[논문]KSLV-I RCS 추력기 개발 및 수행 평가에 대한 연구

전상운; 정슬

KSLV-I RCS 추력기 개발 및 수행 평가에 대한 연구
Research on Development and Performance Evaluation for Thruster of Reaction Control System for KSLV-I 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SC, 시스템 및 제어, v.47 no.3=no.333, 2010년, pp.19 - 27

전상운 (한국항공우주연구원 제어팀) , 정슬 (충남대학교 메카트로닉스공학과)

초록
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KSLV-I은 100kg급 소형 인공위성을 지구 저궤도에 진입시키는 임무를 수행하여야 하며, 이를 위해 상단의 3축 자세제어를 위한 자세제어 시스템이 요구된다. 추력기 노즐을 통해 질소가스를 방출함으로써 발생하는 작용 반작용 모멘트를 제어모멘트로 사용하는 냉가스 추력기 자세제어 시스템을 KSLV-I 상단의 3축 자세제어 시스템으로 선정하였다. 본 논문에서는 KSLV-IRCS 추력기의 설계 및 기능시험, 성능시험, 환경시험에 대한 내용을 다룬다.

Abstract ▼ AI-Helper

KSLV(Korea Space Launch Vehicle)-I is designed as a launch vehicle to enter a 100 kg-class satellite to the LEO(Low-Earth Orbit). Attitude angles of the upper-stage, including roll, pitch and yaw are controlled by cold gas thruster system using nitrogen gas. The thruster for the KSLV-I is the main pneumatic valve in the RCS(Reaction Control System). In this paper, the design, function tests, and environment tests of the thruster for KSLV-I are described. The developed thrusters are experimentally evaluated and successfully passed the required qualification and acceptance tests.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 한국항공우주연구원에서 개발 중인 소형위성 발사체 상단 냉가스 추력기 자세제어 시스템의 핵심 구성품인 추력기 개발에 대해서 소개하였다.
본 논문은 KSLV-I의 RCS 비행용으로 적용된 추력기를 설계하고 제작하였으며, 기능 및 성능에 대한 시험과 환경시험에 관한 내용을 기술하고 있다.
이 시험은 솔레노이드의 전기적인 특성을 확인하는 시험이다. 누설/작동 시험은 100 psia, 300 psia 및 600 psia에서 추력기의 내부 및 외부 누설을 측정하고, 300 psia과 600 psia에서 작동시험을 하는 시험이다.

가설 설정

- 기체의 응축 효과는 무시한다.
- 기체의 조건 : 기체가 노즐을 통과하는 부분에서는 온도, 압력, 밀도, 속도가 일정하다.
- 추진제는 추력기 노즐에서 시종일관 성질이 일정하다.
- 추진제의 비열비가 일정한 이상 기체이다. - 마찰이 없다.
- 추진제의 흐름은 정적이며, 일정하다.

제안 방법

AT 환경시험은 QT 환경시험 규격보다 시험 레벨이 낮다. QM 추력기는 모든 QT 환경시험을 수행하였으며, 그 외 모든 추력기에 대해서 그림 12와 13에서와 같이 AT 환경시험을 수행하였다. 자세한 환경시험 규격은 표 3과 같다.
솔레노이드 밸브 전압/전류/저항 측정 시험, 누설/작동 시험, 최대/최저 입력 압력 시험, 진공 추력/응답시간 시험 및 pull-in/cirop-out 측정 시험으로 되어 있다.囲 압력 검증 시험은 외부 누설시험의 경우 MEOP(Maximum Expected Ofra-ating Pressure) 의 1.5 배인 900 psia 이상에서 5 분간 유지 후 누설발생 여부를 확인하고, 그림 7과 같은 내부 누설시험은 300 psia 과 MEOP인 600 psia에서 내부 누설량을 측정하고, 각각 3회씩 작동시험을 수행한다.
추력기에 대한 기능·성능 시험을 수행하여 규격을 만족하는 것을 확인하였다. 또한 환경시험을 수행하여 외부 영향에 대한 추력기 작동 상태를 확인할 수 있었다. 또한 추력기는 RCS에 조립되어 시스템 레벨의 인증시험을 통과하여 비행용 RCS에 적용되어 있다.
추력기 작동 여부는 추력기의 챔버 압력의 변화로 확인할 수 있다. 모든 추력기에 대해 pulse mode 및 steady mode 작동시험을 수행하였으며, 정상 작동하였다.
그리고 비행환경 중에 받게 되는 외부 영향에 추력기가 오동작을 하게 되면 시스템이 제어 불능상태가 될 수 있다. 위의 사항 등을 만족하도록 추력기 규격을 정하였으며, 이를 만족하도록 설계 및 제작을 수행하였다. 추력기에 대한 기능·성능 시험을 수행하여 규격을 만족하는 것을 확인하였다.
응답특성은 시스템 제어기 설계에 주요한 설계 요소이기 때문에 모든 추력기에 대해 시험을 수행하였다. 그림 8은 개발된 추력기의 지상 추력 측정한 결과이다.
제작된 추력기는 모든 항목의 기능 - 성능 시험을 수행하였으며, 통과한 추력기만 환경시험을 수행하였다.
진공 추력 측정 장비에 추력기를 설치 후 진공 상태에서 추력을 측정하였으며, 그림 11과 같이 설계치의 추력이나 옴을 확인하였다®;

성능/효과

모든 환경시험 후에는 누설/작동 시험을 수행하여 정상 여부를 확인하였으며, 정상 작동한 단품 추력기는 다른 RCS 공압 부품들과 함께 AIT(Assembly, Integration and Test) 과정을 거쳐 시스템으로 조립되었으며, 시스템 레벨의 환경시험을 수행하여 정상 동작함을 확인하였다.5
위의 사항 등을 만족하도록 추력기 규격을 정하였으며, 이를 만족하도록 설계 및 제작을 수행하였다. 추력기에 대한 기능·성능 시험을 수행하여 규격을 만족하는 것을 확인하였다. 또한 환경시험을 수행하여 외부 영향에 대한 추력기 작동 상태를 확인할 수 있었다.

참고문헌 (8)

조광래 외, "소형위성발사체(KSLV-I) 개발사업 (VI)", 교육과학기술부, 연구보고서, 2008.
Willian C. Stone, "Fast Variable-amplitude cold gas thruster," Journal of spacecraft and rockets, vol. 32, No. 2, 1995, pp. 335-343, 1995.

상세보기
Shimshon Adler, Abraham Warshavsky, and Are Peretz, "Low-cost cold-gas reaction control system for slohsat FLEVO small satellite", Journal of Spacecraft and Rocket, vol. 42, no. 2, pp. 345-351, 2005.

상세보기
R. W. Humble, G. N. Henry, W. J. Larson, "Space Propulsion Analysis and Design", McGraw-Hill, 1995.
George P. Sutton, Oscar Biblarz, "Rocket Propulsion Elements", John Wiley & Sons, 2001.
전상운, 김지훈, 정호락, 최형돈, "추력 측정 장치 및 방법", 특허 출원, 10-2008-0123838, 2008.
Military Standard-1540B, "Test Requirements for Space Vehicles," USAF, 1982.
전상운, 정호락, 김지훈, "KSLV-I 추력기 FM #2에 대한 시험 결과 보고서", 한국항공우주연구원, Technical Memo, 2008.

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