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논문 상세정보

하이브리드 로켓의 추력제어 성능 향상에 관한 연구

Study of Thrust Control Performance Improvement for Hybrid Rocket Applications

초록

본 연구에서는 하이브리드 로켓의 추력 제어 연소실험을 통하여 추력 제어 성능 향상을 위한 연구를 진행하였다. 추력 제어 명령에 따라 니들밸브와 결합된 스텝모터의 구동을 제어함으로써 산화제 유량을 조절하는 시스템을 구축하였다. 하이브리드 로켓 연소실험에서 사용된 산화제로는 기체산소($GO_2$)를 사용하였으며 추진제는 PE(Polyethylene)와 PC(Polycarbonate)를 사용하였다. 추력 제어 연소실험 초기에 발생되었던 추력섭동(Thrust Oscillation) 현상의 개선과 낮은 응답속도의 향상을 위해 연소실험 과정에서 산화제 배관의 유속 변화를 측정하고 원인을 분석하였다. 이를 보완한 연소 실험을 통하여 추력명령의 ${\pm}1$ N 이내에서 추력이 안정적으로 제어되었다.

Abstract

In this study, we tried to improve the thrust control performance through the thrust control combustion experiment of the hybrid rocket. We constructed the system which controls the oxidizer flow by combining a needle valve with a stepping motor and controlling the stepping motor drive according to the thrust control command order. Gas oxygen was used as the oxidizer for two different propellants, PE(Polyethylene), PC(Polycarbonate), respectively. To improve the slow response time and the oscillation phenomenon in the beginning stage of the thrust control combustion experiment, we measured and analyzed the change of the flow speed of the propellant pipe. The revised thrust control combustion experiment showed that the thrust was stably controlled with the margin or error from the thrust command within ${\pm}1$ N.

질의응답 

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핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하이브리드 로켓
하이브리드 로켓 연구가 주목받는 이유는 무엇인가?
고체추진기관에서 발생할 수 있는 폭발사고가 발생하지 않는다는 안정성을 가지고 있다. 또한 액체 로켓보다는 비교적 간단한 구조로 산화제 유량제어를 통한 추력제어가 가능하고, 필요에 따라 엔진의 소화/재점화가 가능하며, 친환경적인 특성을 가지고 있다.

하지만 최근 하이브리드 로켓은 선진국을 중심으로 많은 연구 개발이 진행되고 있다. 하이브리드 로켓 연구가 주목 받고 있는 이유는 고체추진기관에서 발생할 수 있는 폭발사고가 발생하지 않는다는 안정성을 가지고 있다. 또한 액체 로켓보다는 비교적 간단한 구조로 산화제 유량제어를 통한 추력제어가 가능하고, 필요에 따라 엔진의 소화/재점화가 가능하며, 친환경적인 특성을 가지고 있다. 이러한 장점으로 인해 우주발사체 및 무기체계에 적용하기위한 많은 연구가 진행되고 있다[2].

공급 산화제
공급 산화제의 유량을 제어하기 위해 어떻게 구성했는가?
니들밸브(N/V)에 스텝핑 모터(S/M)를 결합하여 구성

2와 같다. 공급 산화제의 유량을 추력 명령에 맞도록 제어하기 위해서 니들밸브(N/V)에 스텝핑 모터(S/M)를 결합하여 구성하였다. 유량제어 시스템의 원리는 S/M가 회전함에 따라 N/V의 개폐량을 조절하고 산화제의 유동면적을 변화시킴으로써 유량을 조절하였다.

하이브리드 로켓
하이브리드 로켓이 1960년대까지 활발한 연구가 이루어지지 못한 이유는 무엇인가?
저장성과 간결성을 요구하는 국방 분야에서의 고체로켓 선택과 고추력 성능을 통한 고성능 임무능력을 요구하는 우주개발분야에서의 액체로켓 선택으로 인해 비교적 많은 연구가 이루어지지 못한 것

하이브리드 로켓 추진 개념은 70여 년 전에 독일의 Leonid Andrussow에 의해 처음 고안되었지만 1960년대 까지는 고체 추진과 액체 추진에 비해서 활발한 연구가 이루어지지 못했다[1]. 이는 저장성과 간결성을 요구하는 국방 분야에서의 고체로켓 선택과 고추력 성능을 통한 고성능 임무능력을 요구하는 우주개발분야에서의 액체로켓 선택으로 인해 비교적 많은 연구가 이루어지지 못한 것이다. 하지만 최근 하이브리드 로켓은 선진국을 중심으로 많은 연구 개발이 진행되고 있다.

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참고문헌 (9)

  1. 권민찬, 허환일, "하이브리드 로켓의 개념 소개 및 연구개발 동향 분석 I- 대형프로젝트 및 기업," 한국항공우주학회지, 제30권 3호, 2002, pp.146-154 
  2. 권민찬, 허환일, "하이브리드 로켓의 개념 소개 및 연구개발 동향 분석 II- 대학 및 아마추어," 한국항공우주학회지, 제30권 3호, 2002, pp.155-163 
  3. 용승주, 김태규, "$N_2O$ 촉매 분해를 이용한 하이브리드 로켓 자연 점화 연구," 한국추진공학회 춘계학술발표회 논문집, 2010, pp.202-205 
  4. 안성용, 진정근, 정은상, 권세진, "과산화수소 촉매 분해를 이용한 하이브리드 로켓 자연 점화," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2009, pp.499-506 
  5. 김학철, 김수종, 전두성, 우경진, 이정표, 문회장, 성홍계, 이진곤 "용융성 다이아프램을 이용한 하이브리드 로켓의 연소 특성 연구," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2010, pp.474-478 
  6. 오화영, 문성환, 허환일, "HTPB/$GO_2$ 하이브리드 로켓의 산화제 유량제어," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2004, pp.251-254 
  7. 이용우, 강완규, 허환일, "$GO_2$/PE 하이브리드 로켓의 추력제어를 위한 시스템 설계 및 기초실험," 한국추진공학회지, 제14권, 제1호, 2010, pp.40-47 
  8. 강완규, 허환일, "$GO_x$/PC 하이브리드 로켓의 추력제어 환경에서 후퇴거리 예측," 한국추진공학회 추계학술대회 논문집, 2009, pp.526-529 
  9. 강완규, 최재성, 허환일. "하이브리드 로켓의 추력제어를 위한 추력 섭동 감쇄에 관한 연구," 한국추진공학회 춘계학술대회 논문집, 2010, pp.197-201 

이 논문을 인용한 문헌 (3)

  1. 이중엽, 허환일 2011. "액체로켓엔진의 유량조절에 가변밸브의 조절기법과 플런저 형상이 미치는 영향" 한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, 15(5): 35~47 
  2. 김계환, 문근환, 김진곤, 문희장 2014. "하이브리드 로켓의 추력제어를 위한 산화제 유량제어 연구" 한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, 22(4): 93~98 
  3. 문근환, 한승주, 김학철, 김계환, 김진곤, 문희장 2014. "달 탐사를 위한 하이브리드 추진 시스템 추력제어" 한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, 18(6): 34~41 

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