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문제 정의
- 본 논문에서는 Lab-scale의 하이브리드 로켓을 설계·제작하고 니들밸브와 스텝모터를 이용한 산화제 유량 조절시스템을 구축하여 산화제 유량 조절을 통한 하이브리드 로켓의 하이브리드 로켓의 추력제어 가능성을 확인하고, 시스템의 효용성을 살펴보려고 한다[6,7].
- 실험장치의 제작에 앞서 우선 산화제와 추진제 그리고 점화원을 설정한 뒤 그에 따른 공급배관을 설계하였다. 본 논문의 핵심사항인 산화제 유량제어를 위해 니들밸브(Needle Valve)에 스텝모터(Stepping Motor)를 장착하여 이를 구동하기 위한 프로그램을 제작하고, 테스트를 통해 유량 조절에 대해 확인할 수 있었다. 하이브리드 로켓의 점화원으로 부탄가스를 사용하였고, 점화장치로서 자동차용 점화플러그와 가스보일러용 변압기를 결합하여 점화 신뢰성을 확보하였다.
- 스텝모터의 구동에 의해 니들밸브 개폐량 변화에 따라서 산화제의 유량 변화를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 스텝모터와 니들벨브로 장치구성을 하여 AALBORG사의 GFM 571S 모델의 유량계를 이용하여 공급압력 80～200 psi 상태에서 산화제의 유량 측정 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 1. 기체산소(GO2)와 고체연료(Polyethylene)를 이용한 추력 50 N급 Lab-Scale 하이브리드 로켓을 설계․제작하였고, 산화제 유량 제어를 위해 니들밸브에 스텝모터를 장착하여 구동할 수 있는 프로그램과 장치를 제작하였다.
- 2. 산화제 유량 제어 실험에서 공급압력 200 psi 상태에서 모터의 한 스텝에 약 0.145 g/sec의 유량을 조절할 수 있는 산화제 유량제어 장치의 기초실험을 수행하였다.
- Figure 4와 같이 하이브리드 로켓은 점화를 위한 부탄 배관과 점화플러그를 장착하기 위한 예연소실(pre-combustion chamber), 고체 추진제를 장착하기 위한 연소실(combustion chamber), 후방연소공간으로 사용하기 위해 설계된 후방 연소실(post-combustion chamber) 그리고 노즐을 장착하기 위한 노즐 케이스로 구성되어 있다. 각 부분에 있는 플랜지(flange)사이에 개스킷(gasket)을 두고 볼트를 이용하여 부분별로 고정하였다. 로켓 모터 제작에 사용된 재질은 열전도율이 낮은 stainless steel 304를 사용하였다.
- 하이브리드 로켓의 점화원으로 부탄가스를 사용하였고, 점화장치로서 자동차용 점화플러그와 가스보일러용 변압기를 결합하여 점화 신뢰성을 확보하였다. 그레인의 형상과 하이브리드 로켓의 초기 조건을 설정하여 하이브리드 로켓을 제작한 뒤 산화제 유량제어 실험을 수행하였다.
- 첫 실험은 4~5초 간격으로 스텝모터를 50 Step씩 증가시켜 유량을 일정 간격으로 증가시켰을 때 추력이 증가하는지를 확인하는 실험을 수행하였다. 나머지 두 번의 실험은 사전에 프로그램에 입력된 추력 명령에 따라 유량을 변화시켜 추력을 제어하는 실험을 수행하였다. 첫 번째 실험의 결과는 Fig.
- 냉가스추력기를 이용한 추력제어 실험은 추력 0~5 N범위에서 진행하였다. 제어 프로그램에서 미리 입력된 추력명력에 맞게 추력이 변하도록 실험하였다.
- 스텝 모터의 회전에 의해 니들밸브의 개폐량이 조절되도록 연결장치를 제작하여 두 장치를 연결하였다. 니들밸브가 회전하면서 스텝모터의 상하운동이 가능하도록 스텝모터를 알루미늄 판을 부착하고, 이 판과 연마봉 사이에 마찰력을 최소화하기 위하여 베어링을 장착하여 산화제의 유량을 조절 가능하도록 제작하였다. Fig.
