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핀틀 로켓의 초기 최적 노즐 팽창비 결정 방법 연구
The stydy on determination method of initial optimal nozzle expansion ratio in pintle solid rocket motor 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.39 no.8, 2011년, pp.744 - 749  

김중근 (국방과학연구소 1기술본부 6부) ,  이영원 (국방과학연구소 1기술본부 6부)

초록
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본 논문에서는 핀틀 로켓의 초기 최적 노즐 팽창비를 결정하는 방법에 대해서 제시하였다. 초기 최적 노즐 팽창비는 최대/최소 압력의 추력 계수로부터 계산되는 질량 가중 추력 계수를 최대화시켜 결정하였으며 이는 주어진 임무를 수행함에 있어 소요되는 추진제무게가 최소화되는 조건과 일치한다. 초기 최적 노즐 팽창비 결정에 영향을 주는 인자는 최대 압력, 추력조절비 그리고 총추력비이며 이중에서 총추력비가 가장 큰 영향을 준다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, determination method of initial optimal nozzle expansion in pintle rocket was investigated. The initial optimal initial nozzle expansion was decided by maximizing the mass-averaged thrust coefficient that is calculated from thrust coefficient of minimum and maximum chamber pressure. T...

주제어

#핀틀 로켓   #질량 가중 추력계수   #추력조절비   #총추력비  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 원하는 핀틀 로켓 성능을 얻는데 필요한 추진제 무게를 최소화하는 개념을 적용하여 핀틀 로켓의 초기 최적 노즐 팽창비를 결정하는 방법에 대해서 언급하였다.

가설 설정

  • (1) 노즐 유동은 정상상태(Steady state)이다.
  • (3) 유체는 이상기체(Ideal gas)이다.
  • (4) 유체의 비열비(Specific heat)는 일정하다.
  • (5) 노즐 유동은 일차원(One-dimension)이다.
  • 동안 연소된 추진제 무게를 나타낸다. 여기서 특성 방출 속도는 일정하다고 가정하였으며 이것은 핀틀이 움직임으로 연소실 내부 압력이 변하지만 연소실 내부의 정체 온도(Stagnation temperature)는 변하지 않음을 의미 한다.
  • 핀틀 작동에 의한 최소/최대 노즐 팽창비를 결정하는 것은 핀틀 로켓의 노즐 확대부 면적이다. 핀틀의 최소/최대 압력 조건에서 추력 손실이 가장 적은 노즐 형상이 핀틀 이동으로 노즐목 면적이 변하는 핀틀 로켓에서도 추력 손실이 가장 적을 것이다. 따라서 최소/최대 압력 조건에서 최적의 성능을 발휘하는 초기 노즐 팽창비가 추력이 다양하게 변하는 핀틀 로켓의 초기 최적 노즐 팽창비가 될 수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
핀틀 로켓의 설계변수 중 최대압력의 경우 어떻게 설계되어야 하는가? 위의 조건 가운데 최대 압력은 핀틀 로켓의 구조물 무게를 결정하기 때문에 가능한 낮은 값으로 설계되어야 하는 변수이다. 반면에 최소 압력(p2)은 위의 조건을 만족시키는 핀틀 로켓 설계에서 자동적으로 결정되는 값이다.
핀틀 로켓이 압력비에 대한 최적 노틀 팽창비를 구현하기 어려운 이유는 무엇인가? 핀틀 로켓은 그림 1과 같이 기존의 고체 로켓 노즐 목 근처에 설치된 핀틀을 움직여 노즐 목면적을 조절하여 그림 2와 같이 원하는 시점에 추력 크기를 조절하는 추진 시스템이다. 일반적으로 핀틀 로켓은 핀틀 위치에 따라 노즐 목 면적이 변함과 동시에 연소실 압력이 변하기 때문에 압력비에 대한 최적의 노즐 팽창비를 구현하기가 어렵지만, 초기 노즐 팽창비는 핀틀 로켓의 최소/최대 압력에서 추력 손실을 결정하기 때문에 핀틀 로켓 설계에 있어 매우 중요한 설계 변수이다. 대부분의 핀틀 로켓에 관한 연구의 초점이 노즐 목 면적 변화에 따른 연소실 압력과 추력 변화에 맞추어져 있으며[3-5] 초기 노즐 목 결정 방법에 대한 연구는 이루어지지 않 았다.
핀틀 로켓의 최적 노즐 팽창비는 어떻게 구할 수 있는가? 최적 노즐 팽창비는 질량 가중 추력 계수를 노즐 팽창비로 1차 미분된 값이 0이 되는 지점이지만 도함수를 외재적으로 구할 수 없다. 대신에 질량 가중 추력 계수를 압력비로 1차 미분하여 0가 되는 조건을 찾은 후 얻어진 압력비로부터 최적 노즐 팽창비를 구할 수 있다.
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참고문헌 (7)

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

  2. Mike Lyon, "Advanced Propulsion for Tactical Missile", NDIA Conference, 2001. 

  3. S.G. Rock and S.D.Habchi, "Numerical simulation of controllable propulsion for advanced escape systems", AIAA-97-2254, 1997. 

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

  5. Susan L. Burroughs, "Status of Army Pintle Technology for Controllable Thrust Propulsion", AIAA-2001-3598, 2001. 

  6. Geroge P. Sutton, "Rocket Propulsion Element, An introduction to the Engineering of Rockets", Sixth Edition, A Wiley-interscience publication, 1992. 

  7. Stephen Wolfram, "Mathematica, A System for doing Mathematics by computer", Adison-Wesley Publishing Company, Inc., 1991. 

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