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문제 정의
- 본 연구에서는 혼합 연소실이 설치된 경우와 혼합 연소실 길이를 연료로 보상한 경우의 연소 특성을 분석하고 분석 결과를 바탕으로 소형 하이브리드 로켓의 내탄도 설계 및 외탄도 해석을 통해 혼합 연소실 적용이 하이브리드 로켓 시스템에 미치는 영향을 평가하였다.
제안 방법
- 2) 연소 실험을 통해 도출된 후퇴율 식을 이용하여 각 Case 별 내탄도 설계를 수행하였다. 설계 결과 혼합 연소실을 장착한 Case 1은 기본 Case 2에 비해 연료 길이가 약 247 mm 감소하여 하이브리드 엔진 전체 길이 13%, 무게 9% 감소하였다.
- 하이브리드 로켓의 주요 단점인 낮은 후퇴율을 개선하기 위한 혼합 연소실 설치는 후퇴율과 특성 속도 등 추진 성능 증가를 가져오지만 비연소성 재질로 인해 연료 충전율을 낮다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 연료 충전율은 상대적으로 낮지만 혼합 연소실을 설치하여 후퇴율 및 특성속도를 증가시키는 경우와 혼합 연소실 길이만큼을 연료로 보상하여 상대적으로 높은 연료 충전율 갖는 경우의 연소 실험을 통한 성능을 비교 분석하였다. 연소 실험 결과를 바탕으로 내탄도 설계 및 외탄도 해석을 수행하여 성능 향상과 충전율 저하에 따른 trade-off 평가를 수행하였으며 도출된 결과는 다음과 같다.
- 외탄도 해석은 설계된 하이브리드 로켓 엔진의 제원과 기존 선행 연구[15,16]를 통해 제작된 소형 하이브리드 사운딩 로켓의 외부 제원을 이용하여 해석하였으며 각 Case 별 비행 고도를 비교하였다. 또한 시스템 측면만을 고려한 비교를 위해 풍속을 1 m/sec로 최소화 하여 풍속에 의한 외부 교란을 최소화한 상태로 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 시스템 측면의 trade-off 평가를 위해 목표 추력 50 kgf, 연소 시간 3 sec로 동일한 성능을 갖도록 설계하였다. 또한 혼합 연소실을 적용한 하이브리드 로켓 엔진 설계 시 Scale-effect에 대한 연구가 요구되지만 혼합 연소실의 설치유무에 따른 기초적인 설계에 주는 영향을 파악하기 위한 기초연구로 Lab-scale 연소 실험에서 사용된 것과 동일한 형태의 혼합 연소실을 사용하여 내탄도 설계를 진행하였다.
- Table 3은 내탄도 설계를 위한 초기 조건과 CEA를 통해 도출된 로켓 성능 파라미터를 나타낸 것이다. 본 연구에서는 시스템 측면의 trade-off 평가를 위해 목표 추력 50 kgf, 연소 시간 3 sec로 동일한 성능을 갖도록 설계하였다. 또한 혼합 연소실을 적용한 하이브리드 로켓 엔진 설계 시 Scale-effect에 대한 연구가 요구되지만 혼합 연소실의 설치유무에 따른 기초적인 설계에 주는 영향을 파악하기 위한 기초연구로 Lab-scale 연소 실험에서 사용된 것과 동일한 형태의 혼합 연소실을 사용하여 내탄도 설계를 진행하였다.
- 산화제 공급 시스템은 상용 가스 실린더 4개를 병렬연결하여 산화제를 공급하였고, 일정한 산화제 유량을 공급하기 위해 산화제 배관 내 초킹 오리피스를 설치하였다. 점화 시스템은 산소와 부탄을 혼합한 후 스파크 플로그로 점화하도록 구성되어있다.
- 앞서 수행한 혼합 연소실 설치에 따른 연소 특성 분석 결과를 바탕으로 각각의 케이스별 내탄도 설계를 수행하였다. 내탄도 설계에서의 핵심 변수는 연료의 후퇴율로서 후퇴율을 이용하여 요구되는 연료 길이를 산출해 낼 수 있다.
