KSLV-I (Korea Space Launch Vehicle-I) 상단 킥모터는 고체 추진기관으로 점화기와 점화안전장치로 구성된 점화구동부, 복합재 케이스부, 추력벡터제어가 가능한 잠입형 노즐부, 그리고 추진제로 구성되어 있다. 킥모터를 구성하는 각 서브시스템들은 비행 임무 달성을 위한 개발 요구조건을 만족시켰으며, 2013년 1월 30일 나로호 3차 비행 시험 결과로부터 성공적으로 개발이 완료되었음을 확인할 수 있었다. 본 논문에서는 킥모터에 대한 요구조건, 요구조건을 만족하기 위한 형상관리, 중량 변화, 추력 축 정렬 결과 및 주요 시험 결과 등에 대해 다루었다.
KSLV-I (Korea Space Launch Vehicle-I) 상단 킥모터는 고체 추진기관으로 점화기와 점화안전장치로 구성된 점화구동부, 복합재 케이스부, 추력벡터제어가 가능한 잠입형 노즐부, 그리고 추진제로 구성되어 있다. 킥모터를 구성하는 각 서브시스템들은 비행 임무 달성을 위한 개발 요구조건을 만족시켰으며, 2013년 1월 30일 나로호 3차 비행 시험 결과로부터 성공적으로 개발이 완료되었음을 확인할 수 있었다. 본 논문에서는 킥모터에 대한 요구조건, 요구조건을 만족하기 위한 형상관리, 중량 변화, 추력 축 정렬 결과 및 주요 시험 결과 등에 대해 다루었다.
KSLV-I (Korea Space Launch Vehicle-I) upper stage KM (Kick Motor) is a solid propulsion system which consists of igniter, SAD (Safety Arming Device), composite case, and submerged nozzle capable of TVC (Thrust Vector Control) actuation. Each subsystem of KM fulfilled development requirements for ach...
KSLV-I (Korea Space Launch Vehicle-I) upper stage KM (Kick Motor) is a solid propulsion system which consists of igniter, SAD (Safety Arming Device), composite case, and submerged nozzle capable of TVC (Thrust Vector Control) actuation. Each subsystem of KM fulfilled development requirements for achieving a flight mission successfully. We confirmed the successful development of KM from the $3^{rd}$ flight test results of NARO on January 30, 2013. This article deals with the requirements of KM and the results on configuration management, mass variation, thrust axis alignment, and major test results and so on.
KSLV-I (Korea Space Launch Vehicle-I) upper stage KM (Kick Motor) is a solid propulsion system which consists of igniter, SAD (Safety Arming Device), composite case, and submerged nozzle capable of TVC (Thrust Vector Control) actuation. Each subsystem of KM fulfilled development requirements for achieving a flight mission successfully. We confirmed the successful development of KM from the $3^{rd}$ flight test results of NARO on January 30, 2013. This article deals with the requirements of KM and the results on configuration management, mass variation, thrust axis alignment, and major test results and so on.
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문제 정의
본 논문에서는 상술한 요구조건을 만족시키기 위한 형상관리, 중량 변화, 추력 축 정렬 결과 및 주요 시험 결과 등을 다룬다.
본 논문에서는 킥모터에 대한 요구조건, 요구조건을 만족하기 위한 형상관리, 중량 변화, 추력축 정렬 결과 및 주요 시험 결과 등에 대해 다루었다.
제안 방법
실물형 킥모터의 지상연소시험은 2006년 1월에 시작하여 총 11회의 시험을 수행하였으며, 고고도 모사 지상연소시험은 2007년 8월과 9월에 각 1회씩 총 2회를 수행하였다. 개발 단계에서의 지상연소시험은 국방과학연구소 안흥 시험장에서 GT#5까지 수행하였으며, 이후 수행된 지상연소시험은 추진기관 인증단계의 시험으로 상단 탑재대(VEB, Vehicle Equipment Bay)와 연계하여 고흥항공센터에서 수행하였다. 고고도 모사 지상연소시험 역시 상단 추진기관에 대한 최종 인증시험 차원의 연소시험으로 고고도 압력 조건을 모사하기 위해 킥모터를 디퓨져에 연결한 후 연소시험을 수행하였다.
