H3 로켓의 개발 1 단계 토토 사이트 LE-9 터보 펌프

Motomura Yasuichi, Mihara Rei, Suzuki Keisuke, Shinomiya Kyogyo

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Motomura Yasuichi, 로켓 개발 사업 촉진 부서, 항공, 우주 및 방어 사업
Rei Mihara, Rocket Development Business Promotion Department, Aviation, Space and Defense Business
Suzuki Keisuke, 로켓 개발 사업 촉진 부서, 항공, 우주 및 방어 사업
Shinomiya Kyoiku, 로켓 개발 비즈니스 프로모션 부서, 항공, 우주 및 방어 비즈니스 영역

LE-9 토토 사이트은 H3 로켓을위한 단일 단계 액체 산소/액체 수소 토토 사이트으로 현재 높은 신뢰성, 성능 및 저렴한 비용으로 개발 중이며 위성 발사 시장에 진출하려고합니다. LE-9 토토 사이트의 개발은 임시 사양으로 작동하면서 최종 개발 목표를 달성 할 계획입니다. 2024 년 2 월, H3 로켓은 임시 LE-9 토토 사이트이 장착 된 두 번째 테스트 비행에서 성공적으로 출시되었습니다. LE-9 토토 사이트의 추력은 1,500kN 레벨로 H-IIA 로켓의 LE-7A 토토 사이트의 1.4 배 미만이지만 비용을 줄이기 위해 토토 사이트주기는 2 단계 연소 사이클에서 expander 블리드 사이클로 변경되었습니다. 따라서 터보 펌프의 설계 사양은 크게 다르며 터빈 블레이드 진동을 포함한 다양한 기술 문제에 직면 해 있습니다. 이 기사에서는 LE-9 토토 사이트의 터보 펌프의 설계 사양, 기술 기능 및 개발 상태를 설명합니다.

LE-9 토토 사이트은 개발중인 H3 발사 차량의 첫 번째 단계에 사용되는 액체 산소 / 액체 수소 로켓 토토 사이트입니다. LE-9 토토 사이트의 개발은 임시 사양과의 실제 작업과 동시에 최종 개발 목표를 달성 할 계획입니다. 두 번째 H3 발사 차량 (H3TF2 : Test Flight No. 2)은 2024 년 2 월에 LE-9 토토 사이트을 사용하여 임시 사양을 사용하여 성공적으로 출시되었습니다. LE-9 토토 사이트의 추력은 LE-7A 토토 사이트의 거의 1.4 배이지만 토토 사이트주기는 H-IIA 발사 차량에 사용되는 LE-7A 토토 사이트의 단계적 조합 사이클에서 생산 비용을 줄이기 위해 팽창기 블리드 사이클까지 변경됩니다. 따라서 터보 펌프의 설계 사양은 크게 다르며 터보 펌프의 개발은 블레이드 진동을 포함한 다양한 기술적 문제에 직면합니다. 이 백서는 LE-9 토토 사이트에 대한 터보 펌프의 사양, 기술적 특징 및 개발 상태를 설명합니다.

1. 소개

H3 로켓은 현재 현재 운영중인 H-IIA/B Rocket의 신뢰성, 발사 용량 및 비용 절감을 위해 개발 중이며 2024 년 2 월 테스트 비행 번호 2가 성공적으로 시작되었습니다. 로켓 개발에서 토토 사이트은 신뢰성, 성능 및 비용에 영향을 미치는 중요한 요소이며 H3 로켓에는 새로운 1 단계 토토 사이트으로 LE-9 토토 사이트이 장착되어 있습니다. 로켓 토토 사이트은 터보 펌프를 사용하여 탱크에서 공급 된 저압 추진제 및 산화제를 향상시키고, 인젝터를 통해 연소실에 주입하고, 고온 및 고압 조건 하에서 연소하며, 노즐을 사용하여 연소 가스의 흐름을 가속화하여 추진력을 생성합니다.그림 1LE-9 토토 사이트의 모양을 보여줍니다. 또한그림 2LE-9 토토 사이트주기를 보여줍니다. LE-9 토토 사이트은 액체 산소와 액체 수소를 추진제로 사용하고 단순하고 강력한 토토 사이트주기 인 Expander Bleed Cycle을 사용하는 세계 최초의 대형 스러스트 토토 사이트입니다. 이 토토 사이트주기에서, 터보 펌프의 펌프에서 강화 된 추진제의 일부는 연소실을 식히는 데 사용되며,이 공정 동안 생성 된 상승 된 수소 가스는 터빈을 구동하는데 사용되며 노즐로 방출된다.