- 연료 길이 변화가 후퇴율에 미치는 영향을 보다 명확하게 파악하기 위해 n=0.5 일 때의 후퇴율 식을 이용하여 Fig. 4와 같이 산화제 유속 별 후퇴율을 비교하였다.
- 따라서 본 연구에서는 연료 충전율은 상대적으로 낮지만 혼합 연소실을 설치하여 후퇴율 및 특성속도를 증가시키는 경우와 혼합 연소실 길이만큼을 연료로 보상하여 상대적으로 높은 연료 충전율 갖는 경우의 연소 실험을 통한 성능을 비교 분석하였다. 연소 실험 결과를 바탕으로 내탄도 설계 및 외탄도 해석을 수행하여 성능 향상과 충전율 저하에 따른 trade-off 평가를 수행하였으며 도출된 결과는 다음과 같다.
- 외탄도 해석은 미국 Apogee component사에서 개발된 외탄도 해석 프로그램인 RockSim 9[14]을 이용하여 해석을 수행하였다. 외탄도 해석은 설계된 하이브리드 로켓 엔진의 제원과 기존 선행 연구[15,16]를 통해 제작된 소형 하이브리드 사운딩 로켓의 외부 제원을 이용하여 해석하였으며 각 Case 별 비행 고도를 비교하였다. 또한 시스템 측면만을 고려한 비교를 위해 풍속을 1 m/sec로 최소화 하여 풍속에 의한 외부 교란을 최소화한 상태로 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험의 전 과정은 PLC(program logic control)를 통해 제어되며 National Instrument사의 NI-DAQ 보드와 LabVIEW 프로그램을 이용하여 각 센서의 데이터를 획득하였다[11].
- 연료와 산화제는 각각 HDPE와 기체 산소(Gox)를 사용하였으며 실험 조건은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 1∼3을 통해 시공간 평균 후퇴율을 계산하였다.
- 5로 고정할 경우 후퇴율에 지배적인 영향을 주는 산화제 유속(Go)에 대한 영향을 고정시킬 수 있으므로 후퇴율 상수 a에 포함되어 있는 연소실 내부 유동 및 열, 화학적 특성과 연료 길이 변화 등이 후퇴율에 미치는 영향을 분석할 수 있다. 본 연구의 경우 non linear curve fitting을 통해 구한 지수 n의 값이 0.5~0.6 정도이고 지수 n을 0.5로 고정시킨 경우 non linear curve fitting 식의 적합도 평가 결과 R2=0.955로 높은 적합도를 가지고 있어 n=0.5로 고정하여 각각의 후퇴율 비교를 수행하였다.
이론/모형
- 실험 특성 속도(#)는 Eq. 5를 이용하여 계산하였으며 이론 특성 속도(#)는 NASA의 화학평형 코드인 CEA(Chemical Equilibrium with Applications)[12]를 이용하여 도출하였다.
- 외탄도 해석은 미국 Apogee component사에서 개발된 외탄도 해석 프로그램인 RockSim 9[14]을 이용하여 해석을 수행하였다. 외탄도 해석은 설계된 하이브리드 로켓 엔진의 제원과 기존 선행 연구[15,16]를 통해 제작된 소형 하이브리드 사운딩 로켓의 외부 제원을 이용하여 해석하였으며 각 Case 별 비행 고도를 비교하였다.
성능/효과
- 1) 혼합 연소실을 설치하지 않은 200 mm 경우와 30 mm 길이의 혼합 연소실을 설치한 경우를 비교하였을 때 혼합 연소실을 설치하였을 때 후퇴율이 약 25% 증가하였고, 연료 충전율을 높이기 위해 혼합 연소실 길이만큼의 연료를 보상한 230 mm 경우의 후퇴율은 연료 길이 200 mm에 비해 약 2% 증가함을 확인할 수 있었다. 특성속도 및 특성속도 효율 또한 연료와 산화제의 혼합 증대로 인해 혼합 연소실이 설치되지 않은 경우에 비해 연소 효율이 개선됨을 확인하였다.