- 산소 탱크의 압력 조절을 위한 레귤레이터, 압력 센서, 산화제 유량 제어를 위해 스텝모터를 장착한 니들밸브와 솔레노이드 밸브, 역화방지용 체크밸브 그리고 기체 산화제의 유량을 측정하기 위한 MFM(Mass Flow Meter)로 구성되어 있다. 니들밸브에 스텝모터(오토닉스사, AH4K-S564)를 장착하여 산화제의 유량을 제어하기 위한 스텝모터의 구동은 스텝모터 컨트롤러를 통해 컴퓨터 신호에 의해 구동되도록 하였다. 스텝 모터의 회전에 의해 니들밸브의 개폐량이 조절되도록 연결장치를 제작하여 두 장치를 연결하였다.
- 연소실험은 방폭 시설이 갖춰진 장소에서 수행되었다. 본 연구에서 추진제와 산화제를 이용한 연소실험을 처음으로 수행하였기 때문에 안전상에 문제를 고려하여 방폭벽 안에 실험장치를 설치하고 산소탱크와 제어박스를 방폭벽 외부에 설치하여 연소실험을 수행하였다. 실험 장치 구성은 Fig.
- 본 연구에서는 당초 기체 산화제와 고체 추진제로 기체산소(GO2)와 HTPB(Hydroxyl-Terminated Polybutadiene)를 이용하여 연소실 압력 14 bar, 추력 130 N급의 하이브리드 로켓 설계를 진행하였으나 안전상의 문제와 연구 진행 방향이 추력 성능보다는 추력 제어에 중점을 두고 있기 때문에 HTPB보다는 추력성능이 낮지만 취급성과 안전성이 좋은 PE(Polyethylene)로 고체 추진제를 변경하여 연소실 압력 7 bar, 추력 50 N급으로 하이브리드 로켓을 설계하였다. 공급 산화제와 고체 추진제의 물성치는 Table 1에서 볼 수 있다.
- 산소 탱크의 압력 조절을 위한 레귤레이터, 압력 센서, 산화제 유량 제어를 위해 스텝모터를 장착한 니들밸브와 솔레노이드 밸브, 역화방지용 체크밸브 그리고 기체 산화제의 유량을 측정하기 위한 MFM(Mass Flow Meter)로 구성되어 있다. 니들밸브에 스텝모터(오토닉스사, AH4K-S564)를 장착하여 산화제의 유량을 제어하기 위한 스텝모터의 구동은 스텝모터 컨트롤러를 통해 컴퓨터 신호에 의해 구동되도록 하였다.
- 니들밸브에 스텝모터(오토닉스사, AH4K-S564)를 장착하여 산화제의 유량을 제어하기 위한 스텝모터의 구동은 스텝모터 컨트롤러를 통해 컴퓨터 신호에 의해 구동되도록 하였다. 스텝 모터의 회전에 의해 니들밸브의 개폐량이 조절되도록 연결장치를 제작하여 두 장치를 연결하였다. 니들밸브가 회전하면서 스텝모터의 상하운동이 가능하도록 스텝모터를 알루미늄 판을 부착하고, 이 판과 연마봉 사이에 마찰력을 최소화하기 위하여 베어링을 장착하여 산화제의 유량을 조절 가능하도록 제작하였다.
- 스텝모터를 50 Step씩 일정하게 회전시키면서 산화제 유량을 증가 시켰다. 스텝모터의 스텝 수의 증가는 니들밸브의 개폐량 증가를 의미한다.
- 스텝모터의 구동에 의해 니들밸브 개폐량 변화에 따라서 산화제의 유량 변화를 확인하기 위한 실험을 수행하였다. 스텝모터와 니들벨브로 장치구성을 하여 AALBORG사의 GFM 571S 모델의 유량계를 이용하여 공급압력 80～200 psi 상태에서 산화제의 유량 측정 실험을 수행하였다. Fig.