개발에서 LE-9 토토 사이트의 기술적 문제가 공개되었으며 문제를 해결하는 데 시간이 걸렸지 만 H3 로켓을 발사 시장에 출시하는시기의 지연을 최소화하기 위해 LE-9 토토 사이트은 잠정 사양으로 실제 운영으로 이동하여 최종 개발 목표를 달성하기 위해 지속적으로 개발되었습니다. 구체적으로,이 계획은 첫 번째 테스트 비행의 성능 및 작동 범위에 대한 제약 조건이있는 유형 1 토토 사이트, 초기 작동에 대한 조작에 대한 제약 조건이없는 유형 1A 토토 사이트 및 성능이 향상되고 최종 대량 생산 작업에 대한 비용이 절감되는 타입 2 토토 사이트을 순차적으로 적용하는 것입니다. 이 기사를 작성할 때 Type 1A 토토 사이트을 사용한 Unit 3까지 시작하여 성공적으로 완료되었으며 Type 2 토토 사이트의 개발이 진행 중입니다.

이 기사에서는 LE-9 토토 사이트의 설계 사양과 우리가 개발할 책임이있는 터보 펌프의 기술적 기능에 대해 설명하고 현재 개발 상황을 설명합니다.

2. LE-9 토토 사이트 개요

2.1 토토 사이트 개념

LE-9 토토 사이트의 개념은 비용 효율적이고 더 안정적입니다^{( 2 )}. 따라서, 위에서 언급 한 Expander 블리드 사이클을 채택함으로써, 2 단계 연소 사이클에 필요한 가스 발생기주기 또는 터빈주기를위한 연소기를 사용할 필요가 없다. 토토 사이트 시스템이 단순화되었고 배기 가스 덕트를 포함한 터빈 섹션의 온도가 줄어들어 높은 신뢰성과 저렴한 비용으로 토토 사이트이됩니다. 한편, 팽창기 블리드 사이클은 연소 가스보다 온도가 낮으며, 주어진 출력을 얻으려면 높은 터빈 효율이 필요합니다. 큰 전력을 얻으려면 터빈이 증가하고 구동 가스의 양이 증가 할 수 있지만 팽창기 블리드 사이클에서 터빈 구동 가스는 연소에 사용될 수 없어 토토 사이트 성능의 악화로 이어집니다. HIP (Hot Isostatic Pressing) 소결 재료 및 AM (부가 적 제조) 재료와 같은 혁신적인 생산 기술을 적용하여 비용 감소가 촉진되고 있으며, 개념적 설계 단계에서 부품 수를 줄이고 고비용 프로세스를 줄이려는 계획을 고려합니다.

2.2 토토 사이트 사양/터보 펌프 사양

LE-9 토토 사이트의 기본 사양표 1에 표시됩니다. 토토 사이트 추력은 1,471 kN입니다. 토토 사이트은 큰 추력에도 불구하고 간단한 팽창기 블리드 사이클을 특징으로하며, 전기 밸브를 사용하여 토토 사이트주기를 조절할 수 있습니다.

표 2LE-9 토토 사이트 액체 수소 터보 펌프 (FTP)의 사양을 보여줍니다. FTP의 경우, 공칭 회전 속도는 LE-7A 토토 사이트의 속도와 유사하지만 (이하 LE-7A라고 함) 터빈 팽창 비율은 매우 높고 펌프 방전 압력은 LE-7A에 비해 약 70%입니다.

또한표 3LE-9 토토 사이트 액체 산소 터보 펌프 (Oxidizer Turbo Pump : OTP라고하는 이하)의 사양을 보여줍니다. OTP의 공칭 회전 속도는 LE-7A의 공칭 회전 속도보다 낮으며 터빈 입구 압력도 낮습니다.

