시간 없으신 분들을 위한 제작과정 3분 요약 영상
제작기간 7월
(설계기간 및 마음먹기 포함 1년)
Mk.1 제작과정
23.12.06 - 실험용 인젝터 설계 완료 및 3D 프린팅 제작 의뢰
23.12.19 - 인젝터 인쇄 완료
23.12.20 - 인젝터 실험 결과 : 실패
- 실패 원인 : 인젝터 구멍이 너무 많아서 압력이 낮아짐 -> 결과적으로 샤워기가 되어버림
구멍간의 거리가 너무 가까워서 서로 충돌하는 것이 아닌 하나의 물줄기처럼 나아감
- 개선 : 기존 인젝터 폐기처리 및 구멍 수를 기존 0개에서 0개로 축소
23.12.22*(추정) - 2차 인젝터 실험 결과 : 성공
24.01.06 - 연소기 설계 완료 및 3D 제작 의뢰
24.01.19 - 연소기 제작 완료
- 열교환기 제작 완료
24.01.23 - 산소 용기에 1자 풍선을 연결하여 액화 산소를 만들려 했으나 산소 압력에 의해 풍선이 벗겨지며 실패
24.01.24 - 산소 레귤레이터와 실리콘 라인을 이용하여 적당한 압력으로 액화산소 생성 성공
1차 실험 결과 : 실패
- 산화제 : 액화 산소 (0ml/s)
- 연료 : 액체 연료 (0ml/s)
- 실패 원인 : 액화 산소 펌프의 고장
- 개선 방향 : 액화 산소의 가압식 공급
24.02.23 - 액화 산소 공급을 펌프가 아닌 가압식 사이클로 작동시키기 위해 액화 산소를 담을 통(스테인리스)과
가압하기 위한 피스톤 헤드와 스테인리스 플렉시블 호스를 제작하였으나 불완전한 형태로 제작되어 정확한 밀봉을 할 수 없었음
24.03.08 - 멀리서 작동시키기 위해 펌프의 전기선을 연장 및 스위치를 설치함
24.03.10*(추정) - 통과 피스톤 헤드를 밀봉하기 위해서 극저온에서도 상태가 변화하지 않으면서 어느정도의
형태변화와 비점착성이 있는 PTFE재질의 씰을 주문제작하였으나 피스톤 헤드 일부가 들어간 후 움직이지 않음
24.03.18 - 액화질소를 통에 담은 뒤 중력을 이용하여 펌프로 공급 이후 작동해보았으나 펌프가 작동되지 않음
24.03.20 - 펌프 분해 후 극저온 유체를 펌핑하기에 적합하지 않을 것으로 추정함
24.03.26 - 톱니 모양의 장난감을 보고 이를 구매하여 기어펌프를 제작하여 액화 산소를 공급하기로 결정
24.03.29 - 용접공에게 해당 재질은 용접할 수 없음을 통보받음
24.04.07*(추정) - 기어펌프 설계 완료
24.04.09 - 기어펌프 3D 프린팅 제작 의뢰 (PLA 와 레진 재질)
24.05.03 - 기어펌프 작동 테스트 중 기어의 샤프트가 부러짐
<기어의 샤프트가 파손된 모습 (좌측)>
24.05.08*(추정) - 기어펌프 작동 실험 결과 : 실패
- 기타 : 샤프트의 길이를 줄인 기어로 재출력 후 작동 시험하였으나 샤프트의 파손
기대치보다 낮았던 유량과 볼베어링 쪽에서의 심각한 누출
모터가 일정시간 작동 후 죽어버리는 상황 발생
24.05.09*(추정) - 기존 액화질소 펌핑에 실패하였던 펌프의 윤활제를 모두 제거한 후 정상 작동됨을 확인
- 점화기 제작 완료 및 정상 작동 확인
24.05.10 - 액화질소에 모터를 담구어 극저온 상태로 만든 뒤 작동상태 확인하였고 결과는 미작동
다만 모터가 일정온도 이상 올라오면 다시 재작동됨을 확인
- 펌프 역시도 극저온 상태에서는 기계적 작동 자체를 하지 못하며 일정온도 이상 올라오면 재작동됨을 확인
- 예산문제로 인해 추가적인 펌프를 만들 수 없었으며 액화 산소 사용 계획은 폐기하기로 결정
