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로켓 모터의 작동시간이 노즐 열전달 계수에 미치는 영향에 관한 연구
A Study of the Effect of Operating Time of a Rocket Motor on the Convective Heat Transfer Coefficient of Nozzle 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.2, 2013년, pp.24 - 30  

김진수 (한전원자력연료 안전해석팀) ,  김경식 ((주)한화 구미사업장 개발2부) ,  조승환 ((주)한화 구미사업장 개발2부) ,  권영두 (경북대학교 기계공학부) ,  권순범 (경북대학교 기계공학부)

초록
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미사일 탄두의 정확한 제어를 위하여, 로켓 모터의 구조 및 유체/열역학적 안정성이 절대적으로 필요하다. 특히, 유도탄의 초기 선회형 로켓 모터는 작동 시간이 짧음에도 불구하고, 고온 고압에서 작동되기 때문에 노즐 목 부근에서는 삭마(削磨, Ablation)가 일어나 유동자체의 불안정이 발생하고, 열 및 기계적 응력 때문에 시스템 자체가 파국에 이르는 경우가 종종 발생한다. 이와 관련, 본 연구에서는 열응력(Thermal stress) 및 삭마는 유동 연소 가스로부터 노즐 재료로의 전열량과 재료 내부의 온도 차이에 기인된다는 판단에 따라 로켓 모터의 작동시간이 노즐 벽면 열전달 계수에 미치는 영향을 수치적으로 해석하는 것을 연구의 목적으로 하였다. 그 결과, 노즐 벽면 열전달 계수는 노즐 목 바로 직전에서 가장 크게 되고, 로켓 모터의 작동 시간이 길어질수록 열전달 계수는 감소하는 것으로 나타났다. 또, 노즐 목의 곡률반경이 작을수록, 최대 열전달 계수가 크게 되는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

To guarantee the exact control of missile warhead, it is inevitable to ensure the stabilities in the view points of structural and fluid/thermo dynamics of the rocket motor. Specially, despite of shortness in operating time of the rocket motor which is initial turning type of missile, it occurs freq...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 이식은 정상상태 유동에 한정하여 유효한 식일 뿐이다. 따라서 본 연구에서는 상용 코드인 Fluent(6.3)을 사용, 이를 실제 사용되고 있는 로켓 모터와 유사한 시스템에 적용하여, 고체 벽의 열전도를 포함한 비정상 유동장을 수치 해석하여 로켓 모터의 작동시간에 따른 각종 열/유동 상태량을 밝히는 것을 연구의 목적으로 하였다. 수치해석에 사용된 초음속 노즐 열/유동 조건및 노즐 시스템은 0.
  • 즉, 전술의 정체 상태에 대해, 로켓 모터 작동 시간의 변화에 따른 유동, 노즐 벽 및 내부 온도 변화 및 벽면 열전달 계수의 변화를 구하여 제시하는 것을 연구의 목적으로 하였다. 또 열전달 계수에는 초음속 노즐의 노즐 목 곡률 반경(Nozzle throat radius of curvature)이 큰 영향을 미치므로[7] 노즐 목 곡률 반경의 변화가 벽면 열전달 계수에 미치는 영향도 밝히고자 한다.
  • 23 MPa, T0=1,952 K로 일정한 것으로 가정하였다. 즉, 전술의 정체 상태에 대해, 로켓 모터 작동 시간의 변화에 따른 유동, 노즐 벽 및 내부 온도 변화 및 벽면 열전달 계수의 변화를 구하여 제시하는 것을 연구의 목적으로 하였다. 또 열전달 계수에는 초음속 노즐의 노즐 목 곡률 반경(Nozzle throat radius of curvature)이 큰 영향을 미치므로[7] 노즐 목 곡률 반경의 변화가 벽면 열전달 계수에 미치는 영향도 밝히고자 한다.

