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액체 추진제 공급 시스템의 모델링 및 시뮬레이션 연구 동향 분석
Research Trend Analysis on Modeling and Simulation of Liquid Propellant Supply System 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.23 no.6, 2019년, pp.39 - 50  

이주연 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  차승원 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  하동휘 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  기원근 (Department of Aerospace Engineering, Graduate School of Chungnam National University) ,  이재청 (Department of Aerospace Engineering, Graduate School of Chungnam National University) ,  허환일 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  노태성 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  이형진 (Department of Aerospace Engineering, Inha University)

초록
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액체 추진제 공급 시스템에 대한 Modeling and Simulation(M&S)는 엔진의 각 구성품을 수학적으로 모델링하여 특정 조건에서의 성능을 예측하는 기법이다. 본 논문에서는 국내외에서 수행된 관련 연구를 분석하여 액체 로켓엔진에 적용되는 공급 시스템에 대한 M&S의 기본 구성을 파악하였다. 구성요소의 보편적인 수학적 모델링을 정리하고 각 연구 결과에 대한 특징을 분석하였다. 또한 해석 및 검증 결과를 바탕으로 선진 해외 연구 기관의 M&S 수준을 확인하였고, M&S 기법의 정확도와 관련한 요인을 기술하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Modeling and Simulation(M&S) for a liquid propellant supply system is a technique to predict the performance of components and systems under certain conditions based on mathematical modeling for each component of the engine. In this paper, the basic structure of M&S for the supply system applied to ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 엔진 시동과정을 밸브 개방 시퀀스와 동일하게 순차적으로밸브 개도를 변화시켜 모사하였다. ROCETS의 결과와 비교하여 ESPSS는 해석 결과의 전반적인 경향성은 유사하지만, 가속 시간, 시점, 가속률에 차이를 보이며 비행시험 데이터와 더 일치하는 결과를 보고하였다. 이는 유동 모델링을 특성에 따라 구분하고 TCV 밸브 모델링을 추가하여 정확도를 향상시켰기 때문이다.
  • 본 논문에서는 액체로켓 엔진의 추진제 공급시스템에 대한 M&S 연구동향을 분석하였다.
  • 본 논문은 국가별 M&S 신뢰도에 따른 연구동향을 분석하기 위해 대학수준의 기초연구는 제외하고 실제로 로켓엔진을 개발한 대표적인 국가 연구기관의 자료를 바탕으로 수행한 M&S연구의 검증 결과에 대하여 정리하고 고찰을 기술하였다.
  • 시뮬레이션은 모델링을 통하여 해석 조건에 따라 구성요소 간의 질량, 모멘텀, 에너지, 동력밸런스를 맞추는 과정으로 진행되며 최종적으로 엔진 성능 예측이 목적이다. Fig.
  • 액체로켓엔진의 추진제 공급 시스템 Modelingand Simulation(M&S)는 탱크부터 연소실까지의 액체 추진제 공급 시스템을 모델링하고 성능예측을 위한 시뮬레이션을 하는 것이 목적이다.
  • 이에 따라 본 연구에서는 구성품 단위의 M&S 기법에 대하여 터보 펌프 방식을 분석하고 최근 유사연구에 의한 기술발전 덕에 각광받고 있는 전기펌프 방식의 구성품을 추가 분석하였다.
  • 이에 따라 본 연구에서는 액체로켓 엔진의 추진제 공급시스템 M&S 연구동향에 대한 분석을 수행하고, 이를 기반으로 M&S의 기본 구성과 각 구성품의 보편적인 수학적 모델링 및 연구기관별 개별적 특징을 소개하고자 하였다.
  • 일반적으로 정상상태와 과도기상태는 전혀 다른 유체역학적 거동을 보이고, 성능해석에 있어 해석 목적이 다르기 때문에 구분되어 수행된다. 정적 성능해석은 정상상태 엔진의 정적특성에 대한 성능예측이 목적이다. 즉 엔진의 작동점에서 각각의 구성요소와 전체 시스템의 성능을 해석하고 결정하는 단계에서 사용된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
신뢰도 높은 M&S의 효과는? 이러한 중요성 때문에 시뮬레이션 결과는 높은 정확도와 신뢰도가 요구되며 이에 따라 구성품 단위 수준에서부터 시스템 전체 수준까지의 수준 높은 모델링을 필요로 한다. 또한 신뢰도 높은 M&S는 보다 정확한 성능예측이 가능하도록 하므로 로켓 엔진 개발시간과 비용을 줄일 수 있어 효율적인 개발 과정을 구축할 수 있다.
M&S에 있어서 정적 성능해석은 어떤 단계에서 사용되는가? 정적 성능해석은 정상상태 엔진의 정적특성에 대한 성능예측이 목적이다. 즉 엔진의 작동점에서 각각의 구성요소와 전체 시스템의 성능을 해석하고 결정하는 단계에서 사용된다. 반면, 동적 성능해석은 시동이나 추력의 변화 등 요구조건의 변화에 따른 엔진의 과도기 과정에서 발생하는 유체의 동적 특성에 대한 성능예측이 목적이다.
M&S는 어떻게 활용되는가? 액체로켓엔진의 추진제 공급 시스템 Modelingand Simulation(M&S)는 탱크부터 연소실까지의 액체 추진제 공급 시스템을 모델링하고 성능예측을 위한 시뮬레이션을 하는 것이 목적이다. M&S는 제한조건 하에서 목표성능에 부합하는 엔진개발의 가능성 여부를 판별하는 것부터 구성품의 성능, 형상 결정 및 다양한 조건에서의 운용 상태까지 예측하는 등 로켓 엔진 개발의 전 단계에서 활용된다. 이러한 중요성 때문에 시뮬레이션 결과는 높은 정확도와 신뢰도가 요구되며 이에 따라 구성품 단위 수준에서부터 시스템 전체 수준까지의 수준 높은 모델링을 필요로 한다.
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참고문헌 (17)

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  16. Binder, M., Thomas T., and Joseph P.V., "RL10A-3-3A rocket engine modeling project," NASA Technical Memorandum 107318, 1997. 

  17. Di Matteo, F., "Modelling and simulation of liquid rocket engine ignition transients." Ph. D. Dissertation, Department of Technologia Aeronautica, Sapienza University, Roma, 2012. 

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