[논문]하이브리드 로켓 모터의 연소불안정 분석 및 저감 설계

이정표; 이선재; 김진곤; 문희장

doi:10.6108/kspe.2014.18.4.018

하이브리드 로켓 모터의 연소불안정 분석 및 저감 설계
An Analysis and Reduction Design of Combustion Instability Generated in Hybrid Rocket Motor 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.18 no.4, 2014년, pp.18 - 25

이정표 (Aerospace Engineering, Universidade de Brasilia) , 이선재 (R&D Planning & Coordination Division, Korea Aerospace Research Institute) , 김진곤 (School of Aerospace & Mechanical Engineering, Korea Aerospace University) , 문희장 (School of Aerospace & Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 다이아프램(diaphragm)을 설치한 하이브리드 로켓에서 발생하는 연소불안정의 발생 메커니즘을 알아보고, 고체연료의 연소율은 증가하면서 연소불안정은 줄일 수 있는 그레인 설계를 제안하였다. 고체연료의 연소율을 증진시키기 위해 다이아프램을 설치한 하이브리드 로켓 모터에서 관찰되는 큰 연소불안정의 가진 요인은 전방 연소실에서 생성된 와류가 후방의 다이아프램에 부딪치면서 나타나는 Hole-tone으로 판단된다. 또한 다이아프램의 고연소율 발생 메카니즘을 적용하면서 연소불안정은 줄일 수 있는 'Stepped Grain'을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the mechanism of the combustion instability which may occur in a hybrid rocket motor with a diaphragm was studied. And the new design for a hybrid motor grain was suggested. It could increase a regression rate of solid fuel, and reduce a large pressure oscillation in a hybrid rocket motor with a diaphragm. It was confirmed that the main mechanism of a large pressure oscillation was hole-tone, and it was caused by a collision between a diaphragm and a vortex which was generated in a pre-chamber. And 'Stepped Grain' design which had the mechanism for high regression rate in a motor with a diaphragm and could reduce a combustion instability was suggested.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

그러나 선행연구에 의하면 다이아프램을 설치함으로써 고체연료의 연소율은 증가하였지만, 큰 압력 진동을 수반한 연소불안정이 발생하였다[5]. 따라서 본 연구에서는 다이아프램이 설치된 하이브리드 로켓 모터에서 발생하는 심각한 연소불안정의 발생 메커니즘을 알아보고, 고체연료의 연소율은 증가하면서, 연소불안정은 줄일 수 있는 그레인 설계를 제안하였다. 그리고 본 연구에서의 연소 실험은 참고문헌 [6]에서 수행한 실험과 동일하고, 실험 장치 및 실험 조건은 본 논문에서 생략하였다.
이를 개선하기 위해 후방 연료의 포트 직경을 전방 연료 포트 직경보다 크게 설계하여 연료 포트 내에 충돌벽을 없애 연소불안정을 저감시킴과 동시에 전·후방 연료의 직경 단차에서 발생하는 고온의 재순환류로 인해 후방연료의 후퇴율을 증가시키고자 하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 다이아프램이 설치된 하이브리드 로켓 모터에서 발생하는 심각한 연소불안정의 발생 메커니즘을 알아보고, 고체연료의 연소율은 증가하면서, 연소불안정은 줄일 수 있는 그레인 설계를 제안하였다. 그리고 본 연구에서의 연소 실험은 참고문헌 [6]에서 수행한 실험과 동일하고, 실험 장치 및 실험 조건은 본 논문에서 생략하였다. 참고문헌 [6]에서는 다이아프램이 설치되어 있는 연소기에서의 연소불안정 발생 메커니즘을 다이아프램 유·무, 다이아프램 내경 변화 등의 다양한 실험 변수를 고려하여 분석하였다.
다이아프램 내경과 연료 포트 직경의 차이의 변화에 따른 압력진동의 특성을 알아보기 위해 단차의 변화를 주어 실험을 수행하였다. 연료 포트 직경은 20, 25 mm로 설정하였고, 다이아프램 내경은 10, 15 mm로 설정하였다.
또한 전·후방 연료의 직경 차이에서 발생되는 고온의 재순환류로 인해 고체연료의 연소율은 증가하고, 내부 유동과 벽의 충돌로 인해 발생되는 Hole-tone 모드는 없앨 수 있는 ‘Stepped Grain’을 설계하였다.
본 연구에서는 다이아프램(diaphragm)을 설치한 하이브리드 로켓 모터에서 발생하는 심각한 연소불안정의 발생 메커니즘을 알아보았고, 고체 연료의 연소율을 증가시키면서 연소불안정을 줄일 수 있는 ‘Stepped Grain’을 제안하였다.
연소실의 압력을 측정하기 위해 전방 및 후방 연소실에 고주파수 센서인 ‘Kistler’ 사의 압전식 압력 센서(piezoelectric pressure transducer, 6061 B)를 설치하여 측정하였고, 노즐은 연소 중 노즐목의 삭마를 방지하기 위해 수냉식 냉각장치가 설치된 구리 합금 노즐을 사용하였다.

