발사체 지상고정장치는 지상운용시 발사패드에 기립된 발사체를 견고하게 지지하다가 발사시점에서 고정장치를 해제하여 발사체를 이륙하도록 하는 장치이다. 엔진점화이후 발사체 최대추력에서 발사체 고정의 급격한 해제는 Ka Doing a Doing a Doing 현상을 발생시켜 발사체 구조에 심각한 손상을 초래한다. 따라서, 발사체 지상고정장치는 고정력을 점진적으로 해제하기위한 기능이 요구된다. 또한 총 4개 고정장치의 해제 동작은 대단히 정밀하게 동시에 작동 하여야 한다. 본 연구에서는 복잡한 유압기기 없이 축압기 및 파이로 밸브에 의해 유압구동기의 속도를 발생시키고 오리피스로 속도를 제어함으로써 요구조건들을 충족하는 유압시스템을 제안하였다. 다물체 동역학 해석 및 Amesim을 이용한 유압시스템 해석을 통하여 유압구동기 목표속도를 도출하고 목표 속도를 만족하기 위한 오리피스의 단면적을 산출하였다. 이와 같은 연구를 통하여 복잡한 유압기기 없이 동작하는 신뢰도 높은 유압시스템을 설계하였다.
발사체 지상고정장치는 지상운용시 발사패드에 기립된 발사체를 견고하게 지지하다가 발사시점에서 고정장치를 해제하여 발사체를 이륙하도록 하는 장치이다. 엔진점화이후 발사체 최대추력에서 발사체 고정의 급격한 해제는 Ka Doing a Doing a Doing 현상을 발생시켜 발사체 구조에 심각한 손상을 초래한다. 따라서, 발사체 지상고정장치는 고정력을 점진적으로 해제하기위한 기능이 요구된다. 또한 총 4개 고정장치의 해제 동작은 대단히 정밀하게 동시에 작동 하여야 한다. 본 연구에서는 복잡한 유압기기 없이 축압기 및 파이로 밸브에 의해 유압구동기의 속도를 발생시키고 오리피스로 속도를 제어함으로써 요구조건들을 충족하는 유압시스템을 제안하였다. 다물체 동역학 해석 및 Amesim을 이용한 유압시스템 해석을 통하여 유압구동기 목표속도를 도출하고 목표 속도를 만족하기 위한 오리피스의 단면적을 산출하였다. 이와 같은 연구를 통하여 복잡한 유압기기 없이 동작하는 신뢰도 높은 유압시스템을 설계하였다.
The responsibility of the vehicle holding device (VHD) is to hold the launch vehicle while it is stayed on launch pad and release the holding mechanism to allow a lift-off of launch vehicle at a moment of lift-off. During a release of the holding mechanism, in order to prevent the Ka doing a doing a...
The responsibility of the vehicle holding device (VHD) is to hold the launch vehicle while it is stayed on launch pad and release the holding mechanism to allow a lift-off of launch vehicle at a moment of lift-off. During a release of the holding mechanism, in order to prevent the Ka doing a doing a doing mode which is vertical oscillation of entire liquid propellant and very severe for vehicle structure, gradual release of holding force is required. Also, a release operation of all 4 VHD should be synchronized very precisely. In this study, to comply the "gradual release and synchronized operation requirement", concept of VHD hydraulic system using an accumulator, pyro valve and orifice to control speed of hydraulic cylinder is proposed instead of using complicated hydraulic components. Then through multi-body dynamic analysis and computational hydraulic analysis, a size of orifice to meet a target speed of hydraulic cylinder is calculated. Through this study, simple and reliable VHD hydraulic system complying requirements is designed.
The responsibility of the vehicle holding device (VHD) is to hold the launch vehicle while it is stayed on launch pad and release the holding mechanism to allow a lift-off of launch vehicle at a moment of lift-off. During a release of the holding mechanism, in order to prevent the Ka doing a doing a doing mode which is vertical oscillation of entire liquid propellant and very severe for vehicle structure, gradual release of holding force is required. Also, a release operation of all 4 VHD should be synchronized very precisely. In this study, to comply the "gradual release and synchronized operation requirement", concept of VHD hydraulic system using an accumulator, pyro valve and orifice to control speed of hydraulic cylinder is proposed instead of using complicated hydraulic components. Then through multi-body dynamic analysis and computational hydraulic analysis, a size of orifice to meet a target speed of hydraulic cylinder is calculated. Through this study, simple and reliable VHD hydraulic system complying requirements is designed.
