[논문]ADAMS를 이용한 가동 노즐 성능 평가 기법

김중근; 장홍빈

ADAMS를 이용한 가동 노즐 성능 평가 기법
Movable Nozzle Performance Analysis by Using ADAMS 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.13 no.4 = no.53, 2009년, pp.30 - 35

김중근 (국방과학연구소 1기술본부 6부) , 장홍빈 (국방과학연구소 1기술본부 6부)

초록
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추진기관의 추력 방향을 조절하기 위해 널리 적용되고 있는 flexible seal 노즐에서, 노즐의 회전 중심인 유효 피봇의 위치 변화가 노즐의 구동성능에 미치는 영향을 컴퓨터를 이용한 수치실험으로 분석하였다. 실험 조건은 two-level factorial design ($2^3$-Design)의 실험계획으로 결정하고, 실험은 범용 동력학 해석 프로그램인 ADAMS를 적용하였다. 해석결과, 유효 피봇의 반경 방향 위치 변화가 축 방향 위치 변화보다 구동성능에 미치는 영향이 컸으며, 유효 피봇의 위치 변화가 구동 성능에 미치는 영향은 구동방식에 크게 영향을 받음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Effective-pivot effects on the thrust vector control performance of the flexible seal nozzle to be used to control the flight direction of missile were investigated by computer simulation. $2^3$-Design of experiment technique was applied and ADMAS was used for the surrogate technique. As a result, radial pivot position had more influence upon the nozzle actuating performance than axial pivot position. Connecting method of actuator was also important factor in determining effective-pivot effects on the thrust vector control performance of the flexible seal nozzle.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

가동노즐의 유효 피봇은 작동조건에 따라 3차원 공간상을 자유롭게 움직이며 가동 노즐의 구동 성능에 지대한 영향을 미친다. 본 논문에서 ADAMS를 이용하여 유효 피봇 위치 변화가 가동 노즐 성능에 미치는 영향을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 논문에서는 실험의 한계를 극복하고 FS 노즐의 설계 정보를 획득하기 위해서 ADAMS 프로그램을 이용한 Surrogate Method를 제시하였다. 이로부터 유효 피봇 위치가 FS 노즐의 성능 설계 인자에 미치는 영향을 분석하였다.

제안 방법

FS 노즐 구동방식은 다양하게 적용할 수 있으며 본 논문에서는 3가지 방식을 고려하였다.
또한 FS 노즐 구동에 따른 노즐 성능을 분석하기 위해서 변위 센서를 3 곳에 모델링하고 노즐의 기울어짐은 ADAMS의 측정(Measure) Library를 이용하였다[4].
FS 노즐의 전체 형상은 간단한 빔(Beam)으로 모델링하고 고무 역할은 ADAMS에서 제공하는 Field Library의 강성행렬(Stiffness matrix)과 감쇠계수(Damping coefficient)를 가상의 유효 피봇에 적용하는 방법을 사용하였다. 실제 FS 노즐을 움직이는데 사용되는 구동기는 ADAMS의 Transitional joint로 모델링하고 구동 명령 동안에 일정한 길이를 유지하여야 하는 구동기는 길이 변화가 전혀 없는 강체(Rigid Body)로 모델링하였다.
유효 피봇이 Fig. 3과 같은 범위에서 변할 때, 노즐 구동에 따른 성능을 노즐 구동각, 노즐 간섭각, 노즐 구동력 그리고 비례계수를 중심으로 분석하였다.
본 논문에서는 실험의 한계를 극복하고 FS 노즐의 설계 정보를 획득하기 위해서 ADAMS 프로그램을 이용한 Surrogate Method를 제시하였다. 이로부터 유효 피봇 위치가 FS 노즐의 성능 설계 인자에 미치는 영향을 분석하였다.

이론/모형

FS 노즐의 전체 형상은 간단한 빔(Beam)으로 모델링하고 고무 역할은 ADAMS에서 제공하는 Field Library의 강성행렬(Stiffness matrix)과 감쇠계수(Damping coefficient)를 가상의 유효 피봇에 적용하는 방법을 사용하였다. 실제 FS 노즐을 움직이는데 사용되는 구동기는 ADAMS의 Transitional joint로 모델링하고 구동 명령 동안에 일정한 길이를 유지하여야 하는 구동기는 길이 변화가 전혀 없는 강체(Rigid Body)로 모델링하였다.
위의 구간에서 유효 피봇 위치가 FS 노즐 성능에 미치는 영향을 평가하기 위한 실험 계획은 two-level factorial design (2³-Design)으로 진행하였으며 개념도를 Fig. 3에 제시하였다[5].
유효 피봇이 FS 노즐의 구동 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 ADAMS를 이용한 컴퓨터 모사(simulation)방법을 채택하였다.