대상 데이터

다이아프램 내경과 연료 포트 직경의 차이의 변화에 따른 압력진동의 특성을 알아보기 위해 단차의 변화를 주어 실험을 수행하였다. 연료 포트 직경은 20, 25 mm로 설정하였고, 다이아프램 내경은 10, 15 mm로 설정하였다. Fig.

성능/효과

‘Stepped Grain’을 적용하여 연소 실험을 수행한 결과, 압력 진동이 크게 저감되었고, 후방연료의 후퇴율은 single-port 그레인의 후퇴율에 비해 크게 상승되는 것을 확인하였다.
Fig. 3과 4의 압력 데이터의 FFT 분석 결과를 보면 모든 실험조건에서 최대 진폭을 나타내는 주요 주파수(primary frequency)는 100 Hz 부근에서 나타나고, 주요 주파수의 특성은 다이아프램 내경과 연료 포트 직경의 단차 변화에 큰 변화를 보이지 않음을 볼 수 있다. 직경 차이가 커짐에 따라 연료 포트 내부를 흐르는 유동과 다이아프램의 충돌 강도가 커지기 때문에 압력 진동은 커지지만, 최대 진폭을 나타내는 주요 주파수(primary frequency)는 큰 차이 없이 나타난 것으로 판단된다.
참고문헌 [6]에서는 다이아프램이 설치된 하이브리드 로켓에서 발생되는 연소불안정의 발생 원인을 분석하기 위해 전/후방 다이아프램 유·무, 후방 다이아프램 직경 변화, 전방 다이아프램 직경 변화 등의 다양한 실험 조건을 고려하여 실험을 수행하였다. 결과에 따르면 본 연구에서의 심각한 연소불안정의 가진 요인은 전방 연소실에서 생성된 와류가 후방의 다이아프램에 충돌하여 발생하는 강한 순음성 충돌음인 Hole-tone으로 확인 되었다. Fig.
이는 전방 연소실에서 생성된 와류가 충돌할 수 있는 벽을 제거함으로서 모터 내에서 발생할 수 있는 Hole-tone 모드를 제거했기 때문으로 판단된다. 그리고 FFT 해석 결과를 보면 100~200 Hz 대와 1000~1200 Hz 대의 영역에서 낮은 진폭의 압력 진동이 발생함을 볼 수 있고, 이러한 진동은 각각 하이브리드 모터 시스템의 고유 주파수인 TC coupled와 1-L Acoustic mode로 판단된다.
2와 같이 다이아프램을 설치한 하이브리드 로켓 모터에서는 다이아프램을 설치하지 않은 모터에 비해 압력진동이 매우 크게 나타나는 것을 볼 수 있고, 다이아프램을 설치한 모터에서는 대부분 심각한 연소불안정이 발생했다는 연구 결과가 보고되어 있다[5]. 다이아프램을 설치한 모터에서 연소 실험으로 획득한 압력 데이터를 FFT(Fast Fourier Transform) 해석한 결과 주요 압력진동 주파수는 100~400 Hz 대의 저주파수로 관찰 되었고, 압력 데이터 및 FFT 해석을 통해 공진이 발생함을 확인했다[7,8].
1은 다이아프램을 설치한 모터에서도 후퇴율을 잘 예측할 수 있음을 볼 수 있다. 따라서 하나의 실험식으로 두 모터의 연소율을 모두 표현 할 수 있고, 두 모터의 고체연료 연소율 증가 메커니즘은 동일함을 확인 할 수 있다.
따라서 다이아프램이 설치된 하이브리드 로켓 모터 연소실험에서 나타나는 큰 압력진동은 하이브리드 모터 시스템의 고유 진동 요인인 TC coupled와 유동이 벽면 등의 고체면에 충돌할 때 발생하는 강한 순음성 충돌음인 Hole-tone이 서로 공진했기 때문으로 판단된다. 반면 1-L Acoustic mode와 Helmholtz mode는 본 연구의 실험조건에서 모두 800 Hz 이상으로 100 Hz 부근에서 나타나는 공명주파수는 이와는 상관없음을 확인하였다.
후퇴율 증가율은 전방 연료의 직경이 10 mm인 경우 약 50%, 15 mm인 경우 약 28%로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 로켓의 상용화를 위해 해결해야 할 단점은 무엇인가	하이브리드 로켓의 상용화를 위해서 해결해야 할 단점 중 크게 대두되는 것이 낮은 후퇴율(regression rate)로 인해 추진 성능이 낮다는 것이다. 낮은 후퇴율을 개선하기 위해 사용되는 대표적인 방법으로는 멀티 포트 그레인을 적용한 연료, 스월 인젝터 사용, 용융성(liquefying) 연료 사용, 금속 분말을 첨가 등의 연구가 활발히 진행되고 있고, 최근에는 하이브리드 고체 연료의 사이에 다이아프램(diaphragm)을 장착하여 고체 연료의 연소효율을 높이는 연구가 진행 중이다[5].
	하이브리드 로켓 모터의 특징은 무엇인가	하이브리드 로켓 모터는 고체 연료와 기상 또는 액상의 산화제를 따로 저장하여 사용하는 추진기관으로서 성능은 액체 로켓과 고체 로켓의 중간(Isp : 230~280 sec)이며 추력중단, 재점화 및 추력조절이 가능할 뿐만 아니라 연료와 산화제가 분리 저장되므로 고체로켓과 같은 폭발의 위험성이 없다고 볼 수 있다[1-4].
	하이브리드 로켓의 낮은 후퇴율을 개선하기 위해 사용되는 방법은 무엇인가	하이브리드 로켓의 상용화를 위해서 해결해야 할 단점 중 크게 대두되는 것이 낮은 후퇴율(regression rate)로 인해 추진 성능이 낮다는 것이다. 낮은 후퇴율을 개선하기 위해 사용되는 대표적인 방법으로는 멀티 포트 그레인을 적용한 연료, 스월 인젝터 사용, 용융성(liquefying) 연료 사용, 금속 분말을 첨가 등의 연구가 활발히 진행되고 있고, 최근에는 하이브리드 고체 연료의 사이에 다이아프램(diaphragm)을 장착하여 고체 연료의 연소효율을 높이는 연구가 진행 중이다[5]. 고체 연료 사이에 위치한 다이아프램의 전·후방에서는 연료 포트 직경과 다이아프램 내경의 차이로 인해 고온의 와류(vortex)가 발생하며, 이 와류로 인한 열전달의 증가로 인해 고체연료의 연소율이 상승한다.

