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한국형발사체 자세제어시스템을 위한 과산화수소 단일추진제 추력기
Hydrogen Peroxide Monopropellant Thruster for KSLV-II Reaction Control System 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.5, 2019년, pp.335 - 343  

오상관 (Korea Aerospace Research Institute) ,  강신재 (Korea Aerospace Research Institute) ,  오동호 (School of Mechanical Engineering, Chungnam National University)

초록
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한국형발사체 3단의 무추력 비행구간에서는 추력기 자세제어시스템에 의해 롤, 피치, 요 축에 대한 3축을 제어하고, 추력 비행구간에서는 롤 축에 대한 제어를 추력기 자세제어시스템에 의해 수행한다. 발사체 자세제어시스템으로 사용되는 추력기의 추진제는 하이드라진과 같은 전통적인 독성 추진제가 주로 사용되어 왔으나 최근에는 친환경적인 ADNHAN 등과 같은 무독성(청정) 추진제가 많이 연구되고 있다. 특히, 과산화수소 추진제는 독성이 없고 제작 및 시험평가에 있어서 상대적으로 저렴해서 독성 추진제의 대안 중 하나로 떠오르고 있다. 본 논문에서는 한국형발사체 3단의 자세제어를 위해 개발 중인 50N 급 과산화수소 단일추진제 추력기 자세제어시스템의 설계내용 및 시제품 제작, 시험결과를 기술하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The third stage of the KSLV-II is equipped with the reaction control system that performs three axis-control during non-thrust coasting phase and performs a roll axis control during thrust phase. Toxic propellants such as hydrazine have been used for conventional rocket propulsions, however, recentl...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 한국형발사체 3단의 추력기 자세제어시스템 개발규격과 이에 따라 과산화수소 단일추 진제 추력기시스템을 개발한 내용을 기술한다.
  • 본 연구에서는 한국형발사체 3단의 추력기 자세제어시스템으로 적용하기 위한 과산화수소 단일추진제 추력기시스템 개발에 관한 내용을 기술하였다. KSR(Korea Sounding Rocket)-III 및 나로호 상단의 경우 질소 냉가스 추력기시스템이 자세제어시스템으로 적용되었으며 국내 발사체에서는 최초로 과산화수소를추진제로 사용하는 핫가스 추력기시스템이 적용된다.

가설 설정

  • 과산화수소 추진제는 이론 비추력 성능이 170 s 정도로 하이드라진 보다는 낮으나 나로호 상단 추력기시스템으로 사용된 냉가스 추력기에 대비해서는 매우 높은 편이고 운용이 상대적으로 쉬운 청정 추진제이다. 과산화수소 추진제의 장점은 무독성이며 상대적으로 저렴하고, 예열이 필요 없다. 반면 단점으로는 취급에 주의가 필요하고, 자기 분해로 인해 시스템 압력이 상승할 수 있으며 티타늄 재료와의 적합성이 좋지 못하다[3-9].
  • 해석 툴은 2차원 축대칭 압축성 연소유동 해석코드(KPP2D)를 활용했다. 설계점 작동조건에서 연소 가스의 화학조성과 정체온도를 계산 후 입구조건으로 적용했으며 내부 연소가스는 동결평형상태로 가정하였다. 연소가스의 화학종은 이상기체로 가정하였고 각 화학종의 열역학적 상태량들은 온도의 함수로 계산하였다.
  • 설계점 작동조건에서 연소 가스의 화학조성과 정체온도를 계산 후 입구조건으로 적용했으며 내부 연소가스는 동결평형상태로 가정하였다. 연소가스의 화학종은 이상기체로 가정하였고 각 화학종의 열역학적 상태량들은 온도의 함수로 계산하였다. 초음속 노즐의 초기각(θn)과 출구각(θe) 을 변화시키면서 반복해석을 통해 진공 비추력이 최대가 되는 초기각과 출구각을 갖도록 노즐 형상을 결정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
추력기 제어장치의 역할은? 추력기 조립체는 3구 추력기 2set로 구성되어 3단의 90°와 270° 위치에 설치된다. 그리고 추력기 제어장치(TCU, Truster Control Unit)는 추력기 솔레노이드 밸브와 파이로 밸브, 래치 밸브 등의 자동밸브에 대한 제어와 온도센서 및 압력센서 값을 측정하여 시스템 상태를 모니터할 수 있게 한다.
과산화수소 추진제의 장점은? 과산화수소 추진제는 이론 비추력 성능이 170 s 정도로 하이드라진 보다는 낮으나 나로호 상단 추력기시스템으로 사용된 냉가스 추력기에 대비해서는 매우 높은 편이고 운용이 상대적으로 쉬운 청정 추진제이다. 과산화수소 추진제의 장점은 무독성이며 상대적으로 저렴하고, 예열이 필요 없다. 반면 단점으로는 취급에 주의가 필요하고, 자기 분해로 인해 시스템 압력이 상승할 수 있으며 티타늄 재료와의 적합성이 좋지 못하다[3-9].
과산화수소 추진제의 단점은? 과산화수소 추진제의 장점은 무독성이며 상대적으로 저렴하고, 예열이 필요 없다. 반면 단점으로는 취급에 주의가 필요하고, 자기 분해로 인해 시스템 압력이 상승할 수 있으며 티타늄 재료와의 적합성이 좋지 못하다[3-9].
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참고문헌 (10)

  1. Lee, H. J., and Kang, E. S., "Development of Direct Drive Electro-mechanical Actuation System for Thrust Vector Control of KSLV-II," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol. 44, No. 10, 2016, pp.911-920. 

  2. Jeon, S. W., "A Study on the Limit Cycle Analysis of the Reaction Control System for Satellite Launch Vehicle," Chungnam National University, 2010. 

  3. Gotzig, U., "Challenges and Economic Benefits of Green Propellants for satellite Propulsion," 7th European conference for Aeronautics and Space Sciences(EUCASS2017- 639), 2017. 

  4. Cho, I. H., Han, S. Y., Yoon, H. S., and Lee, J. W., "Review of the Attitude Control for Space Launcher Vehicle," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Fall Conference, November 2015, pp.1917-1920. 

  5. An, S. Y., "Design of $H_2O_2$ Monopropellant Thruster with Consideration of Response Characteristics for Attitude Control System," Korea Advanced Institute of Science ann Technology, 2010. 

  6. Bombelli, V., Simon, D., and Maree, T., "Economic Benefits of The Use of Non-Toxic Mono-Propellants for Spacecraft Applications," AIAA 2003-4784. 

  7. Kajon, D., et al., "Development of an Attitude Control and Propellant Settling System for the aA5ME Upper Stage," Space Propulsion Conference. Cologne, Germany, May 19. 2014. 

  8. Amri, R., Gibbon, D., and Rezoug, T., "The Design, development and test of one newton hydrogen peroxide monopropellant thruster," Aerospace Science and Technology, Vol. 25, Issue 1, March 2013, pp.266-272. 

  9. Ventura, M., Wernimont, E., Heister, S., and Yuan, S., "Rocket Grade Hydrogen Peroxide(RGHP) for use in Propulsion and Power Devices-Historical Discussion of Hazards," In: The 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE joint propulsion conference& exhibit, Cincinnati, OH, USA, July 8-11 2007, AIAA 2007-5468. 

  10. Gordon, S., and MacBride, B. J., "Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications," NASA, Ref. Publ. 1311, October 1994. 

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