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문제 정의
오리피스 단면적만을 조절하여 속도를 조절하는 방식은 항공기 랜딩기어의 댐퍼에 적용되어 다양한 연구가 진행된바 있으며 [9][10], 본 연구에는 오리피스의 일종인 니들갭을 유압구동기에 적용하여 구동기의 속도를 분석하였다. 김대래등[11]은 구동기 내부 니들갭의 단면적 조절방식을 이용하여 구동기 운동속도조절 가능성을 확인한바 있으며, 본 연구에서는 구동기의 요구속도 및 이를 만족하기 위한 니들갭 단면적을 도출하는 과정을 구체적으로 제시하였다.
본 연구에 부여된 접촉 유지시간 요구조건 250 msec이상을 만족하기 위한 유압구동기의 속도 목표 속도를 산출하기 위하여 다물체 동역학 모델에서 유압구동기의 운동 속도를 변화시키면서 접촉 유지시간을 해석적으로 확인하였다.
본 연구에서는 유압식 발사체 지상고정장치에 적용되는 유압시스템의 설계 및 해석을 수행하였다.
이에 따라 본 연구에서는 한국형 발사체에 적용되는 발사체 지상고정장치에 대하여 주요 요구조건을 기술하고 이 요구조건을 만족하기 위한 설계 및 해석 결과를 기술하였다.
이와 같은 연구를 통하여 복잡한 유압시스템의 사용없이 유압구동기 내부 니들갭을 이용하여 우주 발사체 발사시 수직방향 동하중을 저감시킬 수 있는 발사체 지상고정장치의 설계 방법론을 제시 하였다.
이와같이 발사체 지상고정장치의 접촉유지 요구조건 및 동시작동요구조건을 만족시키기 위해 4개 구동기의 정확한 속도제어 및 동기화가 유압시스템 설계의 중요한 목표이다.
제안 방법
Amesim을 사용한 유압시스템의 해석을 통하여, 유압구동기의 요구 속도를 만족하기 위한 니들갭의 단면적 및 기타 유압시스템의 파라미터를 계산하여 유압시스템을 설계하였다.
다물체 동역학 해석을 통하여 도출된 속도를 만족하는 발사체 지상고정장치 유압구동기의 속도를 만족하는 유압구동기의 내부 형상을 계산하기 위하여 상용 프로그램인 Amesim을 통한 해석을 수행하였다. 유압구동기의 목표속도를 달성하기 위한 실린더의 최소지름등은 Runge-Kutta의 방법으로 계산할 수 있으나, 유압 시스템의 설계를 위해서는 각 축압기의 용량, 유압구동기 각 챔버의 용량 및 니들갭의 크기 등 추가적으로 고려할 사항이 많으므로 이러한 점들을 고려한 상세 치수 설계에 이용하기 위하여 Amesim을 이용한 유압시스템을 모델링 하였다.
도출된 유압구동기의 속도 조건 및 유압구동기의 동기화 조건을 충족하기 위한 유압시스템을 구성하였다.
발사준비단계에서 축압기의 충전 기준 압력은 운용이 용이하고 관련 유압 부품 수급이 용이한 120 bar 로 선정하였으며 이에 따라 축압기의 작동전 충전 압력이 유압시스템 전 구간에 걸리도록 모델링 하였다. Amesim 모델링에 사용된 주요 파라미터 값들은 Table 2와 같다.
본 연구에 부여된 발사체 핀과 상부 고정부의접촉 유지시간 요구조건은 250 msec이상으로 이 조건을 만족하기 위한 유압구동기의 유압구동기의 목표 속도를 산출하였다.
본 연구에서 요구되는 유압구동기의 운동속도는 운동초기 110 mm/sec 이하, 운동중간 380 mm/sec 이상으로 가속하는 것 이므로 이를 만족하기 위하여, 운동초기의 니들갭 단면적을 50 mm2로 이후 400 mm2로 변화하는 가변 오리피스를 적용하여 계산하였다.
