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50kW급 로켓 엔진용 전기펌프 모터의 개념 설계
Conceptual Design of Electric-Pump Motor for 50kW Rocket Engine 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.2, 2018년, pp.175 - 181  

김홍교 (Pusan National University) ,  곽현덕 (Korea Aerospace Research Institute) ,  최창호 (Korea Aerospace Research Institute) ,  김정 (Pusan National University)

초록
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전기펌프시스템은 기존 터보펌프의 가스발생기, 구동기 및 터빈이 필요 없는 매우 간결한 구조를 갖고 있어 저가 소형 위성 발사체의 차세대 추진기관으로써 최근 주목받고 있다. 그래서 본 논문에서는 로켓엔진용 전기펌프 시스템의 가장 중요한 핵심부품인 영구자석 동기모터(PMSM)의 개발 및 발사체로의 적용 가능성을 파악하기 위하여 50 kW, 50,000 RPM의 성능을 가지는 전기모터에 대한 개념설계안을 도출하였다. 요구되는 전기모터의 성능을 만족시키기 위해서 전자기장해석을 수행하여 모터의 전체 외경과 회전자의 내경을 결정하였으며, 회전자는 4,000 가우스의 Sm2Co17 원통형 자석을 이용하여 Inconel 718 재료의 캔으로 체결하였다. 또한, 엔진구동시 모터 운전 영역에서의 회전 동역학적 안정성을 검증하기 위해서 회전체 동역학해석을 수행하였으며, Campbell 선도를 통하여 설계한 모터의 단품운전 뿐만 아니라 성능확인을 위한 Dynamo meter 운전 시에도 공진현상이 발생하지 않음을 해석적으로 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Electric pump system is new technology for next generation propulsion unit. The system has simple structure which dose not need gas generator, injector and turbine and might better pump for low cost and low payload rocket. Therefore, this paper suggests conceptual design of electric-pump Permanent-M...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 이러한 단점은 최근 전기자동차 기술 발전 등에 힘입어 요구되는 모터 및 배터리를 수급이 가능해져 극복가능 할 것으로 본다. 본 논문에서는 로켓엔진용 전기펌프 시스템의 가장 중요한 핵심부품인 전기모터의 개발 및 발사체로의 적용 가능성을 파악하기 위하여 Inconel 718과 Sm2Co17을 사용하여 50 kW, 50,000 RPM의 성능의 전기모터에 대한 개념설계안을 도출하고자 한다. 이를 위해서 요구되는 전기모터의 성능을 예측하기 위해서 전자기장해석을 수행하고, 엔진 구동시 모터 운전 영역에서 회전 동역학적 안정성 검증을 위해 회전체 동역학해석을 수행하였다.
  • 본 논문에서는 지금까지 로켓의 효율적인 추진력을 얻기 위한 장치로서 사용되는 터보펌프를 전기펌프 모터로 대체하기 위한 타당성을 파악하고자, 50 kW, 50,000 RPM 성능을 가지는 전기펌프 모터의 개념 설계를 수행하였다. 그 첫 번째 단계에서는 전자기장 해석을 통하여 전기펌프 모터의 요구 성능의 만족여부를 확인하는 것이었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전기펌프시스템의 특징은 무엇인가? 전기펌프시스템은 기존 터보펌프의 가스발생기, 구동기 및 터빈이 필요 없는 매우 간결한 구조를 갖고 있어 저가 소형 위성 발사체의 차세대 추진기관으로써 최근 주목받고 있다. 그래서 본 논문에서는 로켓엔진용 전기펌프 시스템의 가장 중요한 핵심부품인 영구자석 동기모터(PMSM)의 개발 및 발사체로의 적용 가능성을 파악하기 위하여 50 kW, 50,000 RPM의 성능을 가지는 전기모터에 대한 개념설계안을 도출하였다.
전기펌프 시스템의 장점은 무엇인가? 2에서 볼 수 있듯이 가스발생기, 구동기 및 터빈이 필요 없는 매우 간결한 구조를 가진다. 전기펌프 시스템은 모터와 배터리의 성능 및 용량에 따라 기존 엔진 이상의 압력비를 구현할 수 있으며, 유량이나 당량비를 전기모터의 전자적 회전수로제어하여 훨씬 용이한 추력 조절이 가능하다. 또 다른 장점은 개발과정의 수월성이다.
전기펌프 시스템을 개발하기 쉬운 이유는 무엇인가? 또 다른 장점은 개발과정의 수월성이다. 액체로켓 엔진은 추진제 유량, 혼합비, 시동 순서 등의 정밀한 보정이 필요한 반면, 전기펌프 사이클 엔진은 모터의 전기적 제어만으로 추력조절이 가능하므로 엔진 개발 및 시험 과정이 간편하고 신속하다. 따라서 복잡한 배관계가 요구되는 가스발생기 사이클 엔진 및 다단연소 사이클 엔진에 비하여 매우 간결한 구성을 보인다. Fig.
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참고문헌 (13)