성능/효과

(1) 유효 피봇은 구조하중(압력)이 작용하지 않으면 축 방으로 거의 변하지 않지만 반경 방향으로는 큰 변화를 보였다. 반면에 구조하중이 작용하면 축 방향 변화는 증가하고 반경방향의 변화는 감소한다.
(2) 구조하중이 작용하면 구조하중이 작용하지 않을 때 보다 구동력이 감소한다.
1) 가동노즐을 정해진 평면으로 구동시키는 경우 노즐의 운동 평면과 직각 방향의 유효 피봇의 위치가 가동노즐의 성능에 미치는 영향은 무시할 정도로 적다.
2) 유효 피봇이 구동성능에 미치는 영향은 축방향 보다는 반경 방향의 피봇 이동이 더 크다.
3) 노즐 간섭각이 중요한 설계변수가 된다면 단동구동보다는 복동구동 방식이 효과적이다.
4) 유효 피봇의 위치가 구동 성능에 미치는 영향은 구동방식에 크게 영향을 받는다.
Figure 7은 유효 피봇의 변화가 비례계수에 미치는 영향을 나타낸 것이다. Fig. 7에서, 가동 노즐을 Y-X 평면으로 구동시킬 때에 유효 피봇 Z 위치가 비례계수에 미치는 영향은 구동방식에 관계없이 거의 없는 것으로 나타났으며 유효 피봇 Y 위치는 구동방식에 무관하게 비례계수에 비슷한 영향을 주는 것으로 나타났다.
가동노즐을 X-Y 평면으로 구동시킬 때에 유효 피봇의 Z 방향위치가 노즐 구동력에 미치는 영향은 구동방식과 무관하게 거의 영향이 없는 것으로 나타났다. 경사형 단동구동 방식은 유효 피봇의 Y 방향 위치에 크게 영향을 받는 반면에 평행형 단동구동과 복동구동 방식은 유효 피봇의 X 방향 위치에 더욱 크게 영향을 받고 있다.
이로부터 유효 피봇의 위치 변화가 노즐 구동각에 미치는 영향은 노즐 구동방식에 밀접한 관계가 있음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FS 노즐의 주요 구성품은 무엇인가?	1과 같다. 주요 구성품은 노즐 구동을 가능케 하는 고무(Rubber), 노즐을 움직이기 위한 구동기(Actuator), 그리고 고무 사이를 연결시켜 주는 구조물(Supporter)로 이루어져 있다. 요구 명령에 따라 구동기가 움직이면 FS 노즐은 3차원 공간상의 임의 위치를 중심으로 회전하고(이를 유효피봇(Effective Pivot)이라 한다) 노즐의 회전 정도에 따라 추력 방향 조절에 필요한 힘(Fx,Fy,Fz )을 생성되게 된다[2]
	FS 노즐의 주요 성능 설계인자는 무엇인가?	(1) 노즐 구동각(Vector Angle) - 주어진 명령에 대한 실제 노즐 경사각 (2) 상호 간섭각(Couple Angle) - 노즐 구동각과 직각방향의 노즐 경사각 (2) 노즐 구동력(Actuating Torque) - 노즐을 구동하는데 필요한 회전력으로 구동기 힘과 구동기 축과 유효 피봇의 최단거리 곱 (4) 비례계수 (Scale Factor) - 구동기 단위 길이당 노즐 경사각
	flexible seal 노즐의 사용 목적은 무엇인가?	추진기관의 추력 방향을 조절하기 위해 널리 적용되고 있는 flexible seal 노즐에서, 노즐의 회전 중심인 유효 피봇의 위치 변화가 노즐의 구동성능에 미치는 영향을 컴퓨터를 이용한 수치실험으로 분석하였다. 실험 조건은 two-level factorial design ($2^3$-Design)의 실험계획으로 결정하고, 실험은 범용 동력학 해석 프로그램인 ADAMS를 적용하였다.

참고문헌 (5)

NASA, 'Solid Rocket Thrust Vector Control,' NASA-SP-8114, 1974
James R. Donat , 'Solid Rocket Motor Nozzle Flexseal Design Sensitivity,'
R. D. Gaffin, 'Space Shuttle Solid Rocket Booster Nozzle Flexible Seal Pivot Point Dynamics ', AIAA-77-986, 1977
MSC, 'Basic ADAMS Full Simulation Package ', 2005
Raymond H. Myers and Douglas C. Montgomery, 'Response Surface Methodology : Process and Product Optimization Using Designed Experiments' , John Wiley & Sons, INC., 1995

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