가설 설정

  • 1) 열전달 계수가 최대로 되는 위치는 노즐 목 직전이다.
  • 노즐 목에서부터 출구까지의 길이는 l=23 mm 이고, 노즐 목을 x=0에 대응시켰다. 노즐 입구벽 단면과 정체 상태에 해당하는 노즐 입구 상류 연소 가스는 서로 단열되어 있는 것으로 가정하였다. 초음속 노즐의 재료는 내 삭마성이 강한 TZM[10]을 사용하였다.
  • 연소 가스는 이상 기체 상태 방정식을 만족하고 가스의 비열비, 정압 비열 및 기체 상수는 일정하며 점도 및 열전도도는 온도의 함수로 가정하여 구하였다[8]. 노즐 재료의 열전도도와 비열 또한 온도의 함수로 가정하여 수치해석에 적용하였다. 노즐 외벽과 주위 공기와의 자연 대류 열전달 계수가 노즐 내부 유동에 미치는 영향을 확인하기 위하여 자연 대류 열전달 계수를 3종류 (h = 6, 100, 500 W/m2 K)[9]로 하여 외부 자연대류 열전달 계수의 영향을 규명하였다.
  • 6초 동안 작동하는 것으로 하였다. 수치해석에서는 로켓 모터에 사용된 연소 가스의 조성비(조성비는 對外 秘임)는 일정하여 비열(Specific heat) 및 가스 상수(Gas constant)등은 일정하며, 노즐 정체 상태 (Stagnation condition)는 P0=17.23 MPa, T0=1,952 K로 일정한 것으로 가정하였다. 즉, 전술의 정체 상태에 대해, 로켓 모터 작동 시간의 변화에 따른 유동, 노즐 벽 및 내부 온도 변화 및 벽면 열전달 계수의 변화를 구하여 제시하는 것을 연구의 목적으로 하였다.
  • 01 sec이다. 연소 가스는 이상 기체 상태 방정식을 만족하고 가스의 비열비, 정압 비열 및 기체 상수는 일정하며 점도 및 열전도도는 온도의 함수로 가정하여 구하였다[8]. 노즐 재료의 열전도도와 비열 또한 온도의 함수로 가정하여 수치해석에 적용하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유도탄의 초기 비행 자세 제어에 사용되는 로켓모터의 작동시간은 어떠한가? 지금까지 유도탄을 지상에서 공중으로 부양시키거나 유효거리까지 도달시키기 위해 필요한 추력을 만드는 로켓모터에 관한 연구는 많이 되었지만[1, 2] 초기 비행 자세를 제어하는 초기선회형 로켓 모터에 대해서는 거의 연구가 되지 않았다. 유도탄의 초기 비행 자세 제어에 필요한 에너지를 공급하는 고체 연료 로켓 모터는 길어야 1초미만으로 작동된다. 유도탄의 초기 비행 자세 제어를 위한 추력을 얻기 위하여 고체연료를 연소시키면 연소 가스의 정체점 온도는 2000 K, 압력이 20 MPa 정도에 이르게 되며[3] 이 고온 고압의 가스를 초음속 노즐(Convergent -divergent supersonic nozzle)을 통하여 팽창시킴으로서 큰 추력을 얻게 된다.
Bartz는 로켓 노즐내의 유동을 어떤 가정하에 열전달 계산식을 구하였는가? 이와 관련, 로켓 노즐 유동에 있어서 대류 열전달 계수를 간단히 계산 하기 위한 노력이 1950년대 말부터 시작되었으며 Bartz[5]에 의해 어느 정도 유효한 식이 제시 되어 있는 실정이다. Bartz는 로켓 노즐내의 유동을 완전 발달된 원통 내의 난류유동(Fully developed turbulent pipe flow)과 같다는 가정즉, Dittus-Boelter[6] 식을 원용하여 대략적인 로켓 노즐 열전달 계산식을 구하였다. 그러나 이식은 정상상태 유동에 한정하여 유효한 식일 뿐이다.
초기 선회형 로켓모터를 장착한 미사일 탄두의 정확한 제어가 어려운 까닭은 무엇인가? 미사일 탄두의 정확한 제어를 위하여, 로켓 모터의 구조 및 유체/열역학적 안정성이 절대적으로 필요하다. 특히, 유도탄의 초기 선회형 로켓 모터는 작동 시간이 짧음에도 불구하고, 고온 고압에서 작동되기 때문에 노즐 목 부근에서는 삭마(削磨, Ablation)가 일어나 유동자체의 불안정이 발생하고, 열 및 기계적 응력 때문에 시스템 자체가 파국에 이르는 경우가 종종 발생한다. 이와 관련, 본 연구에서는 열응력(Thermal stress) 및 삭마는 유동 연소 가스로부터 노즐 재료로의 전열량과 재료 내부의 온도 차이에 기인된다는 판단에 따라 로켓 모터의 작동시간이 노즐 벽면 열전달 계수에 미치는 영향을 수치적으로 해석하는 것을 연구의 목적으로 하였다.
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참고문헌 (13)

  1. Cowles, D. K., "Design of a Tomahawk Cruise Missile Booster Rocket Motor," Rensselaer Polytechnic Institute Hartford, Connecticut, May, 2012 

  2. Kim, S. K., Kwon, Y. D., Kwon, S. B., and Gil, H. M., "Thermo-Mechanical Analysisof Continuous-Adjustment Thruster using Explosion Pressure," Computational Structural Engineering Institute of Korea, 2011, Vol. 24, No. 6, pp.699-706 

  3. Kauffmann, J., Hervertz, A., and Sippel, M., "Systems Analysis of a High Thrust, Low-Cost Rocket Engine," Int. Conf. on Green Propellant for Space Propulsion, Netherlands, June, 2001, pp.1-7 

  4. Hirai, K., "Ablation Analysis for Solid Rocket Motor Nozzles," Proc. of Conf. on Aerospace Propulsion, Vol. 43, 2003, pp.49-54 

  5. Bartz, D. R., "A Simple Equation for Rapid Estimation of Rocket Nozzle Convective Heat Transfer Coefficient," Jet Propulsion, Vol. 27 , No. 1, Jan., 1957, pp.49-51 

  6. Incropera, F. and Dewitt, D., Introduction to Heat Transfer, Wiley, NewYork, 1985 

  7. Ahmad, R. A., "Convective Heat Transfer in the Reusable Solid Rocket Motor of the Space Transportation System," Heat Transfer Engineering, Vol. 26 , No. 10, 2005, pp.30-45 

  8. Mcbride, B. J., Reno, M. A., and Gordon, S., "An Intrim Updated Version of the NASA Lewis Computer Program for Calculating Complex Chemical Equilibria with Applications," NASA Technical Memorandum 4557, Technical Report, Cleveland, OH, 1994, 

  9. John, J. and Keith, T., "Gas Dynamics," Pearson Int. Ed.3rd.ed, 2006, pp.350-351 

  10. MPDB v7.37, JAHM Software 

  11. Aksel, M. H., Prentice-Hall, Gas Dynamics, 1994, pp.342-344 

  12. Zucrow, M. J. and Hoffman, J. D., Gas Dynamics, Vol. 1, J. Wiley & Sons, 1997, pp.233-234 

  13. Beastall, D., B.Sc., and Pallant, R. J., "Wind-tunnel Tests on Teo-dimensional Supersonic Aerofoils at M1.86 and M2.48," No. 2800, R&M, 1950 

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