- 실제 연소실험을 수행하기 전에 스텝모터를 통한 추력제어 성능을 확인하기 위해서 소형 냉가스추력기를 이용한 냉가스(N2) 추력제어 실험을 수행하였다. 실험을 위해 사용한 냉가스 추력기는 Table 2와 같이 설계 목표를 두고 설계하였다.
- 실험장치의 제작에 앞서 우선 산화제와 추진제 그리고 점화원을 설정한 뒤 그에 따른 공급배관을 설계하였다. 본 논문의 핵심사항인 산화제 유량제어를 위해 니들밸브(Needle Valve)에 스텝모터(Stepping Motor)를 장착하여 이를 구동하기 위한 프로그램을 제작하고, 테스트를 통해 유량 조절에 대해 확인할 수 있었다.
- 연소실 압력과 예상 공연비(O/F ratio)를 통해 Fig. 3의 PEP프로그램을 이용하여 C*(characteristic velocity) 1311.3 m/s, Isp(specific impulse)157 초, CF(thrust coefficient) 1.175, ε(nozzle expansion ratio) 1.78 등의 데이터를 산출하고, 이 데이터를 이용하여 추진제의 형태, 초기 반경, 길이 그리고 노즐을 설계 하는데 사용하였다.
- 연소실험은 방폭 시설이 갖춰진 장소에서 수행되었다. 본 연구에서 추진제와 산화제를 이용한 연소실험을 처음으로 수행하였기 때문에 안전상에 문제를 고려하여 방폭벽 안에 실험장치를 설치하고 산소탱크와 제어박스를 방폭벽 외부에 설치하여 연소실험을 수행하였다.
- 연소실험은 총 3회에 걸쳐 수행하였다. 첫 실험은 4~5초 간격으로 스텝모터를 50 Step씩 증가시켜 유량을 일정 간격으로 증가시켰을 때 추력이 증가하는지를 확인하는 실험을 수행하였다.
- Figure 16은 사전에 입력된 추력 명령에 따라서 유량을 자동으로 조절하여 얻은 실험 결과이다. 유량을 자동으로 조절하는 첫 실험이기 때문에 프로그램의 오작동 문제를 고려하여 추력의 허용오차 범위를 5 N으로 설정하고 실험을 수행하였다. 추력은 20 N - 10 N - 20 N - 0 N 으로 설정하고 실험을 수행하였다.
- 냉가스추력기를 이용한 추력제어 실험은 추력 0~5 N범위에서 진행하였다. 제어 프로그램에서 미리 입력된 추력명력에 맞게 추력이 변하도록 실험하였다. 오차 범위를 0.
- 연소실험은 총 3회에 걸쳐 수행하였다. 첫 실험은 4~5초 간격으로 스텝모터를 50 Step씩 증가시켜 유량을 일정 간격으로 증가시켰을 때 추력이 증가하는지를 확인하는 실험을 수행하였다. 나머지 두 번의 실험은 사전에 프로그램에 입력된 추력 명령에 따라 유량을 변화시켜 추력을 제어하는 실험을 수행하였다.
- 실험을 위해 사용한 냉가스 추력기는 Table 2와 같이 설계 목표를 두고 설계하였다. 추력 측정을 위하여 추력 측정 시스템을 장치하고 Calibration을 통해 추력 데이터의 신뢰도를 확보하였다.
- 추력측정장치 외부에 방폭필름을 부착하여 만일의 경우에 발생할 수 있는 안전사고를 대비하여 설계, 제작하였다. 하이브리드 로켓의 추력을 측정하기 위해서 하이브리드 로켓 모터 아래에 LM 가이드를 설치하였다.