개발 단계에서의 지상연소시험은 국방과학연구소 안흥 시험장에서 GT#5까지 수행하였으며, 이후 수행된 지상연소시험은 추진기관 인증단계의 시험으로 상단 탑재대(VEB, Vehicle Equipment Bay)와 연계하여 고흥항공센터에서 수행하였다. 고고도 모사 지상연소시험 역시 상단 추진기관에 대한 최종 인증시험 차원의 연소시험으로 고고도 압력 조건을 모사하기 위해 킥모터를 디퓨져에 연결한 후 연소시험을 수행하였다.
실물형 킥모터에 대한 시험 전에 축소형 모델 및 열특성 확인을 위한 모델을 활용한 시험이 2004년부터 2005년까지 수행되었으며, 시험 결과들은 실물형 킥모터의 설계에 반영되었다. 실물형 킥모터의 지상연소시험은 2006년 1월에 시작하여 총 11회의 시험을 수행하였으며, 고고도 모사 지상연소시험은 2007년 8월과 9월에 각 1회씩 총 2회를 수행하였다. 개발 단계에서의 지상연소시험은 국방과학연구소 안흥 시험장에서 GT#5까지 수행하였으며, 이후 수행된 지상연소시험은 추진기관 인증단계의 시험으로 상단 탑재대(VEB, Vehicle Equipment Bay)와 연계하여 고흥항공센터에서 수행하였다.
KSLV-I 상단 킥모터는 작동 환경 (고도 약 300km)에서 총역적과 비추력 요구조건을 만족시켜야 한다[1]. 이를 위한 내탄도 특성은 최대 추력 10,000 kgf 이하이며 점화 30초 이후 추력의 형상이 점진 감쇄형이 되도록 추진제의 그레인 형상이 설계되었다. 이러한 내탄도 요구조건 이외에도 정확한 추력의 전달을 위해 형상공차 [2]를 만족시켜야 하며 연소 시에 연소 불안정성이 발생하지 않아야 한다.
첫 지상 연소 시험용 모델의 경우 내탄도 설계 검증이 주요 목적으로 구조체의 경우, 안정성을 고려하여 케이스의 내열재와 와인딩이 비행용 대비 대폭 보강되었으며, 케이스 전/후방 보스와 노즐 연결부 및 노즐 확장부의 소재가 비행용과 달리 강재가 사용되었다. 이후 모델들은 목표 중량을 달성하기 위해 감량한 결과들로 개발 과정에서 비행용 대비 보강된 구조가 사용된 적이 있지만, 최종적으론 비행용과 동일한 구조체를 적용, 지상연소시험을 통해 열적, 구조적 안전성을 검증하였다.
대상 데이터
비행시험은 2009년, 2010년, 그리고 2013년 총 3회가 수행되었다. 1차 비행 시험에서는 나로호가 발사대에서 이륙한 후 395초 경과된 후에 킥모터는 정상 점화되었으며, 비록 한쪽 페어링 미 분리로 인해 과도한 롤 방향 자세 제어를 수행하게 되었으나 킥모터는 정상 작동한 것으로 확인되었다.
7에는 주요 시험 일정을 도시하였다. 실물형 킥모터에 대한 시험 전에 축소형 모델 및 열특성 확인을 위한 모델을 활용한 시험이 2004년부터 2005년까지 수행되었으며, 시험 결과들은 실물형 킥모터의 설계에 반영되었다. 실물형 킥모터의 지상연소시험은 2006년 1월에 시작하여 총 11회의 시험을 수행하였으며, 고고도 모사 지상연소시험은 2007년 8월과 9월에 각 1회씩 총 2회를 수행하였다.
성능/효과
8에 확장비 15인 노즐을 적용한 지상연소시험 결과를 도시하였다. 11회의 지상연소시험 결과는 GT#2를 제외하곤 정상적인 연소 종료로 시험을 마칠 수가 있었다. GT#2 시험에서는 점화 후 약 30초 경에 킥모터 전방부로부터 화염이 분출되어 킥모터 및 시험장 일부가 파손되었다.