  1. Jeong, S. M., Kim, K. S., Oh S. J., and Choi, J. Y., "New Technologies of Space Launch Vehicles including Electric-Pump Cycle Engine," Journal of the Korean Society of Aeronautical Space Science, Vol. 44, No. 2, 2016, pp.139-155. 

  2. Jeong, E. H., Kang, S. H., Hong, M. G., Lee, H. G., Lee, S. Y., and Kim, J. H., "Turbine Rotor-Pyrostarter Coupled Test for the Verification of Thermo-Structural Suitability of a Turbopump Turbine," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Spring Conference, May 2013, pp.410-416. 

  3. Jeong, E. H., Kwak, H. D., Kim, D. J., Kim, J. S., Noh, J. G., Park, M. J., Park, P. G., Bae, J. H., Shin, J. H., Wang, S. W., Yoon, S. H., Lee, H. G., Jeon, S. M., Choi, C. H., Hong, S. S., Kim, S. L., Kim, S. H., Woo, S. P., Han, Y. M., and Kim, J. H., "Performance Test of a 75-tonf Rocket Engine Turbopump," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 20, No. 2, 2016, pp.86-93. 

  4. Choi, C. H., Hong, S. S., and Kim, D. J., "Development of Pump of Liquid Rocket Engine Turbopumps," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers Fall Conference, December 2014, pp.899-902. 

  5. NASA, Inside the LEO Doghouse: The Art of Expander Cycle Engines, from https://blogs.nasa.gov/J2X/2014/03/24/inside-the-leo-doghouse-the-art-of-expander-cycle-engines/ 

  6. NASA, Inside the LEO Doghouse: The Art of Expander Cycle Engines, from https://blogs.nasa.gov/J2X/tag/rl10-rocket-engine/ 

  7. Hong, S. S., Kim, J. S., Kim, D. J., and Kim, J. H., "Performance Test of Turbopump Assembly for 75 Ton Liquid Rocket Engine Using Model Fluid," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 15, No. 2, 2011, pp.56-61. 

  8. 3D Printing Industry, World's 1st 3D Printed Battery Powered Rocket Engine, from https://3dprintingindustry.com/news/worlds-1st-3d-printed-battery-powered-rocket-engine-47226 

  9. Simple electric motors Calculations, form http://simplemotor.com/calculations 

  10. M. Shirvani Boroujeni, G. R. Arab Markadeh, and J. Soltani, "Torque ripple reduction of brushless DC motor based on adaptive input-output feedback linearization," ISA Transactions, Vol. 70, 2017, pp.502-511. 

  11. Ball Bearing, Angular Contact HY KH 6002 C TA, from https://www.gmnbt.com/bbhy-kh-6002-c-ta-angular-contact-bearing.htm 

  12. BKC METAL BELLOWS COUPLING ECONOMY CLASS COMPACT VERSION WITH CLAMPING HUB, from https://www.rw-america.com/products/precision-couplings/metal-bellows-couplings/bkc/ 

  13. G. Genta, "A fast modal technique for the computation of the Campbell diagram of multi-degree-of-freedom rotors," Journal of Sound and Vibration, Vol. 155. Iss. 3, 1992, pp.385-402. 

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