- 본 논문의 핵심사항인 산화제 유량제어를 위해 니들밸브(Needle Valve)에 스텝모터(Stepping Motor)를 장착하여 이를 구동하기 위한 프로그램을 제작하고, 테스트를 통해 유량 조절에 대해 확인할 수 있었다. 하이브리드 로켓의 점화원으로 부탄가스를 사용하였고, 점화장치로서 자동차용 점화플러그와 가스보일러용 변압기를 결합하여 점화 신뢰성을 확보하였다. 그레인의 형상과 하이브리드 로켓의 초기 조건을 설정하여 하이브리드 로켓을 제작한 뒤 산화제 유량제어 실험을 수행하였다.
대상 데이터
- 각 부분에 있는 플랜지(flange)사이에 개스킷(gasket)을 두고 볼트를 이용하여 부분별로 고정하였다. 로켓 모터 제작에 사용된 재질은 열전도율이 낮은 stainless steel 304를 사용하였다. 아래의 Fig.
- 본 연구에서 점화장치는 일반 자동차용 점화플러그에 변압기를 연결하여 사용하였다. 220 V의 전기를 10 kV로 증폭하여 하이브리드 로켓이 점화되는 과정 동안에 점화 플러그에서 지속적인 스파크가 발생할 수 있도록 제작하였고 로켓 모터 예연소실 쪽에 장치하였다.
- 1에서 볼 수 있다. 본 연구의 핵심인 산화제 유량제어를 위해 스텝모터와 니들밸브를 결합한 산화제 유량제어 장치와 산화제 공급 배관, 하이브리드 로켓 모터와 점화 장치 그리고 추력 및 산화제 유량과 압력을 측정하기 위한 데이터 획득 장치(DAQ)로 구성되어 있다.
- 실험을 통해 얻어지는 데이터는 산화제 유량과 가압압력 그리고 연소실 압력과 추력이다. 산화제의 유량제어는 추력데이터를 통해 이루어진다.
성능/효과
- 3. 냉가스추력기 실험 및 산화제 유량제어를 통한 추력 제어 실험을 수행하여 추력의 허용오차 범위 5 N 범위에서 하이브리드 로켓의 산화제 유량제어를 통한 추력제어 가능성을 확인하였다.
- 부탄가스는 점화원으로서의 역할이므로 가능한 적은 유량으로 점화가 가능한 유량을 측정하기 위해 볼 밸브의 회전각을 12°로 고정한 후 열식유량계(thermal mass flow meter)를 이용하여 산화제 공급압력을 300 psi 상태에서 실험한 결과 Fig. 6에서 볼 수 있듯이 평균 0.142 cc/sec의 유량에서 점화신뢰성이 확보된다는 점을 알 수 있었다.
- 하지만 위에서 언급했듯이 스텝수의 증가는 유량의 증가량과 정확히 비례하지는 않는다. 스텝 수가 증가할수록 오히려 산화제 유량증가량은 감소하지만 오히려 추력의 증가폭은 커지는 것을 알 수 있다. 이것은 그레인의 연소과정에서 연소면적 증가로 인한 결과라고 판단된다.
- 추력은 20 N - 10 N - 20 N - 0 N 으로 설정하고 실험을 수행하였다. 실험 결과 그래프에서 점선으로 표시된 추력 명령을 따라서 추력의 허용오차 범위 5 N 범위에서 추력이 변하는 것을 확인하였다. 오차 허용범위가 너무 커서 추력을 일정하게 유지하지는 못하였고 반응속도가 느리기 때문에 이를 극복하기 위한 연구가 필요하다고 판단된다.
후속연구
- 실험 결과 그래프에서 점선으로 표시된 추력 명령을 따라서 추력의 허용오차 범위 5 N 범위에서 추력이 변하는 것을 확인하였다. 오차 허용범위가 너무 커서 추력을 일정하게 유지하지는 못하였고 반응속도가 느리기 때문에 이를 극복하기 위한 연구가 필요하다고 판단된다.
- 2 N으로 설정하고 실험한 결과 오차범위 내에서 추력 명령에 따라 추력 곡선을 그렸다. 하지만 추력 명령에 대한 반응속도가 낮아 반응속도를 개선하기 위한 연구가 필요하다고 판단된다. 냉가스추력기 실험 결과는 Fig.
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