3. LE-9 토토 사이트 터보 펌프의 특징

3.1 액체 수소 터보 펌프

그림 3LE-9 토토 사이트 FTP 로터의 어셈블리를 보여줍니다. LE-7A FTP에서 펌프 부분은 단일 단계 유도기 및 2 단계 임펠러 였지만 LE-9 토토 사이트에서는 토토 사이트 사이클의 변화로 인해 필요한 방전 압력이 감소 했으므로 구성은 2 단계 유도기와 단일 단계 임펠러였습니다. 임펠러는 샤프트 길이를 단축하기 위해 단일 단계로 만들어졌으며, 40,000 rpm 이상의 높은 회전 속도로 등급의 작동을 가능하게함으로써 2 차 임계 속도 이하로 정격 작동을 허용하여 진동 안정성을 향상 시켰으며 LE-7A는 또한 필요한 댐퍼 메커니즘을 사용하여 중지되었습니다. 또한 비용을 줄이고, 제조 제약을 용이하게하고, 구조 강도 마진을 보장하기 위해 임펠러는 슈로드가없는 개방형 임펠러 모양을 채택합니다. 또한, 베어링은 하이브리드 세라믹 베어링을 사용하여 베어링 냉각 유속을 줄임으로써 펌프 효율을 향상시키고 터빈은 큰 터빈 팽창 비율을 갖는 2 단계 초음속 충동 터빈이며, 낮은 엔탈피의 터빈 구동 가스로부터 큰 출력을 얻습니다.

3.2 액체 산소 터보 펌프

그림 4LE-9 토토 사이트 OTP 로터의 어셈블리를 보여줍니다. OTP 터빈의 입구 압력은 낮으며 2 단계 트랜스 닉 반동 터빈입니다. 큰 출력을 생성하기 위해 주변 속도와 노즐 영역은 큰 것으로 설계되어야하며 터빈 디스크의 직경은 터보 펌프의 경우 매우 커집니다. 반면에, OTP의 1 차 위험 속도는 터빈이 주위로 돌아 오는 진동 모드이기 때문에, OTP의 샤프트 직경이 증가하고, 강성 로터 모양이 채택되어 OTP가 1 차 위험한 속도보다 낮게 작동하도록합니다. 샤프트 직경의 확장으로 인해 필요한 베어링 직경의 확장과 같은 기술적 문제는 원소 테스트를 통해 해결되었습니다.

3.3 저렴한 비용

개념 설계 단계에서, 우리는 1) 부품 수 감소, 2) 처리 방법 변경, 3) 특수 프로세스 변경, 재료 변경, 이들 각각의 타당성을 찾는 것과 같은 모든 분야에서 비용 절감 아이디어를 추출했습니다. LE-7A와 달리 2 차 연소기가 없으므로 터보 펌프의 배출 압력이 낮고 임펠러는 단일 단계로 만들어 부품 수를 줄일 수 있습니다. 또한 터빈 구동 가스의 온도가 감소하여 저렴한 터빈 재료를 채택하고 터빈 블레이드 및 디스크 (Brisch)를 통합하고 표면 처리 위치를 줄임으로써 비용을 줄일 수 있습니다. FTP와 OTP는 모두 슈로드가없는 개방형 임펠러를 사용하여 작업 가능성을 향상시켜 비용이 낮아집니다.

4. LE-9 토토 사이트 터보 펌프 단일 테스트

4.1 시험 목표

그림 5LE-9 토토 사이트의 개발 일정을 보여줍니다. 2014 년부터 우리는 요소 수준 테스트를 수행했으며 각 요소의 기능과 성능을 확인한 후 2016 년부터 실제 터보 펌프 모델 (엔지니어링 모델)을 제조하고 2016 년 말에 단위 기반 터보 펌프 테스트를 수행했습니다. 터보 펌프 단독 특성은 토토 사이트 펌프 테스트 이전에 표시된 터보 펌프 단독 특성을 획득하는 것이 었습니다.

1. 터보 펌프 성능 특성 (펌프, 터빈)
2. 축 진동 특성 (축, 방사형)
3. 기계적 특성 (베어링, 샤프트 밀봉 씰)
4. 내부 순환 특성

테스트는 일본 항공 우주 탐사 기관 (JAXA)의 Tsunoda Space Center (Miyagi Perfecture)에서 수행되었습니다.그림 6그림 7LE-9 토토 사이트 OTP 장치 테스트의 상태를 보여줍니다.