비행시험은 2009년, 2010년, 그리고 2013년 총 3회가 수행되었다. 1차 비행 시험에서는 나로호가 발사대에서 이륙한 후 395초 경과된 후에 킥모터는 정상 점화되었으며, 비록 한쪽 페어링 미 분리로 인해 과도한 롤 방향 자세 제어를 수행하게 되었으나 킥모터는 정상 작동한 것으로 확인되었다. 2차 비행 시험에서는 1단 비행 구간에서 문제가 발생되어 킥모터는 정상적으로 점화되지 않았으며, 3차 비행 시험에서는 모든 비행 이벤트에서 성공적으로 작동된 것으로 확인되었다.
1차 비행 시험에서는 나로호가 발사대에서 이륙한 후 395초 경과된 후에 킥모터는 정상 점화되었으며, 비록 한쪽 페어링 미 분리로 인해 과도한 롤 방향 자세 제어를 수행하게 되었으나 킥모터는 정상 작동한 것으로 확인되었다. 2차 비행 시험에서는 1단 비행 구간에서 문제가 발생되어 킥모터는 정상적으로 점화되지 않았으며, 3차 비행 시험에서는 모든 비행 이벤트에서 성공적으로 작동된 것으로 확인되었다. 또한 킥모터 케이스부에 장착된 비행종단시스템 작동이 킥모터 추진제에 미치는 영향을 파악하기 위한 FTS-KM 시험이 나로 우주센터에서 수행되었으며, 비행종단시스템이 작동되면 킥모터의 추진제는 즉시 점화가 되는 것으로 확인되었다.
KSLV-I 상단 킥모터를 구성하는 각 서브시스템들은 비행 임무 달성을 위한 개발 요구조건을 만족시켰으며, 2013년 1월 30일 나로호 3차 비행 시험 결과로부터 성공적으로 개발이 완료되었음을 확인할 수 있었다.
1에는 확대비 15인 단축형 노즐을 적용한 지상시험용 모델 8기와 확대비 35인 노즐을 적용한 모델 6기, 총 14기의 킥모터 시스템에 대한 형상 공차 모니터링 결과를 도시하였다. 각각의 측정치를 기준치로 무차원하여 나타내었으며, 허용 공차 내에서 제작되었음을 확인할 수 있다.
3%의 범위에 있는 것으로 확인되었다. 또한 3차 비행시험(FT#3)의 경우, 비행 시험 결과 대비 예측치의 최대 오차가 총역적, 비추력, 작동 시간에 있어 각각 0.06%, 0.03%, 0.3% 인 것으로 확인되었으며, Fig. 10에 확장비 35인 비행시험용 노즐을 적용한 시험결과를 도시하였다.
2차 비행 시험에서는 1단 비행 구간에서 문제가 발생되어 킥모터는 정상적으로 점화되지 않았으며, 3차 비행 시험에서는 모든 비행 이벤트에서 성공적으로 작동된 것으로 확인되었다. 또한 킥모터 케이스부에 장착된 비행종단시스템 작동이 킥모터 추진제에 미치는 영향을 파악하기 위한 FTS-KM 시험이 나로 우주센터에서 수행되었으며, 비행종단시스템이 작동되면 킥모터의 추진제는 즉시 점화가 되는 것으로 확인되었다.
비행용 노즐을 적용한 시험의 결과는 3차 비행시험 (FT#3) 의 내탄도 결과를 기준치로 했을 때, 4회의 시험 결과는 총역적의 경우 -5.4% ~-0.18% 범위에, 비추력의 경우 -5.5% ~ 0.42% 범위에, 최대 추력의 경우 -7.4% ~ -3.3%의 범위에 있는 것으로 확인되었다. 또한 3차 비행시험(FT#3)의 경우, 비행 시험 결과 대비 예측치의 최대 오차가 총역적, 비추력, 작동 시간에 있어 각각 0.
킥모터 개발에 있어 형상 뿐만 아니라 중량도 중요한 관리 항목이다. 비행용 킥모터의 구조체(점화구동부, 케이스부, 노즐부) 중량은 목표 중량 대비 99.4 ~ 99.9%에 해당하며, 추진제는 목표 충전량 대비 0.1% 오차로 충전되었다. 10회의 지상연소시험용 킥모터의 구조 중량은 Fig.