참고문헌 (10)

Sutton, G.P. and Biblarz, O., Rocket Propulsion Elements, 7th Ed., John Wiley & Sons Inc., New York, N.Y., U.S.A., 2000.
Humble, R.W., Henry, G.M. and Larson, W.J., Space Propulsion Analysis and Design, McGraw-Hill, Inc., Ch. 7, 1995.
Anon., "Hazard Analysis of Commercial Space Transportation; Vol. 1: Operations, Vol. 2: Hazards, Vol. 3: Risk Analysis," U.S. DOT, PB93-199040, Accession No. 00620693, 1988.
Peterson, Z., Eilers, S.D. and Whitmore, S., "Closed-Loop Thrust and Pressure Prole Throttling of a Nitrous-Oxide HTPB Hybrid Rocket Motor," AIAA 2012-4551, 2012.
Moon, K.H., "A Study on Combustion Characteristic of the Hybrid Combustor Using Non-combustible Diaphragm," Master Dissertation, Korea Aerospace University, 2012.
Lee, J.P., Kim, Y.N., Moon, H.J. and Kim, J.K., "A Study on the Combustion Instability of the Hybrid Rocket Motor with a Diaphragm," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 17, No. 6, pp. 1-10, 2013.

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Lee, J.P., "A Study on the Combustion Instability Attenuation of the Hybrid Rocket Using Diaphragm," Ph. D. Dissertation, Korea Aerospace University, 2013.
Rhee, S.J., "A Study on Combustion Instability Characteristics and Instability Decrement in Hybrid Rocket Motor," Master Dissertation, Korea Aerospace University, 2013.
Im, J.B., "A Study on Tone Generation and Flow Instability of Impinging Circular Jet," Ph. D. Dissertation, Soongsil University, 1999.
Karabeyoglu, M.A., Fundamental of Hybrid Rocket Combustion and Propulsion, Chap. 9, AIAA, INC., 2007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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