품의 현재 설계와 DMP 지원 기능 설계 변형 대안을 제작했다.


위성 엔진의 인젝터 부품은 두 개의 추진제를 제어된 방식으로 모아서 자연 발화시키고 지속적으로 연소시킨다. 벤튜리 형상의 연소 챔버는 화학적 배기 가스를 가속해 위성이 올바른 궤도를 돌도록 한다. 팽창 노즐은 다운스트림의 가스 흐름에 영향을 줌으로써 모션 특성에 영향을 미친다.

자유로운 설계 덕분에 ESA는 인젝터 어셈블리 부품 수를 기존 제조의 5개 이상에서 1개로 줄였고 안정적인 유압 분사 작동을 달성하는 데 필요한 위험한 실링 용접 작업을 많이 없애 비용과 위험을 크게 감소시켰다. AM 생산 공정을 완전히 제어함으로써, 3D Systems는 티타늄을 비롯한 점차 증가하는 금속과 합금에서 균일한 미세 구조와 최대 99.98%의 상대 밀도를 달성하고 있다.

DMP는 민감한 추진제 밸브 시트와 우주선 자체에 열이 다시 흡수되는 것을 방지하는 인젝터 열 설계를 확립하는 데도 적합하다. 공구 세공 액세스 제약이 없으므로 금속 스캐폴드를 대신 사용해 전도율을 제어해 열 스탠드오프를 재설계할 수 있다. 비행 가능한 티타늄 소재((Ti6Al4V)로 제작된 인젝터 부품은 우주 부문의 제품 보증 요건과 로켓 모터 디자이너의 설계 요구에 접근하고 있다.


분리된 챔버 기능M
소형 우주 위성 엔진의 연소 챔버는 일반적으로 노즐 출구가 지지되지 않는 수렴 발산 노즐로 구성된다. 추진제 반응은 배기 가스가 목 수축을 통과해 발산 영역으로 흘러 들어가 초음속으로 팽창하기 전에 수렴 영역에서 완료된다. 기존 챔버는 이러한 일시적 부하에 반응하는 두꺼워진 벽으로 발사와 관련된 비작동 부하를 견디도록 설계됐다. 일단 안정 궤도에 들어가고 작동이 가능해지면 챔버에는 이와 같은 두꺼운 벽이 필요하지 않다.


연소 챔버 기존 설계
작동 및 비작동 로드 케이스 사이에서 연소 챔버 기능을 분리하면 얇은 벽을 지지하는 스트러트 작업 리브로 전환한다.
DMP로 챔버 기능을 작동 및 비작동 로드 케이스 간에 분리할 수 있다. 직관적으로 이것은 팽창 노즐의 부착을 위해 얇은 연소기 벽과 용접 플랜지를 지지하는 스트러트 작업 리브로 변환된다. 거친 스트러트 작업 대신 3D Systems는 지지 구조를 저밀도 메시로 제작했다. 부피 밀도가 최저 12%까지 낮기 때문에 DMP는 연소 챔버 중량을 크게 줄이거나 구조적 안전 허용 범위를 개선할 수 있다.

Ti6Al4V 소재로 제작된 실제 챔버 소재는 극한의 연소열을 견디기 위해 내화성 소재 합금(예: 니오븀, 몰리브덴, 탄탈룸, 텅스텐 및/또는 레늄에 기반함)일 수 있다. 이처럼 혁신적인 연소 챔버 설계에 관한 추가 조사에는 응력 장에서 메시의 등방성과 상세한 열 충격에 대한 연구가 포함된다다. 이 메시는 유효 표면 방사율을 높이므로 챔버 주위의 열 플럭스에 분명한 영향을 미칠 것으로 판단하고 있다.


새로운 엔진 연소 챔버 설계
유망한 설계 기회를 통해 엔진 연소 챔버의 얇은 벽을 지지하는 방사 표면에 저밀도 메시가 만들어졌다.

ESA 엔지니어는 출구 직경이 50cm에 가까운 팽창 노즐을 제조하기 위해 DMP를 검사했다. DMP 생산량과 관련해서 3D Systems는 275x275x450mm 상자에 맞는 모든 부품 기하형상을 생산할 수 있다. 노즐의 응력이 비교적 낮아서 돌출부 질량을 최소화하는 것이 캔틸레버 엔진 설계의 여지를 늘리는 데 중요하다. 3D Systems는 티타늄(Ti6Al4V)으로 팽창 노즐을 제작했다.


Hyde에 따르면 DMP에는 설계의 유연성을 모두 제거하는 기존 회전 성형 판금에 비해 이점이 있다. 엔진 성능을 고객별 추력 프로파일에 맞게 조정할 수 있으므로 후기 공정까지 여러 설계 옵션이 남아 있을 수 있다.