- 2) 연소 실험을 통해 도출된 후퇴율 식을 이용하여 각 Case 별 내탄도 설계를 수행하였다. 설계 결과 혼합 연소실을 장착한 Case 1은 기본 Case 2에 비해 연료 길이가 약 247 mm 감소하여 하이브리드 엔진 전체 길이 13%, 무게 9% 감소하였다. 반면 혼합 연소실 길이만큼 연료로 보상한 Case 3의 경우 기본 Case 2에 비해 무게 0.
- 8% 및 길이 1% 감소로 큰 차이는 없었다. 설계된 하이브리드 엔진을 이용하여 외탄도 해석을 수행한 결과 혼합 연소실이 장착된 Case 1이 Case 2, 3에 비해 시스템 전체 무게가 작아 약 75 m 이상 고도가 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 Case 2와 Case 3의 경우는 고도 차이가 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 내탄도 설계에서 도출된 하이브리드 로켓 엔진의 무게 차이에 의한 것으로서 혼합 연소실의 설치로 인한 성능(후퇴율) 증가는 하이브리드 로켓 시스템 설계 시 무게 감소를 가져올 수 있어 연료 충전율이 낮다는 단점을 극복할 수 있을 것으로 판단된다.
- 1) 혼합 연소실을 설치하지 않은 200 mm 경우와 30 mm 길이의 혼합 연소실을 설치한 경우를 비교하였을 때 혼합 연소실을 설치하였을 때 후퇴율이 약 25% 증가하였고, 연료 충전율을 높이기 위해 혼합 연소실 길이만큼의 연료를 보상한 230 mm 경우의 후퇴율은 연료 길이 200 mm에 비해 약 2% 증가함을 확인할 수 있었다. 특성속도 및 특성속도 효율 또한 연료와 산화제의 혼합 증대로 인해 혼합 연소실이 설치되지 않은 경우에 비해 연소 효율이 개선됨을 확인하였다.
- Figure 5는 혼합 연소실 설치 유무에 따른 O/F에 대한 특성속도와 특성속도 효율을 비교한 것으로 CEA를 이용하여 각 O/F에서의 이론 특성 속도를 구하였다. 혼합 연소실을 설치한 경우 설치하지 않은 경우에 비해 동일 O/F에서 특성 속도가 증가하며 이론 O/F에 근접해 가는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 본 연구는 Lab-scale 연소 실험과 소형 하이브리드 사운딩 로켓을 이용한 해석을 수행한 결과로서 실제 대형 시스템에 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 대형 시스템에 적용하기 위해 Scale-effect에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것으로 판단되며, 이러한 연구 결과는 향후 하이브리드 로켓을 이용한 추진 시스템 설계의 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
- 혼합 연소실을 적용한 경우 하이브리드 로켓의 후퇴율 및 연소 효율 등의 추진 성능은 증가하지만 불연소성 소재인 카본(carbon)으로 제작된 혼합 연소실을 사용함에 따라 연료의 충전율(fuel loading density)이 떨어지게 된다. 따라서 실제 발사체에 적용할 경우 혼합 연소실 설치에 따른 성능 향상과 연료 충전율 저하에 따른 trade off 평가가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구는 Lab-scale 연소 실험과 소형 하이브리드 사운딩 로켓을 이용한 해석을 수행한 결과로서 실제 대형 시스템에 적용하기에는 한계가 있다. 따라서 대형 시스템에 적용하기 위해 Scale-effect에 대한 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것으로 판단되며, 이러한 연구 결과는 향후 하이브리드 로켓을 이용한 추진 시스템 설계의 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.
- 이러한 결과를 통해 혼합 연소실이 설치된 경우 연료 후퇴율 증가로 인해 하이브리드 로켓 시스템 설계시 무게 및 길이 감소를 가져오며 연료 충전율이 낮다는 단점을 극복할 수 있어 하이브리드 로켓 설계에 있어 효과적인 장치가 될 것으로 사료된다.
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