개선된 pressure-volume-temperature 측정 방식을 이용한 극저온 유체 잔량 측정에 관한 연구

Abstract

저중력 상태에서는 지상에서와 달리 유체의 부착력, 응집력, 표면 장력 등이 유체의 거동에 매우 큰 영향을 미친다. 추진제 탱크내의 상부 가압가스와 하부 액체 추진제가 명확하게 분리되지 않는 추진제 특성이 나타난다. 일반적인 중력, 상온 상황과 매우 다른 저중력, 극저온과 같은 극한 상황에서의 추진제 잔량 측정은 매우 어려우며 기존 방법과 다른 측정법이 적용되어야 한다. Pressure-volume-temperature(PVT) 잔량 측정법의 가장 큰 장점은 액체 연료 발사체에서 사용되는 가압 설비를 있는 그대로 이용하므로 추가적으로 필요한 계측 장비의 최소화가 가능한 점이다. 본 논문에서는PVT 잔량 계측법의 지상 실험이, 극저온 산화제(액체 산소)와 유사한 온도, 점성, 표면 장력 특성을 가진 극저온 유체인 액체 질소와 발사체 가압 기체인 헬륨을 이용하여 7.4 L의 원통형 진공 단열 액체 질소 저장 용기에서 수행되었다. PVT 잔량 계측 실험이 액체 질소 충진이 되어 있지 않고, 외부 조건이 극저온 상태(77 K) 에서수행되었다. 이 실험을 통해 극저온 유체의 증발량의 영향을 제거한 경우, PVT 잔량 계측에 가장 큰 영향을 미치는 초기 압력 증분 현상을 관찰하였다. 초기 압력 증분 효과를 제거하기 위하여, 가압 기체인 헬륨이 주입되는 동안 일정한 미소 시간 구간마다 발생하는 새로운 가압 전.후 상태를 비교하여 기체부 부피를 구하는 차분화 측정 방식을 제안하였다. 과도 구간 동안의 오차 변화를 관찰할 수 있으므로 적절한 헬륨 주입 시간을 설계할 수 있으며, 액체 질소가 없는 극저온 경계 조건의 PVT 잔량 계측시 헬륨 주입 시간을 1/3 단축할 수 있었다. 차분화 측정법을 다양한 액체 질소 충진 및 헬륨 주입 유량 조건에서의 실험 결과에 적용하였다. 저충진 조건에서는 모든 주입 유량 조건에서 최대 8.2%의 측정 오차를, 온도 변화 불확정성이 커지는 고유량 주입 조건을 제외한 경우 최대 3.2%의 측정 오차를 보였다. 중충진 및 고충진 조건에서는 모든 유량 주입 조건에서 6.3%의 측정 오차를 보였다.