액체로켓엔진을 이용한 Graphite 노즐의 삭마 거동 연구

A Study on Ablation Behavior of Graphite Nozzle using Liquid Rocket Engine

고온과 고속의 열악한 환경 속에서 발생하는 비행체의 삭마현상은 일반적으로 상변화를 수반하는 유체의 유동, 에너지 전달, 질량전달, 화학반응이 수반되기 때문에 해석과정이 복잡하다. 본 연구에서는 액체로켓엔진의 흑연노즐에 대하여 1차원적으로 삭마현상을 수치해석하고, 실험을 통하여 이를 비교 검토하였다. 낮은 연소압력과 산화제/연료비에서는 삭마가 거의 이루어지지 않았으며, 연소압력과 혼합비가 낮은 경우에는 해석결과의 신뢰도는 낮고 정상작동 구간에서의 해석결과와 실험결과가 차이가 많은 것으로 보아 화학적 삭마 외에 기계적 삭마도 상당하다.

Ablation phenomena is very complicated because it includes momentum, energy and mass transfer, chemical reactions as well as phase change. In this paper, ablation at the rocket nozzle throat is modeled as unsteady one dimensional axi-symmetric with proper boundary conditions and field equation is solved numerically. Analytical results are compared with measured ablation data from firing experimental liquid rocket engine. Test variables are combustion pressure and mixture ratio. for low combustion pressure and low mixture ratio, the discrepancy between analysis and experiments are large but for the normal rocket operation range, two results show a simliar trend with maximum discrepancy of $100\%$.