발사체 이륙/지상고정장치 해제 동작시 요구되는 발사체 핀과의 접촉유지시간의 구현을 위해 유압구동기의 속도 조절을 위한 주 장치가 니들갭이므로 니들갭의 단면적의 결정은 유압 시스템설계의 핵심 사항이다. 오리피스 단면적만을 조절하여 속도를 조절하는 방식은 항공기 랜딩기어의 댐퍼에 적용되어 다양한 연구가 진행된바 있으며 [9][10], 본 연구에는 오리피스의 일종인 니들갭을 유압구동기에 적용하여 구동기의 속도를 분석하였다. 김대래등[11]은 구동기 내부 니들갭의 단면적 조절방식을 이용하여 구동기 운동속도조절 가능성을 확인한바 있으며, 본 연구에서는 구동기의 요구속도 및 이를 만족하기 위한 니들갭 단면적을 도출하는 과정을 구체적으로 제시하였다.
운동중 단면적이 변화하는 니들 갭은 가변오리피스를 사용하였다. 완전히 닫혀있는 초기상태에서 작동순간 100 % 개방되는 파이로 밸브도 가변오리피스를 이용하여 모델링하였다. 슬릿은 고정형 오리피스를 사용하였다.
다물체 동역학 해석을 통하여 도출된 속도를 만족하는 발사체 지상고정장치 유압구동기의 속도를 만족하는 유압구동기의 내부 형상을 계산하기 위하여 상용 프로그램인 Amesim을 통한 해석을 수행하였다. 유압구동기의 목표속도를 달성하기 위한 실린더의 최소지름등은 Runge-Kutta의 방법으로 계산할 수 있으나, 유압 시스템의 설계를 위해서는 각 축압기의 용량, 유압구동기 각 챔버의 용량 및 니들갭의 크기 등 추가적으로 고려할 사항이 많으므로 이러한 점들을 고려한 상세 치수 설계에 이용하기 위하여 Amesim을 이용한 유압시스템을 모델링 하였다.
유압구동기의 속도를 결정하는 주 인자가 니들갭의 단면적이므로 단면적 변화에 따른 유압구동기의 운동속도 변화를 산출하였다. 니들갭 단면적 증가에 대한 구동기 운동속도의 증가 추이는 Table 3 및 Fig.
접촉 유지는 발사체 핀과 발사체 지상고정장치 상부 고정부 간에 발생되므로 발사체 핀, 상부 고정부, 유압구동기들을 포한한 전체 발사체 지상고정장치에 대하여 다물체 동역학 모델을 생성하고 발사체 이륙시 발사체 핀 및 발사체 지상고정장치의 전체 거동을 해석하여 접촉 유지시간을 만족하는 유압구동기의 속도를 계산하였다.
한국형 발사체에서는 발사체 최대추력까지 지상에서 고정한 상태에서 엔진 상태를 점검할 수 있도록 점진적 고정해제 방식을 적용하였다. 지상고정장치의 작동개념 수립시 해외 발사체인Blue Streak [6] 및 Ariane 발사체의 일부 개념을 한국형 발사체 요구조건에 맞도록 수정활용하였다. Fig.
최대 추력에서 지상고정장치의 고정을 순간적으로 해제하는 경우 발생하는 Ka Doing a Doing a Doing 현상을 방지하기 위해, 요구조건으로 제시되는 발사체와 지상고정장치 고정부간의 접촉유지 요구시간을 만족하기 위한 유압구동기의 목표 속도를 동역학 해석으로 도출하였다.
대상 데이터
완전히 닫혀있는 초기상태에서 작동순간 100 % 개방되는 파이로 밸브도 가변오리피스를 이용하여 모델링하였다. 슬릿은 고정형 오리피스를 사용하였다.
축압기 및 유압구동기 각 파트를 Amesim 라이브러리 모델을 이용하여 모델링 하였다. 운동중 단면적이 변화하는 니들 갭은 가변오리피스를 사용하였다. 완전히 닫혀있는 초기상태에서 작동순간 100 % 개방되는 파이로 밸브도 가변오리피스를 이용하여 모델링하였다.
이론/모형
실린더 후단의 보조 축압기는 구동기 운동시의 순간적으로 실린더 후방이 공동화 되는 현상을 방지하기위해 장착한 소용량의 축압기이다. 주 축압기 및 보조 축압기는 Amesim 라이브러리의 Hydraulic Accumulator 모델을 사용하였다.
축압기 및 유압구동기 각 파트를 Amesim 라이브러리 모델을 이용하여 모델링 하였다. 운동중 단면적이 변화하는 니들 갭은 가변오리피스를 사용하였다.
