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고체 추진제와 점화기 간 간격에 따른 유동 특성
Flow Characteristics with Distance between Solid Propellant Grain and Igniter 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.22 no.2, 2018년, pp.96 - 107  

강동기 (PGM G&C) ,  최재성 (PGM G&C) ,  이형진 (Department of Aerospace Engineering, Inha University)

초록
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고체추진기관 내에 점화기와 추진제 그레인 간격에 따라 화염에 의해 발현되는 내부 유동 형태에 대해 전산유체해석(CFD)를 이용하여 살펴보았다. 실린더형과 슬롯형 추진제 그레인에 대해 실린더형은 간격 1 mm, 3 mm, 5 mm, 슬롯형은 점화기의 화염 분출구가 넓은 간격에 위치한 경우와 좁은 간격에 위치한 경우에 대해 수치 해석을 수행하였다. 실린더형은 간격이 좁을수록 점화기와 추진제 사이에 고압력이 형성되며, 점화기 말단 부근에서 압력 강하 또한 상대적으로 크게 나타났다. 실린더형은 간격에 영향을 받았으나, 슬롯형은 화염 분출구 위치에 관계없이 압력 형태가 유사하게 나타났으며, 실린더형 간격 5 mm와 유사한 결과를 보였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Flow analysis using computational fluid dynamics was conducted to investigate the effect of the igniter flame caused by the gap between the igniter and the propellant grain in a solid rocket motor. Two propellant grain types were assumed; namely cylinder type (1 mm, 3 mm, and 5 mm gap) and the slot ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 점화기와 추진제 그레인 사이 간격에 따라, 점화기에서 발생한 화염이 자유 체적 내에서 유동을 형성하는 과정을 전산해석을 통해 살펴보고 추진제 표면에 미치는 영향을 예측하고자 하였다. 실린더형과 슬롯형에 대해 3차원 해석을 통해 유동형성 과정의 차이점을 비교분석하였다.
  • 추진제 그레인과 점화기 사이의 간격을 변화시키기 위해 추진제 그레인의 내부 코어의 직경은 일정하게 유지하고 적용되는 점화기의 외경을 변경하였다. 점화기에서 발생한 동일 유량에 대해 추진기관 내 형성되는 최대 압력 조건을 동일하게 유지하여 유동의 형성과정을 비교하고자 한다. 점화기 길이를 변경하여 각 해석 조건마다 점화기가 차지하는 부피를 일정하게 유지하였다.

가설 설정

  • 화염 분출구의 온도는 점화제로 흔히 사용되는 BKNO3의 화염 온도와 유사한 2500 K를 가정하였다. 이 연구는 점화기의 화염 거동을 관찰하기 위한 초기 연구로써 해석 시간을 절약하기 위해 화염을 일반 공기로 가정하였다. 그 외 추진기관 내 자유 체적에 대한 압력과 온도는 대기조건으로 14.
  • 7에 나타내었다. 이와 같이 설정한 압력은 점화기 구조체의 화염 분출구에 동일하게 작용하는 것으로 가정하였다. 화염 분출구의 온도는 점화제로 흔히 사용되는 BKNO3의 화염 온도와 유사한 2500 K를 가정하였다.
  • 점화 후 점화기 내 화약의 연소에 의해 생성되는 압력 및 시간은 참고 문헌 14를 바탕으로 단순화하여 최대 압력과 시점은 140 psi와 3.5 ms, 점화 화약의 연소 지속시간은 31.5 ms로 가정하였다. 설정한 압력 조건은 무차원화하여 Fig.
  • 해석 단순화를 위해 점화기 내부는 해석 영역에서 제외하였으며, 점화기의 화염 분출구에서 점화기의 화염이 자유체적 내로 유입된다고 가정하였다. 수치해석을 위한 도메인은 Fig.
  • 이와 같이 설정한 압력은 점화기 구조체의 화염 분출구에 동일하게 작용하는 것으로 가정하였다. 화염 분출구의 온도는 점화제로 흔히 사용되는 BKNO3의 화염 온도와 유사한 2500 K를 가정하였다. 이 연구는 점화기의 화염 거동을 관찰하기 위한 초기 연구로써 해석 시간을 절약하기 위해 화염을 일반 공기로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고체 추진 기관에서 점화 과정은 어떻게 진행되는가? 고체 추진 기관에서 점화 과정은 점화기 내 점화 화약의 착화를 통해 유발된 화염이 추진제 그레인 내부 공간으로 분출되어 추진제 그레인 표면에 열량이 공급되고, 이로 인해 추진제의 화학반응이 유도되면서 진행된다[1,2]. 따라서 적절한 점화기의 적용 유무에 따라 필요 시간에 점화가 일어나기도, 혹은 점화 지연이나 점화 실패가 발생하기도 한다[2].
자유 체적이란 무엇인가? 1과 같이 추진제 발화를 위한 장약과 화염 온도와 압력에 견디는 점화기 구조체 등으로 구성된다. 추진기관 내부에 이러한 구성품을 제외한 나머지 부분, 화염 유동이 생성되는 공간을 자유 체적이라 한다.
점화기는 장약량에 따라 특정 크기 이상의 형상을 갖게 되는데, 추진제 그레인이 소형이면 어떤 문제점이 있는가? 일반적인 고체 추진기관에 적용되는 점화기는 장약량에 따라 특정 크기 이상의 형상을 갖게 된다. 추진제 그레인이 소형일수록 점화기와 추진제 그레인이 인접하게 되고, 화염에 대해 유동 공간이 협소하여 점화 초기 화염의 원활한 흐름이 방해될 수 있다. 하지만 점화기와 추진제 그레인 사이 간격이 화염 유동에 미치는 영향을 연구한 사례가 아직 존재하지 않으며, 또한 그러한 간격이 점화 과정에 미치는 영향이 보고된바 없다.
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참고문헌 (11)