첫 지상 연소 시험용 모델의 경우 내탄도 설계 검증이 주요 목적으로 구조체의 경우, 안정성을 고려하여 케이스의 내열재와 와인딩이 비행용 대비 대폭 보강되었으며, 케이스 전/후방 보스와 노즐 연결부 및 노즐 확장부의 소재가 비행용과 달리 강재가 사용되었다. 이후 모델들은 목표 중량을 달성하기 위해 감량한 결과들로 개발 과정에서 비행용 대비 보강된 구조가 사용된 적이 있지만, 최종적으론 비행용과 동일한 구조체를 적용, 지상연소시험을 통해 열적, 구조적 안전성을 검증하였다.
후속연구
이러한 사고는 킥모터를 수평 거치한 상태에서 수행한 지상 연소 시험에서만 발생될 수 있는 문제로 슬래그가 중력 방향으로 흘러 내려 축적되었기 때문이다. 비록 비행 시험에서는 발생되지 않을 것이지만, 성능 확인을 위한 추후 지상연소시험에서의 열적 안정성을 고려하여 내열소재의 완충재를 보강하여 이후 시험에서는 정상적으로 연소 시험을 마무리할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
추력벡터조절(TVC)은 무엇에 의해 수행됩니까?
추력벡터조절 (TVC)은 노즐부의 브라켓링과 구동기 지지빔에 결합되는 구동기에 의해 수행 되어 진다. 킥모터에 장착된 구동기와 관련 유압 배관들은 Fig.
KSLV-I 상단 킥모터는 점화구동부, 케이스부, 노즐부, 추진제로 구성되어 있는데 각각의 역할은 무엇입니까?
KSLV-I 상단 킥모터는 고체 추진기관으로 점화구동부, 케이스부, 노즐부, 추진제로 구성되어 있다. 점화구동부는 추진제를 점화시키는 장치로 점화기, 점화안전장치, 압력센서와 이들 간의 인터페이스를 총칭한다. 케이스는 추진제를 저장하는 용기이며 킥모터 연소 시, 추력을 인터페이스 구조체에 전달하는 구조물로 비행종단 및 자세 제어를 위한 여러 가지 부품들을 지지한다. 노즐 부는 케이스에 연결되어 고온, 고압의 연소가스를 팽창시켜서 추력을 발생시키는 장치로 추력벡터조절 (TVC, Thrust Vector Control)을 통해서 KSLV-I 2단을 정해진 궤도로 유도하는 역할을 한다. 추진제는 산화제와 연료의 혼합물로 케이스 내에 일정한 형태로 충전되어 연소 시에 고압의 가스를 발생시키는 물질이다.
킥모터의 주요한 형상 관리 항목은 무엇입니까?
지상연소시험용 킥모터를 포함한 모든 킥모터는 납품 시에 추력 비정렬 오차 범위와 횡방향 무게 중심 오프셋 허용 범위를 만족해야 하며, 이는 킥모터 서브시스템의 제작 단계에서부터 확인, 관리되어 진다. 주요한 형상 관리 항목으로는 케이스의 후방보스 동심도, 후방보스 평행도, 노즐목 동심도, 노즐목 대비 확대부 동심도 및 노즐부 누적 롤방향 오차를 들 수 있다[4].
참고문헌 (5)
Cho, I.H., Lee, W.B., Kim, Y.M., and Cho, G.R., "Design and Test of KSLV-I Kick Motor," Proceeding of the 2007 KSAS Fall Conference, pp. 1510-1504, 2007.
Kim, J.H., GD14530PA00000-0001(B), Korea Aerospace Research Institute, Internal Document, 2006.
Chun, Y.D., SP51400PA00000-0001, Korea Aerospace Research Institute, Internal Document, 2004.
Lee, H., Jung, D.H., and Oh, S.H., "Configuration Tolerance for KSLV-I Kick Motor System," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 10, No. 2, pp. 128-132, 2011.
Lee, H., Jung, D.H., and Oh, S.H., "KSLV-I Kick Motor System Thrust Axis Alignment," Aerospace Engineering and Technology, Vol. 9, No. 2, pp. 138-142, 2010.
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