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논문 상세정보

발사체 자세제어 적용을 위한 고추력 과산화수소 단일추진제 추력기 개발

Development of High Thrust $H_2O_2$ Monopropellant Thruster for Reaction Control System of Space Launch Vehicles

초록

발사체 상단의 자세제어를 목적으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기 설계 및 성능평가를 수행하였다. 상용 발사체급에 요구되는 수준인 100, 250 N 급 추력기를 목표로 하였으며 개발 모델에서 성능시험을 통해 반응기 설계 형상을 확정한 후, 최종적으로 검증 모델을 밸브와 통합하여 개발하였다. 설계된 추력기는 sea level 조건에서 특성속도, 추력, 비추력 및 펄스 응답성 측정을 통해 성능을 검증하였다.

Abstract

Design and performance evaluation of $H_2O_2$ monopropellant thrusters to be used at reaction control of space launch vehicles were presented in this paper. Design thrust level was determined as 100, 250 Newton which is nominal thrust level for commercial space launch vehicles. Qualification thruster models including solenoid valves were developed after the reactor design were evaluated at engineering thruster models. Each thruster was evaluated by measurement of characteristic velocity, thrust, specific impulse, and pulse response times at sea level test condition.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
단일추진제 추력기
단일추진제 추력기에 자주 사용되던 방식은 무엇이며 어떤 특징이 있는가?
하이드라진(N2H4) 추력기가 보편적으로 사용되어 왔으나 하이드라진의 높은 독성과 이에 따른 비교적 높은 개발 비용이 단점으로 대두된다.

단일추진제 추력기에는 하이드라진(N2H4) 추력기가 보편적으로 사용되어 왔으나 하이드라진의 높은 독성과 이에 따른 비교적 높은 개발 비용이 단점으로 대두된다. 또한 고추력의 하이드라진 추력기 개발의 경우, 많은 양의 하이드라진 사용이 불가피하며, 이에 따른 안전 설비 확충이 필요해 소규모의 연구실 또는 업체에서는 다루기가 쉽지 않다.

추력기
고축력을 단시간에 내기 위한 추력기는 어떤 방법을 사용하는가?
화학적 방법의 추력기

이런 고추력을 단시간에 내기 위해서는 기본적으로 화학적 방법의 추력기가 필요하며 일부 엔트리 급 또는 소형 발사체에서 사용하는 냉가스(GN2) 추력기를 제외하고는 거의 대부분 구조가 간단하고 점화 실패가 없는 단일추진제 액체 추력기 방식을 적용하고 있다.

자세제어 시스템
추력기를 자세제어 시스템으로 이용했을 때 얻을 수 있는 장점은 무엇이 있는가?
추력기는 추력 벡터 제어 방식과 비교할 경우 롤, 요, 피치 3축 모두에 대해 제어가 가능할 뿐 아니라 엔진이 작동하지 않는 무추력 관성구간에서도 또한 자유롭게 사용 가능하다. 또한, 공력이 작용하는 구간에서만 사용 가능한 핀과는 달리 대기권 내/외를 포함하는 전 비행구간에서 사용 가능하다는 장점

발사체의 경우 페이로드를 높은 정밀도로 궤도에 진입시키기 위해 공력 핀(fin), 추력 벡터 제어 방식(TVC), 추력기 등을 포함하는 방법으로 자세제어를 수행한다. 특히, 추력기는 추력 벡터 제어 방식과 비교할 경우 롤, 요, 피치 3축 모두에 대해 제어가 가능할 뿐 아니라 엔진이 작동하지 않는 무추력 관성구간에서도 또한 자유롭게 사용 가능하다. 또한, 공력이 작용하는 구간에서만 사용 가능한 핀과는 달리 대기권 내/외를 포함하는 전 비행구간에서 사용 가능하다는 장점이 있어[1] 대부분의 발사체에서는 자세 제어에 필요한 임펄스를 발생시키기 위해 Table 1과 같이 다양한 추력기를 자세제어 방식으로 활용하고 있다.

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저자의 다른 논문

참고문헌 (19)

  1. 저궤도 소형위성 발사체 시스템 설계 연구, 한국항공우주연구원 공공기술연구회, 2001 
  2. 김인태, 이재원, 서혁, "해외 상용발사체의 RCS 개발 동향," 한국추진공학회 2008년도 추계학술대회 논문집, 2008, pp.72-77 
  3. 선병찬, 박용규, 노웅래, 박정주, "발사체 질소가스추력기 자세제어기 설계 및 특성 분석," 제10회 우주발사체기술 심포지움, 2009, pp.60-66 
  4. 임하영, 안성용, 권세진, "친환경추진제 "과산화수소"의 특성과 응용," 한국추진공학회 춘계학술대회, 2006, pp.283-287 
  5. 하성업, 권민찬, 서견수, 한상엽, "발사체 추진제로서 과산화수소의 과거와 미래전망," 한국항공우주학회지, 제37권, 제7호, 2009, pp.717-728 
  6. 안성용, 이종광, 랑성민, 권세진, "마이크로 추력기 응용을 위한 과산화수소 촉매 분해반응," 한국추진공학회지, 제9권, 제4호, 2005, pp.1-8 
  7. 랑성민, 안성용, 권혁모, 권세진, "이원 촉매를 이용한 과산화수소 가스발생기," 항공우주공학회지, 제34권, 제3호, 2006, pp.87-92 
  8. 안성용, 진정근, 권세진, "모노리스를 이용한 과산화수소 단일추진제 추력기 개발," 한국추진공학회지, 제11권, 제1호, 2007, pp.18-26 
  9. 이수림, 이충원, "은을 촉매로 사용하는 과산화수소 추력기 개발," 한국추진공학회지, 제11권, 제4호, 2007, pp.67-73 
  10. 안성용, 권세진, "활성물질에 따른 과산화수소 추력기의 응답 특성," 한국추진공학회지, 제12권, 제5호, 2008, pp.26-34 
  11. 안성용, 박대종, 양계병, 권세진, "무독성 추진제 촉매 분해를 이용한 항공기 비상동력장치 구동용 가스 발생기 개발," 제6회 KAI 항공우주 논문상 수상논문집, 2008, pp.107-146 
  12. 안성용, 박대종, 정승미, 권세진, "인젝터 방식 및 촉매 알갱이 크기에 따른 과산화수소 단일추진제 추력기의 응답 특성," 한국추진공학회지, 제13권, 제1호, 2009, pp.19-26 
  13. 안성용, 권세진, "액체추력기 촉매베드 크기 결정을 위한 실험적 방법," 한국추진공학회 지, 제12권, 제3호, 2008, pp.24-33 
  14. 정승미, 안성용, 권세진, "저장 온도와 안정 제양에 따른 고농도 과산화수소의 자연 분해 특성," 한국추진공학회지, 제13권, 제4호, 2009, pp.15-20 
  15. 박대종, 안성용, 권세진, "과산화수소 가스발생기 설계와 터보차저를 이용한 동력 측정 방법 검토," 제31회 한국추진공학회 추계학술대회, 한국과학기술원, 2008, pp.41-44 
  16. 이정섭, 초소형 과산화수소 추력기용 촉매의성능 평가, 석사학위논문, 한국과학기술원, 2009 
  17. 안성용, 응답 특성을 고려한 자세제어용 과산화수소 단일추진제 추력기 설계, 박사학위논문, 한국과학기술원, 2010 
  18. http://www.astronautix.com 
  19. http://www.rafael.co.il 

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