성능/효과
발사체 고정해제 방식과 관련하여 Kennedy등[1]은 발사체 최대 추력에서 지상고정장치의 고정을 순간적으로 일시에 해제하는 경우의 영향을 연구하였다. 고정장치의 고정을 순간적으로 해제하면 발사체 탱크의 추진제가 상하로 진동하는 현상인 Ka Doing a Doing a Doing 현상을 유발함을 확인하였다. 이 현상은 탱크내의 추진제 전체가 상하로 진동하므로 발사체 탱크 구조 전체에 영향을 미치며 일반적으로 알려진 추진체 표면운동인 슬로싱 현상보다도 심각한 손상을 탱크 및 기체 구조에 미칠 수 있음을 기술하였다.
따라서 고정해제 동작 초기에는 접촉 유지를 위해 유압실린더의 속도를 낮추고 접촉유지 시간만족 이후는 구동기의 속도를 증가시켜 발사체 핀으로부터 빠른 속도로 회피되게 해야 함을 확인하였다.
12와 같이 도출하였다. 얻어진구동기의 운동속도는 초기 101 mm/sec, 가속이후 397 mm/sec 로서 요구조건을 만족함을 확인하였다.
유압구동기의 목표 속도는 작동초기 발사체와의 접촉 유지 시간동안 저속 운동하며 이후 분리된 발사체와 재 접촉을 방지하기 위하여 가속이 필요함을 확인하였다.
이상의 결과에 따라 발사체 지상고정장치용 유압구동기는 운동초기 운동속도 110 mm/sec 이하로 250 msec동안 운동하여야하며 이후 380 mm/sec 이상으로 속도를 가속하여 작동완료시까지 운동할 수 있어야 한다.
발사체는 발사전 지상 발사운용단계에서 상당한 시간동안 지상에서 기립된 상태에서 준비작업을 수행한다. 기립된 발사체는 최대 12~15m/sec정도의 풍하중 및 각종 외란요소에 의해 전도되는 힘을 받게 되므로 이를 방지하기 위해발사체의 하부에서 발사체를 고정시키는 장치가필요하며 이를 “발사체 지상고정장치 (Vehicle Holding Device, VHD)”라 한다.
발사체 지상고정장치란?
발사체 지상고정장치는 지상운용시 발사패드에 기립된 발사체를 견고하게 지지하다가 발사시점에서 고정장치를 해제하여 발사체를 이륙하도록 하는 장치이다. 엔진점화이후 발사체 최대추력에서 발사체 고정의 급격한 해제는 Ka Doing a Doing a Doing 현상을 발생시켜 발사체 구조에 심각한 손상을 초래한다.
유압구동기의 필요조건은?
또한, 총 4개의 발사체 지상고정장치에 장착된 4개의 유압실린더의 수축동작이 반드시 일치하여야한다. 각각의 발사체 지상고정장치 고정해제동작 허용 시간차는 약 20~40 msec 이내로 매우 정밀한 작동의 동기화가 필요하다.
참고문헌 (12)
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V. Colovyev, "Cosmos rocket complex Zenit" Moscow Aviation Institute, 2003
O. Kushnariov, "Technical report - system characteristics and technical configuration of the ground complex of KSLV-II space launch system", Yuzhnoye State Design Office, 2014
A. Rudolph, "Saturn V flight manual", Georgy C. Marshall Space Flight Center, 1968
P. Blelloch, G. Antal and W. Peleti, "Simulation of Atlas lift off event", AIAA-92-2085-CP, Proceeding of AIAA Dynamics Specialist Conference, 1992
D.R. Samson, "Development of the Blue Streak satellite launcher", Pergamon Press, 1963
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Dae Rae Kim, Seong Pil Yang, Jaejun Lee, Bum Suk Kim and Young-Shin Lee, "Conceptual design of vehicle holding devices used for reduction of dynamic load during launch vehicle release", Proceedings of 2016 KSAS fall conference, 2016, pp. 427-428
Bum Suk Kim, Jong Su Kim, Seong Pil Yang and Dae Rae Kim, "Dynamic analysis of vehicle holding device considering the dynamic characteristics of launch vehicle and hydraulic cylinder", Proceedings of KSME 2016 Dynamics and Control Spring Annual Meeting, 2016, pp. 30-31
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