<극저온 상태에서 작동되지 않는 모터>
24.05.13 - 2차 실험 결과 : 실패
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0ml/s)
- 실패 원인 : 연료의 미립화 실패 (당시에는 과도한 연료량으로 추정함)
- 개선 방향 : 연료의 공급량 낮추기
24.05.16 - 펌프 초당 유량 조절 확인 (조절량 0~0 ml/s)
- 3차 실험 결과 : 실패
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0ml/s)
- 실패 원인 : 연료의 미립화 실패
- 개선 방향 : 인젝터 수정
24.05.27*(추정) - 기존 인젝터 제거 후 새로운 인젝터 설치 (연료 공급용)
24.06.03 - 4차 실험 결과 : 실패
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0ml/s)
- 실패 원인 : 최초 시동 시 충격파 발생 -> 충격파에 의해 산소 라인쪽 역화 발생 -> 이후 가연성 물질인 산소라인에 불이 붙게 되면서
산소 공급 라인 파손으로 인한 산소 공급 불량 -> 시동 강제 종료
24.06.04*(추정) - 산소 라인에 불가연성 물질(금속)로 된 라인을 추가로 설치
24.06.05 - 5차 실험 결과 : 성공
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0 ->0ml/s)
- 마하 다이아몬드 관측 : X
- 문제점 : 노즐목 구멍이 너무 커서 배기가스를 음속까지 가속시키지 못하였음
- 기타 : 처음으로 안정적인 연소 성공 및 온도 상승으로 인한 연소기의 상태 변화 첫 관측
추력 조절 기능 테스트 성공
24.06.06 - 노즐목을 기존 직경 0mm 에서 0mm로 축소
24.06.10 - 6차 실험 결과 : 실패
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0ml/s)
- 마하 다이아몬드 관측 : X
- 실패원인 : 점화기가 연소기 밖에서 작동하게 되면서 연소기 내부 점화 실패 -> 푸른 화염방사기가 됨 -> 시동 종료
24.06.11 - 7차 실험 결과 : 성공
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0ml/s)
- 마하 다이아몬드 관측 : X
- 기타 : 출력은 5차 실험보다 비약적으로 강하다고 추정되었으나 배기가스의 관측은 실패 연료량이 부족하다고 판단되어
기존 1개 연료 공급 라인을 2개로 추가 확장함
24.06.19 - 8차 실험 결과 : 성공
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0~0ml/s)
- 마하 다이아몬드 관측 : X(추정)
- 기타 : 최초로 마하 다이아몬드를 관측했다고 생각되었음
5차 실험보다 추력이 강해졌다고 추정됨
배기가스가 노즐 출구의 크기를 넘어서 과소 팽창 형태로 인해 마하 다이아몬드가 처음과 끝에 나타났고 최대 출력에서는
대기압 이상의 압력으로 인해 나타나지 않은 것이라 추정함
저출력에서 고출력까지 점진적으로 추력 조절
- 개선 방향 : 출구 노즐의 크기를 키우기로 결정
<당시 마하 다이아몬드의 흔적이 아닐까 추정했던 장면 (불꽃 내부의 불꽃)>
24.06.20 - 신규 출구 노즐 설계 완료 및 3D프린팅 제작 의뢰
24.06.27 - 신규 노즐 제작 완료
24.07.01 - 신규 노즐 장착 완료
