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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 한국형 발사체의 예비 발사체인 시험발사체용 지상고정장치의 구동유압실린더의 운동특성에 관해 해석적 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 시험발사체용 지상고정장치 구동유압실린더의 운동특성에 관해 해석적인 연구를 수행하였다. 초기 동역학 해석 모델분석을 통해 지상고정장치가 발사체의 발사운용을 가능하게 하기 위한 실린더 요구 하중을 확인하였다.
제안 방법
- 2.2 절에서 확인한 지상고정장치의 설계요구 하중(FRequired)을 만족시키는 실린더를 설계하기 위해 3D 유동해석을 수행하였다. 유동해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS FLUENT를 이용하여 수행하였다.
- 2.3 절에서 수행된 Steady State 해석을 통해 실린더의 수축요구하중조건을 만족하는 Slit Size(α = 0.28)와 실린더의 충전 압력비(Pratio = 52.71)를 확인하였고, 이후 이러한 실린더 초기 조건을 이용하여 Transient 유동해석을 수행하였다.
- 반대로 실린더가 Spring이 눌러주는 힘 이상의 하중을 발생시키지 못하면 실린더는 수축하지 못한다. 따라서 이러한 Jack-1 Cylinder의 설계요구 하중을 FRequired라고 칭하고, 이를 만족시키는 실린더를 설계하기 위해 유동해석을 수행하였다.
- 이후 실린더의 Slit 크기에 따른 실린더 하중특성을 분석하였다. 또한 실린더의 충전 압력에 따른 실린더의 하중특성을 분석하였다. 이를 통해 실린더의 Slit 크기와 실린더 충전 압력을 선정할 수 있었으며, 이때 실린더의 운동특성을 Transient 유동해석을 통해 확인하였다.
- 또한 실린더의 하중과 실린더의 요구 수축하 중에 관한 비에 대한 변수도 추가로 지정하였다. 이때 실린더의 하중 값은 실린더가 수축되는 방향으로 하중에 작용할 때 (-) 값을 가진다.
- 실린더 해석 모델의 Steady State 해석 결과를 분석하기에 앞서 실린더의 Upper Chamber의 면적과 Slit의 면적 비에 대한 변수를 지정하였다.
- 또한 실린더의 충전 압력에 따른 실린더의 하중특성을 분석하였다. 이를 통해 실린더의 Slit 크기와 실린더 충전 압력을 선정할 수 있었으며, 이때 실린더의 운동특성을 Transient 유동해석을 통해 확인하였다. 실린더의 각 변수에 따른 하중특성과 이에 따른 실린더 운동특성은 아래와 같다.
- 초기 동역학 해석 모델분석을 통해 지상고정장치가 발사체의 발사운용을 가능하게 하기 위한 실린더 요구 하중을 확인하였다. 이후 실린더의 Slit 크기에 따른 실린더 하중특성을 분석하였다. 또한 실린더의 충전 압력에 따른 실린더의 하중특성을 분석하였다.
- 이후 초기 대기상태일 때의 구동유압실린더 충전 압력(유입 압력)에 따른 실린더 하중을 분석하여 최종적인 구동유압실린더의 충전 압력을 결정하였다.
- 이때 Jack-1 Cylinder가 수축하기 위해서는 Jack-1 Spring이 실린더에 가해주고 있는 하중 이상의 값을 실린더에서 발생시켜 주어야 한다. 지상고정장치가 발사대기 상태일 때 Jack-1 Spring이 Jack-1 Cylinder에 가해주고 있는 힘의 크기를 동역학 모델해석을 통해 계산하였다(FRequired). 발사체 발사운용을 위해서는 Jack-1 Cylinder에서 Spring이 눌러주는 힘 이상의 값을 발생시켜 주어야 한다는 것을 확인하였다.
- 본 연구에서는 시험발사체용 지상고정장치 구동유압실린더의 운동특성에 관해 해석적인 연구를 수행하였다. 초기 동역학 해석 모델분석을 통해 지상고정장치가 발사체의 발사운용을 가능하게 하기 위한 실린더 요구 하중을 확인하였다. 이후 실린더의 Slit 크기에 따른 실린더 하중특성을 분석하였다.
- 초기 실린더 해석모델의 결과를 바탕으로 실린더의 수축하중을 만족시켜주기 위해 실린더 Slit의 크기를 줄여가면서 실린더 하중 해석을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 따라서 4개의 엔진이 동일한 추력을 발생시키고 있는 상황에서 발사체가 발사되는 것이 발사체의 안정적인 발사운용에 있어 필수적인 설계요소이다. 이를 가능하게 해주기 위해 나로호 발사대 시스템에 도입되지 않았던 발사체 지상고정장치가 이번 한국형 발사체 발사대 시스템에 도입되었다.
데이터처리
- 2 절에서 확인한 지상고정장치의 설계요구 하중(FRequired)을 만족시키는 실린더를 설계하기 위해 3D 유동해석을 수행하였다. 유동해석은 상용 소프트웨어인 ANSYS FLUENT를 이용하여 수행하였다. Fig.
