헬륨분사를 통한 액체산소 냉각의 이론적 고찰 및 해석과 시험의 비교

Investigation of helium injection cooling to liquid oxygen chamber

헬륨분사를 통한 극저온 추진제의 과냉각 방식은 발사체의 이륙 전에 액체산소의 bulk boiling을 억제하고 과냉각 상태를 유지하기 위한 효과적인 방법들 중의 하나이다. 본 자료에서는 이러한 헬륨 분사 냉각 시스템에 대한 이론적 고찰을 통해 열전달과 질량전달 조건을 이해하고, 해석 모델을 제시하였다. 해석 모델의 주요 특징은 유한 열전달과 무한질량전달 개념을 이용하여 분사 시스템을 표현한 것이다. 또한, 실험과 해석결과의 비교를 통하여 해석 모델을 검증하였으며, 헬륨 분사량의 변화, 탱크 압력의 변화 등 조건 변화에 따른 결과를 살펴보았다.

Sub-cooling of cryogenic propellant by helium injection is one of the most effective methods for suppressing bulk boiling and keeping sub-cooled liquid oxygen before rocket launch. In order to design the cooling system, understanding of the limitations of heat and mass transfer is required. In this paper, an analytical model for the helium injection system is presented. This model's main feature is the representation of bubbling system using finite-rate heat transfer and instantaneous mass transfer concept. With this simplified approach, the effect of helium injection to liquid oxygen system under several circumstances is examined. Experimental results along with simulations of single bubble rising in liquid oxygen and bubbling system are presented with various helium injection flow rates, and with change of oxygen chamber pressure.