- 9차 실험 결과 : 성공
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0~0ml/s)
- 마하 다이아몬드 관측 : X
- 기타 : 엄청난 과대팽창 출구 노즐에서 배기가스는 기존의 불투명한 흰색에서 투명에 가까운 푸른색으로 변화되었고
추력을 올릴수록 푸른 불꽃이 끊어지는 현상을 관측하게 됨
당시에는 너무 과도하게 큰 출구 노즐이 이러한 현상의 원인으로 생각함 연료량을 늘리면 배기가스의 크기도 늘어나고
마하 다이아몬드를 관측할 수 있으리라 생각 연료량을 늘리기로 결심 (기존 0개에서 0개로 증가)
추력을 키웠다가 줄였다가 테스트 해봄
24.07.05 - 연료 공급용 인젝터 0개 연소기에 장착 완료
- 10차 실험 결과 : 실패
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0~0ml/s)
- 마하 다이아몬드 관측 : O
- 실패원인 : 과도한 연료량으로 인해 연소기 내부가 질식상태에 빠지게 되었고 연소가 강제 종료됨
당시에는 너무나 과대 팽창된 노즐 형상으로 인해 시동 종료된 것으로 생각함
- 기타 : 연료라인을 0개에서 0개로 축소 (연료량 0~0ml/s 로 감소)
출구 노즐과 노즐목을 축소함 (출구 노즐 0mm -> 0mm / 노즐목 0mm -> 0mm*(추정)
24.07.10 - 신규 노즐목 / 출구노즐 장착 완료
24.07.11 - 11차 실험 결과 : 성공
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0~0ml/s)
- 마하 다이아몬드 관측 : O(확실한 관측)
- 기타 : 첫 마하 다이아몬드 관측
9차 실험 때처럼 최대 출력에서 푸른 불꽃이 끊어지는 현상 재관측 산소 압력 공급이 부족한 것으로 추정하여
산소 공급 압력 증가 결심
<불꽃 내부의 작은 점들은 초음속으로 나아가는 배기가스가 대기압보다 낮아 한 번 대기압에 의해 압축되고 재점화되면서 나타나게 된다>
24.07.19 - 산소 공급라인 고압을 위한 작업 시작
24.07.21 - 산소 공급라인 작업 완료
- 12차 실험 결과 : 성공
- 산화제 : 가스 산소 (0Mpa)
- 연료 : 액체 연료 (0~0ml/s)
- 마하 다이아몬드 관측 : O(확실한 관측)
- 기타 : 육안으로 관측될만큼 추력이 매우 향상됨
추력이 향상된 만큼 소리와 온도도 매우 향상되었음 (노이즈 캔슬링을 뚫고 이어폰이 지지직 거리는 현상이 발생)
11차 실험과는 달리 최대 출력에 도달하여도 푸른 불꽃이 끊어지지 않음을 확인
높은 열로 인해 연소기가 시동 후 10초만에 녹아버림 -> 시동 강제 종료
가장 크고 뚜렷한 마하 다이아몬드를 관측 (일시적)
<뚜렷하게 관측된 마하 다이아몬드>
<녹는점 1450도 이상인 스테인리스가 시동 후 10초만에 녹아내렸다.>
Mk.1 실험 종료
1.연소기가 녹아내려서 재작동하기 어려움
2.다시 수리를 한다고하여도 현재 상태에서는 다시 녹아버릴 것
3.기존의 잉여 연료 공급라인에서 역화현상 발생 해당 라인을 제거하기 곤란한 구조
4.연소기가 너무 짧고 직경이 너무 커서 효율적인 연소효과를 기대하기 어렵다고 추정됨
5.자금 고갈
이번 실험으로 얻은 결과값
1.체임버 압력은 7Mpa 미만이다.
2.연료공급 압력은 체임버 압력 이상이다.
3.산소공급 압력은 체임버 압력 이상이다.
4.체임버 내부 온도는 1450도 이상이다.
5.Mk.1 엔진의 배기가스는 일시적으로 초음속을 돌파하였다.