성능/효과
- (2) 실린더의 충전 압력이 상승하게 되면 Upper Chamber의 압력 또한 상승하게 되나 나머지 부분에서의 압력은 그에 맞추어 상승하지 않는 경향을 확인하였으며, 결과적으로 충전압력이 상승할수록 실린더의 수축하중은 상승하는 것을 확인할 수 있었다.
- (3) 실린더의 Slit 크기와 충전 압력을 선정한 뒤 Transient 해석을 수행한 결과 실린더가 실린더의 요구하중 값 이상의 값을 발생시킬 때 실린더가 수축하는 것을 확인하였으며, 실린더가 수축하는 동안 실린더는 실린더에 작용하는 외력과 동일한 값을 발생시키면서 운동하는 것을 확인할 수 있었다.
- (4) 실린더가 운동하는 동안 실린더 내부의 압력분포는 일정하게 유지되는 것을 확인하였다.
- 결과적으로 초기 실린더 해석 모델을 이용하여 수축하중을 살펴본 결과 그 값은 여전히 실린더가 팽창하는 방향으로 β = 11 만큼 하중이 작용하는 것을 확인하여 실린더에서 요구되는 수축하중을 구현하기 힘든 것으로 확인되었다.
- 따라서 초기에 선정되었던 실린더 충전 압력보다 절반 정도 해당하는 압력(Pratio = 52.17)을 실린더에 충전하여도 실린더가 요구수축하중(β = -1) 이상의 값(β = -6.70)을 발생시킬 수 있는 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 실린더의 충전 압력이 증가할수록 실린더를 팽창시키려는 힘(Inter & Lower)과 수축시키려는 힘(Upper)의 차이가 더욱 커져 실린더의 팽창하중(Sum)이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 지상고정장치가 발사대기 상태일 때 Jack-1 Spring이 Jack-1 Cylinder에 가해주고 있는 힘의 크기를 동역학 모델해석을 통해 계산하였다(FRequired). 발사체 발사운용을 위해서는 Jack-1 Cylinder에서 Spring이 눌러주는 힘 이상의 값을 발생시켜 주어야 한다는 것을 확인하였다. 반대로 실린더가 Spring이 눌러주는 힘 이상의 하중을 발생시키지 못하면 실린더는 수축하지 못한다.
- Upper Chamber의 압력은 초기에 가해준 압력 그대로 유지되며, Intermediate Chamber와 Lower Chamber의 압력이 점차적으로 감소되면서 실린더의 발생하중이 팽창하는 방향에서 수축하는 방향으로 바뀌게 된다. 이후 실린더의 발생하중이 요구하중 이상의 값을 가지게 되면 실린더가 수축운동을 하게 되고 실린더의 운동이 종료될 때까지 실린더 내부의 압력분포가 일정하게 유지되는 것을 확인할 수 있었다.
- 이후 실린더가 작동한 뒤 최종적으로 발생되는 실린더의 하중은 Table 2에 나타냈다. 해석 결과 초기 대기상태의 실린더 하중특성과 유사한 결과를 확인할 수 있었으며, 실린더의 충전 압력비(Pratio)가 증가할수록 실린더의 최종 수축하중(Sum)이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 그 이유는 Slit의 크기가 동일한 조건에서 실린더 충전 압력비(Pratio)가 증가함에 따라 실린더를 수축시키는 방향의 하중(Upper)이 증가하게 되는 반면, 실린더를 팽창시키는 방향의 하중(Inter & Lower)은 크게 변하지 않기 때문이다.
- 해석 결과 초기 실린더가 일정 압력으로 충전되어 있는 경우 실린더가 팽창되는 방향으로 하중이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 그 이유는 초기 실린더가 가압되어 있는 상태에서 실린더를 수축하는 방향으로 힘을 가해주는 면적과 반대로 실린더를 팽창시키는 방향으로 힘을 가해주는 면적을 살펴보았을 때, 실린더를 팽창시키는 방향으로 가해주는 면적이 3배 이상 넓기 때문이다.
후속연구
- 본 연구에서 수행된 유동해석의 결과를 바탕으로 시험발사체용 지상고정장치 구동유압실린더의 설계가 진행 될 것이다. 추후 다른 설계변수에 대한 구동유압실린더 운동특성을 분석하여 지상고정장치 구동유압실린더의 다양한 요구조건을 만족시켜주는 구동유압실린더 설계에 연구 결과를 사용할 예정이다.
- 본 연구에서 수행된 유동해석의 결과를 바탕으로 시험발사체용 지상고정장치 구동유압실린더의 설계가 진행 될 것이다. 추후 다른 설계변수에 대한 구동유압실린더 운동특성을 분석하여 지상고정장치 구동유압실린더의 다양한 요구조건을 만족시켜주는 구동유압실린더 설계에 연구 결과를 사용할 예정이다.
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