  1. Cho, I.H., Baek, S.W., Chang, S.T. and Cha, H.S., "A Numerical Simulation of Ignition Transient on the Solid rocket Motor," The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences Fall Conference, Jeju, Korea, pp. 212-216, Nov. 1995. 

  2. Serraglia, F., "Modeling and Numerical Simulation of Ignition Transient of Large Solid Rocket Motors," Dottorato di Ingengneria Aerospaspaziale XV Ciclo, La Sapienza University of Rome, 2002/2003. 

  3. Cho, I.H., Baek, S.W., Chang, S.T. and Cha, H.S., "A Numerical Simulation of Axisymmetric Solid Rocket Motor Ignition Transient with Radiation Effect," The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences, Vol. 25, No. 2, pp. 81-88, 1997. 

  4. Cho, I.H., and Baek, S.W., "Numerical Simulation of Axisymmetric Solid Rocket Motor Ignition Transient with Radiation Effect," Journal of Propulsion and Power, Vol. 16, No. 4, pp. 725-728, 2000. 

  5. Sanal, K.V.R. and Kim, H.D., "Studies on Starting Transient in Solid Rockets," The Korean Society of Propulsion Engineers Conference, pp.6-10, Oct. 2003. 

  6. Lee, C.S., Han, S.H., Kim, C.G., Oh, J.Y. and Oh, S.J., "Fluid-Structure-Combustion Intera ction Simulation for Solid Propellant Rocket Interior Coupling Phenomena," The Korea Institude of Military Science and Technology, Jeju, Korea, Jul. 2013. 

  7. Lee, C.S., Han, S.H., Kim, C.G., Oh, J.Y. and Oh, S.J., "FSbI simulation for solid propellant rocket interior with flame propagation delay and secondary burning," The Korea Institude of Military Science and Technology, Jeju, Korea, Jun. 2014. 

  8. Chang, S.T., Han, S.M. and Chai, J.C., "Ignition Transient Investigation of Rocket Motor," Journal of Propulsion and Power, Vol. 4, No. 3, pp. 45-54, 2000. 

  9. Jang, S.G., Kim, Z.I. and Ryu, B.T., "Ignition Delay Time of A Solid Rocket Motor," The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences Fall Conference, Jeju, Korea, pp. 1038-1041, Nov. 2012. 

  10. Konstantin, K., "Unstructured Hexa hedral Non-conformal Mesh Generation," the degree of Doctor in Engineering Sciences, Department of Mechanical Engineering, Vrije Universiteit Brussel, Belgium, 2005. 

  11. Choi, J.S., Kim, I.S., Lee, H.J. and Cho, J.H., "Ignition Characteristic of the Amount of Ignition Compound Used for the Solid Rocket," The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences Spring Conference, Goseong, Korea, pp. 206-208, Apr. 2014. 

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