Mk.1 엔진의 문제점과 Mk.2 엔진에서의 개선 방안
1. 하단부 초과열 문제
하단부에서 녹는 현상이 발생했던 것은 아래의 벽돌과 밀착되어 있어서 대기 중에 노출된 면에 비해서
냉각 성능이 떨어졌기 때문으로 추정된다 이 부분은 이전 실험들에서도 관측되어서 벽돌과 연소실 외부 벽에
물을 뿌려보았으나 1초 이내에 모두 증발하면서 작은 효과도 얻을 수 없었다.
<여러 실험에서 벽돌과 맞닿아 있는 아랫면이 먼저 달궈지는 모습을 관측할 수 있다>
Mk.2 개선 방안 : 향후 제작할 Mk.2 에서는 덤프냉각 장치를 도입하여서 최대 1분 이상의 연소 작동을
목표로 하고 있음.
2.잉여 연료 라인에서의 역화 문제
로켓 엔진의 점화 후 출력을 최대출력으로 올리면서 체임버 내 압력이 증가하게 되었고 이로 인해
잉여 연료 공급 장치의 역화 문제가 발생하였다 그로 인해 연료가 공급되었던 3개의 라인에서
미세하게 누출된 연료가 대기 중의 산소와 만나 불이 옮겨붙게 되었다 다행히도 연료 공급에 이상이 발생하지는 않았지만
장시간 작동 시 연료 라인이 녹았을 것이며 이로 인해 원할한 연료 공급이 불가했을 것이다.
Mk.2 개선 방안 : 잉여 연료라인을 만들지 않을 것이며 피치못하게 생기게 된다면 확실하게 밀봉하여 역화문제를 해결할 것임
3. 연소기 디자인 문제
현재 연소기의 형태에서는 연료가 완전하게 타오르는데에 부적합한 형태라고 추정이 됨
이로 인해 추력에 있어서 상당한 손실을 보고 있다고 생각이 되고 마하 다이아몬드의 지속적인 관측도 불가하다고 추정됨
Mk.2 개선 방안 : 연소기의 직경을 줄이고 길이는 늘려서 연료가 완전히 점화할 수 있는 시간을 벌어주어서 추력의 최대화와
지속적인 마하 다이아몬드 관측을 목표
Mk.1 TMI
1.재료의 대부분은 스테인리스로 이루어져 있으며 그 이유는 다음과 같다
1-1.3D프린팅으로 고도의 정밀가공이 가능하면서 가장 구하기 쉽고 저렴했다.
1-2.1항을 만족하면서도 내열성 내식성과 강도가 우수했다.
1-3.그 밖에 열에 노출되는 다른 부속품들을 열팽창에 의해 스테인리스로 통일하기 쉬웠으며
스테인리스가 가공된 기성품들을 구하기 쉬우며 저렴했다.
2.인젝터는 충돌 인젝터를 기반으로 제작되었다.
2-1.충돌 인젝터로 선택한 이유는 가장 만들기 쉬우면서 효과가 뛰어났다.
2-2.단순한 구조 고장날 이유가 없는 인젝터
2-3.다만 충돌 인젝터간의 거리가 너무나 짧다면 충돌하기 이전에 하나의 유체로 합쳐지면서
마치 하나의 인젝터에서 나오는 듯한 현상이 발생하며 미립화 현상을 얻기에는 어려웠다.
2-4.제작 과정 중 액체와 액체로 충돌해야할 것이 기체와 액체로 바뀌게 되면서 액체와 액체가 만나 충돌하는
경우보다 덜 미립화되었을 것이고 덜 섞였을 것으로 추정된다.
3.노즐 목구멍과 노즐 출구는 눈대중으로 만들었다.
3-1.배기 가스의 흐름이 너무 느려보이면 목구멍을 줄였다.
3-2.배기 가스가 출구 노즐에 비해 과대해보이면 출구 노즐을 늘렸고 과소해보이면 출구 노즐을 줄였다.