4.2 시험 결과

LE-9 토토 사이트 터보 펌프 테스트 데이터의 예그림 8에 표시됩니다. 터보 펌프는 가스 저장소로부터 Turbine에 GH2 (수소 가스)를 공급하고, 런 탱크로부터 LH2 (액체 수소) 또는 LOX (액체 산소)를 공급하여 터보 펌프를 활성화 시켰으며, 데이터를 얻었다. 스타트 톱 과도 특성에는 문제가 없었으며 꾸준한 작동 중 FTP 및 OTP 터보 펌프의 특성은 설계 예측 값을 거의 만족 시키며 과도한 샤프트 진동이 생성되지 않았습니다. 그러나 테스트 후, OTP의 터빈 섹션에서 문제가 발견되었고 기술적 인 문제를 해결하기 위해 FTP와 OTP의 구성 요소 구조의 변화에 ​​따라 테스트가 계속되었으며,이 글을 쓰는 시점에서 총 26 개의 FTP가 수행되었고 총 23 개의 OTP가 수행되었습니다.

4.3 날개 진동 측정

LE-9 터보 펌프의 개발에서 터빈은 FTP와 OTP 모두에 채택되었지만 플러터와 공명으로 인한 피로가 문제가되었습니다. 이 문제를 해결하기 위해서는 작동 중 날개의 날개 진동을 결정하기 위해 날개 진동 상태를 이해해야했습니다.

블레이드 진동 측정은 다음 두 가지 방법을 사용하여 수행되었습니다.

1. 블레이드의 외부 주변에 부착 된 다중 광학 센서를 사용하여 모든 블레이드의 블레이드 팁의 진동 상태를 파악하는 방법
2. 작은 스트레인 게이지의 측정 데이터가 회전기에 부착 된 송신기에서 케이싱에 부착 된 수신기에 송수신기로 전송되는 원격 측정 방법을 사용하여 변형을 측정하는 방법

이러한 모든 방법은 제트 토토 사이트 개발에서 입증되었지만 LE-9 터보 펌프에서 터빈 드라이브 가스는 수소 가스이며, 작동하기 전에 작동하기 전에 펌프 측에서 극도로 냉동 유체 (액체 수소 또는 액체 산소)에 의해 열전도율로 냉각되며, 최대 40,000 RPM 또는 더 많은 장비의 고분기 속도를 갖습니다. 제트 토토 사이트. 이러한 환경에서 측정 위험을 줄이기 위해 첫 번째 블레이드 진동 측정을 미리 수행 한 다음 터보 펌프 단독 테스트를 수행했습니다. 결과적으로 데이터 수집에 필요한 사양 및 절차가 설정되었습니다. 또한, 설계 당시 예상보다 더 많은 날개 진동이 생성된다는 것이 발견되었으므로, 우리는 진동 모드의 모양에 대한 의존성이 낮은 원격 측정법을 사용하여 주로 변형을 측정하기로 결정했습니다 (2).

로켓 터보 펌프의 터빈 블레이드의 블레이드 진동을 측정하는 방법을 설정함으로써, 우리는 블레이드 진동 문제의 원인에 대한 정확한 조사를 기반으로 효과적인 블레이드 진동 대책을 고려할 수있었습니다.

5. LE-9 토토 사이트 연소 테스트

5.1 시험 개요

터보 펌프 테스트를 완료 한 실제 모델은 토토 사이트 시스템에 통합되었으며, 2017 년 4 월부터 연소 테스트는 다음 특성을 얻기 위해 Jaxa Tanegashima Space Center (Kagoshima Prefturecture)의 첫 번째 장치로 수행되었습니다.그림 9LE-9 토토 사이트 연소 테스트의 상태를 보여줍니다.

1. 꾸준한 성능 확인
2. 시작/정지/스로틀 시퀀스 설정
3. 일시적 특성 확인
4. 터보 펌프 흡입 성능 및 동적 특성
5. 전기 밸브를 사용하여 작동 지점 제어 특성 획득
6. 선행 속성 획득

5.2 시험 결과

토토 사이트 연소 테스트에서 FTP 및 OTP 터보 펌프는 스타트 업 및 과도 동작을 포함한 문제없이 작동했으며 과도한 샤프트 진동이 발생하지 않았습니다. 펌프 흡입 성능은 목표를 초과했으며 유해한 진동 현상이 발생하지 않았 음을 확인했습니다. FTP 및 OTP의 터빈 섹션에서 공명으로 인한 펄럭이는 피로와 피로로 인해 문제가 발생했지만 FTP 및 OTP에 대한 터빈 설계가 변경되었으며 토토 사이트 연소 테스트가 계속되었으며 블레이드 진동과 관련된 기술적 문제가 해결되었음을 확인했습니다.

