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 ADN 및 HAN 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.
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 ADN 및 HAN 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.
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...
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, recently, more studies have been conducted on the use of non-toxic eco-friendly propellants such as ADN and HAN. Especially, hydrogen peroxide has received a growing focus as an emerging propellant. It is considered an alternative of the toxic propellants because of economic advantage in producing the system, conducting operation test, and evaluation of the test result. In this paper, we describes the design, prototype, testing and evaluation of the test results with the 50 N-level hydrogen peroxide monopropellant thruster system which is currently under development.
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, recently, more studies have been conducted on the use of non-toxic eco-friendly propellants such as ADN and HAN. Especially, hydrogen peroxide has received a growing focus as an emerging propellant. It is considered an alternative of the toxic propellants because of economic advantage in producing the system, conducting operation test, and evaluation of the test result. In this paper, we describes the design, prototype, testing and evaluation of the test results with the 50 N-level hydrogen peroxide monopropellant thruster system which is currently under development.
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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.
제안 방법
요구 규격에 맞추어 설계된 내용을 바탕으로 한국형발사체 3단 추력기 자세제어시스템의 추력기 6기를 제작하였으며 Fig. 5와 같다.
따라서 시스템 주요 구성품이 대부분 신규로 설계 및 제작/시험평가를 거쳐 개발되었다. 추력기는 시뮬레이션 해석을 기반으로 진공노즐 형상을 설계하였고, 인젝터 및 진입실과 반응기 크기는 반응속도와 분해효율 등을 감안하여 설계하였다. 추력기 시제품진공추력 성능시험 결과가 시뮬레이션 해석 결과와 매우 유사하였고, 시험을 통해 추력기의 개발 요구규격이 만족됨을 검증하였다.
한국형발사체 3단 자세제어에 적용할 추력기시스템 형상은 중량효율과 친환경 요구조건을 고려하여 과산화수소(Hydrogen Peroxide, H2O2) 단일추진제 추력기시스템이 적용되었다. 국내발사체에서는 처음으로 적용되는 추력기시스템이며 과산화수소 추진제는 Syncom, COMSAT, X-15 rocket plane, Atlas Centaur upperstage 등과 같은 1960년대 초기 우주 개발 프로그램에서 사용되었다.
한국형발사체 3단 추력기 자세제어시스템 개발 규격과 운용 환경을 고려하여 추력기 성능 및 형상을 설계하였다.
한국형발사체 추력기 자세제어시스템의 추력기, 추진제 탱크, 래치 밸브, 가압제 탱크, 압력조절기, 파이로 밸브, 주입배출 밸브 등 모든 개발품에 대한 제작 및 시험평가 완료 후 시스템을 조립하여 서브시스템 수준의 성능시험을 수행하였다. 추력기시스템이 운용될 고고도 진공환경을 고려하여 진공챔버가 1.
한국형발사체 환경시험규격을 준수하는 것을 검증하기 위해 진동 및 충격 환경시험을 수행하였다. Table 2의 정현파 및 랜덤 진동시험과 반정현파 및 파이로 충격시험을 수행했으며 환경시험 전에 성능시험을 수행하고, 환경시험 후 성능시험을 수행하여 성능에 문제없는지를 비교하였다.
데이터처리
Table 2의 정현파 및 랜덤 진동시험과 반정현파 및 파이로 충격시험을 수행했으며 환경시험 전에 성능시험을 수행하고, 환경시험 후 성능시험을 수행하여 성능에 문제없는지를 비교하였다. 시험결과 성능에 문제는 없었으며 환경시험 후 촉매 파손 정도를 판단하기 위해 시험 전과 후 중량을 각각 측정하여 비교하였다. 환경시험 후 촉매 파손에 의한 중량 손실률은 2.
추력기 노즐 확장비는 60으로 결정하였고 벨형 노즐로 설계하여 이에 대한 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 해석 툴은 2차원 축대칭 압축성 연소유동 해석코드(KPP2D)를 활용했다. 설계점 작동조건에서 연소 가스의 화학조성과 정체온도를 계산 후 입구조건으로 적용했으며 내부 연소가스는 동결평형상태로 가정하였다.
성능/효과
각 구성품에 대한 시험평가 완료 후 시스템을 조립하여 고고도 진공환경에서 성능시험을 수행했으며 정상적으로 작동함을 확인하여 시스템 운용에 문제없음을 검증하였다.
그리고 피치 및 롤 축, 피치 및 요 축을 각각 동시에 제어할 경우는 3개의 추력기가 작동한다. 따라서 각 축에 대한 추력기 작동시험을 모두 수행했으며 추력기 작동 수와 관계없이 시스템이 안정적으로 작동하는지 성능을 검증하였다. 추력기 작동에 대한 성능 검증은 추력기 반응기 압력 측정으로 판단한다.
19는 (-) 피치 축과 (+) 롤 축 방향의 추력기를 모두 작동한 시험결과이다. 시험결과에서 알 수 있듯이 추력기 1기 및 2기, 3기를 작동 시 모두 압력제어가 잘 이루어지고 있고 추진제 탱크로부터 추진제 공급이 매우 안정적으로 공급되고 있음이 검증되었다.
추력기는 시뮬레이션 해석을 기반으로 진공노즐 형상을 설계하였고, 인젝터 및 진입실과 반응기 크기는 반응속도와 분해효율 등을 감안하여 설계하였다. 추력기 시제품진공추력 성능시험 결과가 시뮬레이션 해석 결과와 매우 유사하였고, 시험을 통해 추력기의 개발 요구규격이 만족됨을 검증하였다. 또한 내구성 시험과 진동·충격 환경시험을 거쳐서 추력기 몸체 및 촉매에 대한 강도를 검증하였다.
후속연구
추후 예정되어 있는 실시간 모의시험(HILS, Hard ware In the Loop Simulation)을 거쳐서 추가적인 시스템 성능과 안정성에 대해 검증할 계획이다.
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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