마무리 겸 소감
저는 불과 1~2년 전만 하더라도 로켓에 대해서 아무것도 모르고 관심도 없었던 웹툰작가 지망생이었습니다
저의 야심작 '헬창 카페'가 큰 인기를 끌지 못하고 막을 내리게 되면서 웹툰 작가의 재능이 없다고 판단하여 웹툰 작가의 꿈을 포기하였습니다
이후 우연히 유튜브에서 과학 유튜브 '긱블' 채널에서 치킨을 성층권에 올리는 실험 영상을 보게 되었습니다
이 영상을 보니 문득 지구가 너무 아름답다는 생각이 들었고 나도 한 번 풍선을 성층권보다 더 높은 우주로 쏘아올려 지구를 찍어보고 싶다는 생각이 들었습니다 그러나 풍선으로는 물리적으로 우주까지 진출할 수 없다는 것을 깨달았고(부력의 문제)
이후 로켓 엔진을 제작하기로 마음 먹고 인터넷들을 찾아보았습니다 그렇게 이리저리 하다보니 목표로 했던 푸른 화염과
마하 다이아몬드 관측에 성공하게 되었습니다 정확히는 지속적인 관측이 목표였기에 절반의 성공이라 칭하고 싶습니다
로켓 엔진이 작동될 때의 그 충격과 소리 뜨거운 열기는 지금 생각해도 가슴이 두근두근 거립니다
이것이 공포인지 설레임인지는 모르겠습니다
Mk.1 엔진에서는 제가 목표로 한 마하 다이아몬드의 지속적인 관측을 달성하지는 못했기 때문에
돈좀 모아서 더 강력한 Mk.2엔진으로 찾아뵙겠습니다.
웹툰도 뭍혔는데 이것마저 뭍히면 미사일 엔진으로 찾아뵙겠습니다.(농담입니다)
따라하지 마세요
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으어어어 로켓뚜
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설탕이랑 이것저것 섞어서 고체연료 만드는 영상은 봤는데 개인이 만드는 액체연료 로켓은 처음 보네요. 대단합니더
(IP보기클릭)223.62.***.***
고딩때 터보차저로 가스터빈 엔진 만들어보려고 시도한 적 있는데, 실 기동 테스트까진 가보지 못했네요. 만들어서 불도 붙여봤다니 대단하네요.
(IP보기클릭)106.101.***.***
결국 썩어빠진 세상을 정화하기
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으어어어 로켓뚜
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테슬라 밸브를 말씀하신거라면 역화 방지는 못할 것 같습니다. | 24.07.23 18:35 | | |
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아뇨 디자인 학과 나왔습니다 :D | 24.07.23 18:53 | | |
(IP보기클릭)110.76.***.***
ㄷㄷ 전 항공우주 대학원 다니는데 저런건 못해봤는데.. 제가 이해한 바론 인젝터 3개에서 5개 써서 초음속까지 도달하신거 같은데 맞나요? 글고 액체 연료로 쓰신건 아마 메탄? 같고요. 글고 MK2 목표로 말씀하신 것처럼 확실한 냉각 시스템이 필요할거 같아요! 진짜 로켓에서 쓰는 특수합금이 아닌 SUS면 재생냉각이나 다른 냉각 시스템이 확실히 필요할꺼 같아요 | 24.07.23 22:50 | | |
(IP보기클릭)112.167.***.***
1. 넵 맞습니다 2. 액체 메탄은 극저온 유체라서 구하거나 취급하기에 어려움이 많은 것으로 알고 있습니다 상온에서 액체로 존재하는 연료를 사용하고 있습니다 (V2로켓에 쓰인 그것) 3. 확실하진 않지만 NASA CEA 계산에 따르면 내부온도는 약 3100도 까지 상승할 수 있다는 추정치는 있습니다 텅스텐을 구하지 않는 이상 지속 작동에 반드시 냉각장치가 필요할 것 같습니다 :D 혹시 항공우주 관련 교수님께 이 글을 보여주실 수 있을까요? 많이 물어보고 싶은 것들이 있습니다. | 24.07.23 23:01 | | |