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[국내논문] 핀틀 형상이 추력 크기에 미치는 영향에 대한 수치해석적 연구
Numerical Study of the effect of pintle shape on the thrust level 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.37 no.5, 2009년, pp.476 - 482  

김중근 (국방과학연구소 1기술본부 6부) ,  박종호 (충남대학교 BK21 메카트로닉스사업단)

초록
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본 논문에서는 Fluent의 Spalart-Allmaras 난류모델을 적용하여 연소실 내부에 설치된 핀틀 형상이 핀틀 추진기관 추력 크기에 미치는 영향을 수치해석으로 분석하였다. 핀틀이 존재하면 노즐목을 지나는 질량 유량율은 이론적으로 예측된 값 보다 항상 작았으며, 핀틀 직경이 커질수록 노즐목에서 경계층 두께가 차지하는 비율이 증가되어 노즐목의 질량 유량율이 더욱 감소하였다. 핀틀 직경이 커질수록 핀틀 팁에 나타나는 재순환 영역의 압력에 의한 추력은 증가하지만 노즐 및 연소실 압력에 의한 추력은 감소하여 총 추력은 핀틀 직경이 작은 것 보다 감소하였다. 핀틀 추진기관의 비추력은 큰 차이가 없었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The effect of pintle shape on the thrust level of pintle-nozzle Solid Rocket Motor(PNSRM) was studied numerically using the Spalart-Allmaras turbulent model of Fluent. Mass flow rate of PNSRM was always less than theoretical value and the extent of decrease in mass flow rate grew in the large pintle...

Keyword

#핀틀   #추력조절   #유동박리   #비추력   #충격파   #경계층  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 핀틀 추진기관 연소실 내부에 설치되는 핀틀 형상이 노즐 내부 유동장 패턴에 미치는 영향과 이에 따른 추력 성능에 미치는 영향을 공압실험(Cold Flow Test)를 이용한 전산수치해석(Computational Fluid Dynamic)기법으로 분석하여 제시하였다.

가설 설정

  • 만일 핀틀이 노즐목에서 멀어지면(그림 1-(a)) 노즐목 면적이 증가하지만 연소관 압력과 연소속도의 감소로 질량유량률(Mass flow rate)이 감소하게 되어 추력이 작아지게 된다. 반대로 핀틀이 노즐목 가까이 이동하여(그림 1-(b)) 노즐목 면적이 감소하면 연소관 압력과 연소속도의 증가로 질량 유량율이 증가하므로 추력이 커지게 된다. 핀틀 추진기관의 경우, 높은 추력은 Booster 단계에서, 낮은 추력은 Sustainer 단계에서 사용한다.
  • 그림 2는 핀틀 추진기관에서 나타나는 대표적인 유동장 특성을 나타낸 것이다. (a)지점에서 Prandtl-Mayer expansion fan이 형성되면서 급속히 팽창한 유동의 압력은 (d)지점의 기저압력 (Base pressure)보다 낮아져 핀틀 몸체의 (b)지점에서 유동이 박리된다. 이때에 낮아진 압력을 보상하기 위해 (b)-(c)의 충격파(일명 Lip -shock)가 형성된다[6].
  • - 핀틀 팁의 압력에 의한 추력은 핀틀 직경이 클수록 증가하였다. 이것은 핀틀 직경이 크면 BPR의 압력과 크기가 증가하기 때문이다.
  • - 핀틀 추진기관의 추력은 핀틀 직경이 작을수록 증가하였다. 이것은 핀틀 직경이 작을수록 새롭게 형성되는 노즐목이 초기 설계된 노즐목 근처에 존재함으로써 유동의 팽창조건이 이상적인 조건에 가까워지기 때문이다.
  • - 핀틀 추진기관의 비추력은 적용된 핀틀 형상에 큰 영향을 받지 않는다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최초의 핀틀 추진기관 시험은 언제 수행되었는가? 핀틀 추진기관은 연소실 내부에 설치된 핀틀을 움직여 노즐목 면적 크기를 변경함으로써 연소실 압력을 조절하여 기존의 고체 추진기관에서는 거의 불가능 하였던 추력 크기를 자유자재로 조절할 수 있는 첨단 고체 추진기관(이후부터 핀틀 추진기관이라 한다)이다. 최초의 핀틀 추진기관 시험은 1965년 Aerojet에서 수행하였으나 과도한 핀틀 삭마로 시험은 원하는 목표는 달성치 못하였다[1]. 이후에 핀틀 소재에 관한 연구[2], 압력제어 알고리즘 연구[3], 그리고 실제 적용에 관한 연구[4]가 진행되고 있으나 핀틀 추진기관의 설계 및 내부 유동장 해석에 관한 연구는 거의 대외적으로 발표되지 않고 있다.
핀틀 추진기관이란? 핀틀 추진기관은 연소실 내부에 설치된 핀틀을 움직여 노즐목 면적 크기를 변경함으로써 연소실 압력을 조절하여 기존의 고체 추진기관에서는 거의 불가능 하였던 추력 크기를 자유자재로 조절할 수 있는 첨단 고체 추진기관(이후부터 핀틀 추진기관이라 한다)이다. 최초의 핀틀 추진기관 시험은 1965년 Aerojet에서 수행하였으나 과도한 핀틀 삭마로 시험은 원하는 목표는 달성치 못하였다[1].
핀틀 추진기관의 기본 작동원리는? 핀틀 추진기관의 기본 작동원리는 그림 1과 같다. 만일 핀틀이 노즐목에서 멀어지면(그림 1-(a)) 노즐목 면적이 증가하지만 연소관 압력과 연소속도의 감소로 질량유량률(Mass flow rate)이 감소하게 되어 추력이 작아지게 된다. 반대로 핀틀이 노즐목 가까이 이동하여(그림 1-(b)) 노즐목 면적이 감소하면 연소관 압력과 연소속도의 증가로 질량 유량율이 증가하므로 추력이 커지게 된다. 핀틀 추진기관의 경우, 높은 추력은 Booster 단계에서, 낮은 추력은 Sustainer 단계에서 사용한다.
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참고문헌 (14)

