인공위성 추진시스템의 액체연료(Hydrazine) 비정상유동 해석을 통해 연료공급 시스템내 유압특성이 유도된다. 정상상태 연소의 경우 연료유동량은 일정하나, 추력기밸브가 갑자기 닫히면 배관내 압력은 초기 탱크압력보다 높아진다. 결국 배관내 유압은 비정상상태가 되며, 유압 및 유량은 맥동현상을 보인다. 만약 상승압력이 너무 크게 되면, 추진제(연료)가 폭발분해를 일으키며, 추력기밸브 기능에 손상을 입힐 수 있고, 하이드라진 연료의 초음속 연소현상이 발생할 가능성이 있다. 또한 반사된 충격파로 인해 압력변환기의 감도저하 및 오작동을 유발하기도 한다. 위성의 추진시스템 설계시 비정상연료의 해석이 선행되어야 하며, 본 논문에서는 여러 설계인자에 대한 연료배관내 유압특성을 MOC 유동해석을 통해 제시하였다.
인공위성 추진시스템의 액체연료(Hydrazine) 비정상유동 해석을 통해 연료공급 시스템내 유압특성이 유도된다. 정상상태 연소의 경우 연료유동량은 일정하나, 추력기밸브가 갑자기 닫히면 배관내 압력은 초기 탱크압력보다 높아진다. 결국 배관내 유압은 비정상상태가 되며, 유압 및 유량은 맥동현상을 보인다. 만약 상승압력이 너무 크게 되면, 추진제(연료)가 폭발분해를 일으키며, 추력기밸브 기능에 손상을 입힐 수 있고, 하이드라진 연료의 초음속 연소현상이 발생할 가능성이 있다. 또한 반사된 충격파로 인해 압력변환기의 감도저하 및 오작동을 유발하기도 한다. 위성의 추진시스템 설계시 비정상연료의 해석이 선행되어야 하며, 본 논문에서는 여러 설계인자에 대한 연료배관내 유압특성을 MOC 유동해석을 통해 제시하였다.
One of the way to derive design parameters of the fuel feeding system in satellite propulsion system is to analyze unsteady flow of liquid propellant (hydrazine). During steady thruster firing the flow rate is constant: if a thruster valve is abruptly shut down among a set of thrusters, pressure spi...
One of the way to derive design parameters of the fuel feeding system in satellite propulsion system is to analyze unsteady flow of liquid propellant (hydrazine). During steady thruster firing the flow rate is constant: if a thruster valve is abruptly shut down among a set of thrusters, pressure spikes much higher than the initial tank pressure occur. This renders the fuel flow unsteady, and the fluid pressure and flow rate to oscillate. If the pressure spikes are high enough, there are possibilities that propellant explosively decomposes, thruster valves we damaged, and adiabatic detonation of the hydrazine propellant is potentially incurred. Reflected shockwaves could also affect the calibration and operation of the pressure transducers. These necessitate the analysis of unsteady flow in the propulsion system design, and pressure behavior inside the propellant line obtained through some governing parameter variation is presented in this work.
One of the way to derive design parameters of the fuel feeding system in satellite propulsion system is to analyze unsteady flow of liquid propellant (hydrazine). During steady thruster firing the flow rate is constant: if a thruster valve is abruptly shut down among a set of thrusters, pressure spikes much higher than the initial tank pressure occur. This renders the fuel flow unsteady, and the fluid pressure and flow rate to oscillate. If the pressure spikes are high enough, there are possibilities that propellant explosively decomposes, thruster valves we damaged, and adiabatic detonation of the hydrazine propellant is potentially incurred. Reflected shockwaves could also affect the calibration and operation of the pressure transducers. These necessitate the analysis of unsteady flow in the propulsion system design, and pressure behavior inside the propellant line obtained through some governing parameter variation is presented in this work.
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문제 정의
빠른 시간내에 진폭을 줄임으로써 추력기 운용상 문제점을 제거 할 수 있다. 본 연구는 단일추진제 추진시스템의 연료배관니 유동해석을 통해 여러 설계인자에 대한 유압특성을 분석하고자 한다. 해석은 계산시간이 짧고 신뢰도가 검증된 MOC(Method of Characteristics)기법을 이용하였으며(Gille & Villars 1986), 유동은 1차원 균일유동으로 가정한다.
가설 설정
본 연구는 단일추진제 추진시스템의 연료배관니 유동해석을 통해 여러 설계인자에 대한 유압특성을 분석하고자 한다. 해석은 계산시간이 짧고 신뢰도가 검증된 MOC(Method of Characteristics)기법을 이용하였으며(Gille & Villars 1986), 유동은 1차원 균일유동으로 가정한다. 또한 열손실은 무시하였으며, 연료의 압축성 및 추진제관의 탄성특성을 고려하였다.
제안 방법
해석은 계산시간이 짧고 신뢰도가 검증된 MOC(Method of Characteristics)기법을 이용하였으며(Gille & Villars 1986), 유동은 1차원 균일유동으로 가정한다. 또한 열손실은 무시하였으며, 연료의 압축성 및 추진제관의 탄성특성을 고려하였다.
대상 데이터
유동해석을 위한 모델은 그림 1과 같이 추진제 탱크, 필터, 오리피스, 래칭밸브 및 추력기로 구성되었고, 해석결과에 영향이 없는 충전/배출 밸브 및 압력변환기는 배제하였다. 그림 1의 아라비아숫자는 해석을 위한 node이 며, 네모안의 숫자는 node간 구간이다.
이론/모형
인공위성 연료유압 특성연구를 위해 하이드라진(hydrazine) 액체 추진제의 비정상 유동해석을 MOC기법으로 수행하였으며, 해석결과는 다음과 같다.
성능/효과
1. 배관직경이 0.2 inch이하에서 관내 압력이 급격한 상승을 보였으며, 0.1 inch에서는 초기압력의 2배에 달했다.
2. 연료배관의 두께(0.01 ~0.07 inch) 및 상용 배관재질의 변화가 연료배관내 최대상승압력에 미치는 영향은 적었다.
3. 추력기의 작동 갯수가 많을수록 관내 최대압력은 상승하였으며, 4개 모두 작동하는 경우 초기압력보다 1.3배의 값을 보였다.
4. 오리피스 설치 위 치에 따른 관내 압력변화의 계산결과, 오리 피스에서의 발생압력은 추력 기 밸브 쪽으로 갈수록 상승하였다.
배관의 두께는 배관내에서 진동하는 압력파의 진행에 영향을 미치며, 또한 너무 얇은 두께는 상승하는 유압에 견딜 수 없게 된다. 해석 결과 배관의 두께변화가(그림 2의 최대 상승압력을 견딜 수 있는 두께중 상용배관을 선정하였음) 발생 최대압력에 미치는 영향은 무시할 만 함을 알 수 있다.
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