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액체로켓엔진의 유량조절에 가변밸브의 조절기법과 플런저 형상이 미치는 영향
Effect of Control Method and Plunger Profile of Variable Valve on Flow Control of a Liquid Rocket Engine 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.15 no.5 = no.66, 2011년, pp.35 - 47  

이중엽 (한국항공우주연구원 미래로켓추진팀) ,  허환일 (충남대학교 항공우주공학과)

초록
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추력 및 혼합비 조절을 목적으로 제작된 유량조절밸브를 AMESim(4.3.0) 시뮬레이터를 통해 모델링 을 수행했다. BLDC 모터(Brushless D.C. motor)를 이용하는 유량밸브의 조절을 위하여 속도조절기법을 제안했으며, 실험을 통해 그 성능을 보였다. BLDC 모터의 속도제어 기법을 이용하는 조절밸브는 P제어 보다 시스템 활용 시 용이하고, 유량조절 실험결과를 통해 시스템에 적용 가능성을 시사했다. 플런 저 형상에 따라 유량 조절 특성을 평가했고, 두 개의 조절밸브를 이용하는 혼합비 조절의 경우 동일한 플런저 형상을 적용하는 것이 적절했다. 혼합비 조절 시 섭동 폭을 줄이기 위해 밸브 플런저의 형상을 수정한 결과 0.5%로 감소했다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Dynamic characteristics of a flow control valve, which plays an important role in thrust and O/F control of liquid rocket engines, have been analyzed by the AMESim simulator modeling. The speed control method was proposed for the control of the flow valve equipped with a BLDC motor. The experimental...

주제어

#아메심   #유량 조절 밸브   #속도조절기법   #고유유량계수   #플런저   #슬리브   #혼합비  

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
추력 및 혼합비 조절을 목적으로 한 유량조절밸브에 대해 시뮬레이션과 모델링한 결과는 무엇인가? SCM에 대한 모델링의 경우 S1=7,500 rpm과 S2=1,000 rpm으로 스케줄링하여 모델링한 결과와 비례제어기에서 비례 이득을 100으로 했을 때의 결과는 서로 유사했다. 그리고 동일한 회전비를 갖는 펌프에 의해 토출 된 산화제 및 연료는 SCM을 통한 유량을 조절 시, 비록 펌프 후단에 외란이 존재하더라도 혼합비 측면에서는 섭동이 상쇄함을 알 수 있다. 또한 제안 된 SCM의 검증을 위해 유량 조절 실험을 수행했고, AMESim 모델링의 예측결과와 실제 실험 결과는 서로 유사했다. 특히 액체로켓엔진의 유량 조절 시스템에서 SCM 알고리즘을 적용할 경우, 별도의 튜닝 절차가 없으면서 초기 설정이 간단한 측면과 목표 대비 강인하면서 안정적인 결과를 얻을 수 있는 측면에서 장점이 있다. 검증 된 SCM을 이용하여 플런저 형상에 따른 모델링을 각각 수행했고, 플런저 형상이 유량 조절 및 혼합비 조절 특성에 지배적인 인자임을 알 수 있었다. 그리고 혼합비 조절을 위해 플런저의 형상을 달리하는 두 개의 조절밸브를 적용시 불안정해지며, 동일한 형상의 플런저 조합을 적용할 경우 정반대의 결과를 보였다. 비록 같은 형상을 이용하여 혼합비 조절을 수행하더라도 5% 내외의 섭동이 존재하나, 플런저의 형상 수정에 의해 0.5%로 감소했다.
로켓엔진의 유량조절밸브은 주로 어떠한 것이 사용되는가? 일반적으로 로켓엔진에 사용되는 유량조절밸브는 직류 전기모터를 사용하는 구동방식이 주로 사용된다[1]. 유압 및 공압 액추에이터의 경우, 유압 및 공압 시스템이 별도로 필요하기 때문에 시스템이 복잡해진다.
전기모터 액추에이터의 장점은 무엇인가? 또한 설계 변경이 필요할 경우, 유공압 시스템도 같이 변경해야 하는 단점이 있다. 그러나 전기모터 액추에이터를 이용할 경우 방식이 간단하고 전압 조절 등 전기적 조절을 통해 설계 변경이 가능하므로 설계 자유도가 크다. 이와 같이 전기모터를 사용한 조절밸브는 발사체 선진국인 러시아, 미국, 유럽 등에서는 활발히 개발되어 로켓엔진에 사용되고 있다.
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참고문헌 (16)

  1. 정태규, 이수용, "BLDC 모터로 구동되는 액체 추진제 로켓엔진용 극저온 추력제어밸브 개발," 한국항공우주학회지, 제38권, 제10호, 2010, pp.1026-1030 

    원문보기 상세보기 crossref

  2. 최재성, 강완규, 허환일, "하이브리드 로켓의 추력제어 성능 향상에 관한 연구," 한국추진공학회지, 제15권, 제1호, 2011, pp.55-62 

    원문보기 상세보기

  3. Imagine S. A., AMESim Library, 2003 

  4. 이중엽, 이수용, "속도제어기법을 이용한 로켓엔진 제어밸브의 동특성," 항공우주기술지, 제7권, 제2호, 2008, pp.162-169 

    원문보기 상세보기

  5. Imagine S. A., Thermal-Hydraulic Library for Component Design & Motor and driver, 2003 

  6. D. McCloy, H. R. Martin, Control of Fluid Power : Analysis and Design, John Wiley & Sons, 1980 

  7. E. C. Fitch, I.T. Hong, Hydraulic system modeling and simulation, BarDyne, Inc., 2001 

  8. Herbert E. Merritt, Hydraulic Control Systems, 1967 

  9. 이중엽, 정태규, 이수용, "제어밸브를 위한 BLDC 모터의 동특성," 대한기계학회 춘계학술대회, Th12D057 (CD본), 2007 

  10. 이중엽, 정태규, 이수용, "서보모터를 이용한 Inline Co-aixle 밸브 제어," 대한기계학회 춘계학술대회, Th12D053 (CD본), 2007 

  11. 장기원, 김은수, 박호열 외, "75톤급 유량제어밸브 개발보고서," (주)한화, 2010 

  12. Philip L. Skousen, Valve Handbook, McGraw-Hill, 1998 

  13. 김영목, 정태규, 이중엽, 정영석, 한상엽, 권오성, "로켓엔진 추력제어기술 개발," 4차년도 보고서, 한국항공우주연구원, 2007 

  14. 이중엽, 정태규, 한상엽, 김영목, "제어밸브를 이용한 액체로켓엔진 모사시스템 특성," 한국추진공학회지, 제9권, 제3호, 2005, pp.74-84 

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  15. 이중엽, 허환일, "가스발생기 연료개폐밸브의 동적 거동," 한국추진공학회지, 제14권, 제4호, 2010, pp.1-9 

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  16. Yoshihiro, N., Yoshifumi, I., "Throttling dynamic response of LH2 rocket engine for vertical landing rocket vehicle," AAS 97-421, pp.229-240 

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