  1. Charles T. Levinsky and Gerald F. Kobalter, "Feasibility demonstration of a singlechamber controllable solid rocket motor", Air Force Rocket Propulsion Lab., AFRPL-TR-67-300, 1967. 

  2. M.J. Ostrander, J.L. Bergmans and M.E. Thomas, "Pintle Motor Challenges for Tactical Missiles", AIAA 2000-3310, 2000. 

  3. Christia A. Davis and Amy B. Gerards, "Variable thrust solid propulsion control using Labview", AIAA-2003-5341, 2003. 

  4. S.Burroughs, "Status of army pintle technology for controllable thrust propulsion", AIAA-2001-3598, 2001. 

  5. John Napior and Victoria Garmy, "Controllable Solid Propulsion For Launch Vehicle And Spacecraft Application", AIAA 2006-905, 2006. 

  6. Francis R. Hama, "Experimental studies on the lip shock", AIAA67-29, 1967. 

  7. Delery, J., and Marvin. J. G., "Shock-wave boundary layer interactions", AGARD No. 280, ISBN 92-835-1519-6, 1986. 

  8. Barry L. Reeves, and Lester Lees,"Theory of laminar near wake of blunt bodies in hypersonic flow", AIAA journal, Vol. 3, No. 11 , pp. 2061-2074, 1965. 

    상세보기 crossref

  9. 김중근, 이지형, 장홍빈, “핀틀 공압 시험 결과 보고”, 국방과학연구소 보고서, ADDR-421-080682, 2008. 

  10. George P. Sutton, “Rocket Propulsion Element : An introduction to the engineering of Rockets”, John Wiley & Sons, Inc., pp. 365-415, 1992. 

  11. Michel A. Saad, Compressible fluid flow, Prentice-Hall, Inc., pp. 83-131, 1985. 

  12. 노오현, “점성유동이론”, 박영사, pp. 201-240, 2006. 

  13. Dean R. Chapman, Donald M. Keuhn and Howard K. Larson,"Investigation odseparated flows in supersonic and subsonic streams with emphasis on the effect of transition", NACA-3869, 1957. 

  14. Jan Ostlund, " Flow processing in rocket engine nozzle with focus on flow separation and side-loads", TRITA-MEK, Technical Report 2002:09, ISSN 0348-467X, 2002. 

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