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지금까지 수행 된 토토 사이트 연소 테스트의 작동 데이터 예그림 10에 표시됩니다. 이 테스트는 두 가지 다른 조건에서 최대 회전 속도까지 가속 및 감속에 의해 각 블레이드 진동 모드의 응답을 측정하기 위해 수행되었습니다.

Type1 및 Type1A 토토 사이트에 대한 인증 테스트가 이미 완료되었으며 Type1 및 Type1A 토토 사이트이 장착 된 테스트 비행 번호 2에 문제없이 비행 시연이 완료되었습니다.

향후 성능 향상 외에도 회사는 더 낮은 비용을 고려하여 설계 변경이있는 유형 2 토토 사이트에 대한 인증 테스트를 수행하고 운영 범위에 대한 호환성과 내구성을 확인할 계획입니다.

5.3 날개 진동 측정

실제 작동 조건에서 블레이드 진동 대응의 효과를 확인하기 위해, 터빈 블레이드 진동 측정도 토토 사이트 연소 테스트 중에 수행되었습니다. 토토 사이트 연소 테스트는 터보 펌프 단독에 비해 오랜 시간 동안 수행 될 수 있으므로 작동 조건을 변경하는 동안 수행 할 수 있으며보다 자세한 데이터를 얻을 수 있으며 이는 설계에 반영 될 수 있습니다.

6. 결론

터보 펌프의 LE-9 토토 사이트, 토토 사이트 설계 사양, 기술 기능 및 개발 상태의 개발 개요를 설명합니다. LE-9 토토 사이트은 전 세계에서도 전례가없는 대형 스러스트 토토 사이트에 팽창기 블리드 사이클을 사용하는 토토 사이트입니다. 또한 혁신적인 생산 기술이 적용되고 있으며 비용 효율적인 감소가 이루어지고 있습니다.

Test Flight No. 1을 출시하지 못한 후 H3 Rocket은 지금까지 Test Flights No. 2 및 No. 3을 성공적으로 시작했습니다. 이들 모두는 아무런 문제없이 작동하고 있으며 LE-9 토토 사이트은 이제 임시 사양과 함께 초기 작동 단계에 있습니다.

LE-9 토토 사이트 개발 중에 발견 된 날개 진동과 같은 기술적 문제의 경우, 대책의 원인과 효과는 터보 펌프 단일 테스트 및 토토 사이트 연소 테스트를 통해 조사됩니다. 특히, 운영 중 터빈의 블레이드 진동 측정을 기반으로 한 블레이드 진동 대책은 회사 외부에서 높은 수령되어 일반적인 통합 협회 인 터보 기계 협회 (Turbo Machinery Association)의 기술 상을 수상했습니다.

앞으로, 우리는 유형 1A 토토 사이트을 초기 작동으로 계속 제조 할뿐만 아니라 저비용 대량 생산 된 2 형 토토 사이트에 대한 개발 테스트를 수행 할 계획입니다.

이 사례는 일본 항공 우주 탐사 기관과의 개발 계약을 기반으로 수행됩니다.

- 사과 -

LE-9 토토 사이트의 터보 펌프를 개발할 때, 우리는 National Aerospace Exploration Agency, Mitsubishi Heavy Industries, Waseda University 및 기타 관련 파티로부터 많은 지원과 협력을 받았습니다. 여기서 깊은 감사를 표현하고 싶습니다. 마지막으로, 우리는 많은 결과를 얻었음에도 불구하고 개발이 완료되기 전에 세상을 떠난 Mizuno Tsutomu와 Motoi Hisayuki에 대한 감사와 애도를 표명하고 싶습니다.

　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　　　 　　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　

Volume 64, Issue 2 Special Feature Energy and Smart Technologies 지속 가능한 미래를 지원합니다