[논문]시험용 달 궤도선의 추진제 공급부 설계 검증 Part I: 수치해석

김선훈; 김수겸

doi:10.6108/kspe.2019.23.3.096

시험용 달 궤도선의 추진제 공급부 설계 검증 Part I: 수치해석
Engineering Validation for Propellant Isolation Assembly of Korea Pathfinder Lunar Orbiter Part I: Numerical Analysis 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.23 no.3, 2019년, pp.96 - 103

김선훈 (Satellite Bus Development Division, Korea Aerospace Research Institute) , 김수겸 (Satellite Bus Development Division, Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 연구에서는 지상 시험과 수치해석을 비교하여 시험용 달 궤도선의 추진제 공급부 설계 검증을 하고자 한다. 비행 모델의 유동 흐름을 모사할 수 있는 지상 시험용 검증 모델을 제작하고 있으며, 지상 시험용 검증 모델과 비교하기 위한 항목을 배관 내 전체 압력 강하량, 추력기 밸브 구동에 의한 수격현상 그리고 유량 제어 및 수격현상 완화를 위한 오리피스 장착의 세 가지로 선정하였다. 해석 결과를 향후 지상 시험 결과와 비교하여 최종적으로 설계 확정을 위한 근거 자료를 확보하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a comparison was conducted to verify the propellant isolation assembly of the Korea Pathfinder Lunar Orbiter (KPLO). An engineering validation model (EVM) is being developed to simulate the flow of the flight model. Three factors were selected for comparison: the total pressure drop during propellant isolation assembly, the waterhammer by driving thruster valve, and the orifice set up for flow control and damping the waterhammer. The analysis results are compared with EVM test results. In the future, backup data to confirm the design will be established.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

추진제인 하이드라진(N2H4)과 물성치가 유사한 순수(De-ionized Water, DIW)를 작동유체로 사용하였다. 앞서 수치해석에서 선정한 임무 상황으로 지상 시험을 수행하고, 그 결과를 수치해석 결과와 비교하여 최종적으로 PIA의 설계를 확정할 근거 자료를 확보하고자 한다.
추력기 밸브를 통해 추진제가 지속적으로 공급되어 일정한 추력을 발생하고 있는 정상상태에서 해석을 진행하였다. 이 때, 특정 배관이나 구성부품에서 지나치게 높은 부하를 받는 부분이 있는지 확인 해 보았다.
전산수치해석 결과와 EVM 지상시험 결과를 비교하여 KPLO 추진시스템의 설계 확정을 위한 근거를 마련하고자 하였다. 정상상태 해석, 수격현상 해석, 오리피스 해석의 결과는 다음과 같다.

가설 설정

또한 제어 관점에서도 배관에 무리를 주지 않기 위해 순차적으로 밸브를 구동하지만, 최악의 조건을 위해 모든 밸브가 동시에 열리고 닫히는 상황을 가정하였다.

제안 방법

Figure 3에 오리피스를 장착할 후보 위치 세 지점을 표기하였다. ACT를 제외한 OMT만을 제어하기 위해 Tee 1 분기점 후단으로 설정하였다. Point 1은 OMT 4개의 유량을 한꺼번에 조절하기 위한 곳이며 일반적으로 유량 제어는 배관 종단에서 수행하는 것이 유리하여 Point 2와 3에 각각 2개, 4개씩 배치하는 방안을 고려하였다.
ACT를 제외한 OMT만의 유량 제어를 수행하고, 수격현상의 완화를 위한 오리피스의 설계를 수행하였다.
11은 ACT에서의 해석 결과이다. OMT에 비해 유량이 상대적으로 1/8수준인 ACT 쪽에서 더 큰 수격현상이 나타난 이유에 대해 알아보기 위해 OMT 밸브가 계속해서 열려 있는 상황과, OMT는 운용하지 않는 상황에서 ACT 밸브를 개폐하는 경우를 가정하여 해석한 결과, Fig. 12와 같은 결과를 도출하였다.
그러나 이후 제어마진을 위해 ACT가 4개 추가되어 Fig. 1과 같이 총 8개의 ACT를 갖는 형상으로 설계가 변경되었다. Fig.
배관 내 유체가 밸브의 개폐와 같은 급격한 환경 변화에 따라 구성품에 충격을 가하는 수격현상에 대해 해석하였다. 수격현상에 영향을 미치는 요소로는 유량, 밸브의 닫힘 응답속도 등이 있다.
두 번째는 검증 모델(Engineering Validation Model, EVM)을 이용한 지상시험이다. 실제 운용 환경인 우주 공간처럼 중력을 상쇄하기 위해 모든 배관을 2D 평면에 상사하여 배치하였다. 추진제인 하이드라진(N2H4)과 물성치가 유사한 순수(De-ionized Water, DIW)를 작동유체로 사용하였다.
여기에 지정된 위치에 오리피스를 추가로 장착함으로서 OMT 쪽으로만 약 1.1 bar의 의도된 압력 손실로 유량 제어를 수행하였다. 어느 지점에 오리피스를 장착해도 약 17.
추력기 밸브를 통해 추진제가 지속적으로 공급되어 일정한 추력을 발생하고 있는 정상상태에서 해석을 진행하였다. 이 때, 특정 배관이나 구성부품에서 지나치게 높은 부하를 받는 부분이 있는지 확인 해 보았다.

대상 데이터

Figure 4와 같이 해석 모델과 EVM에서 공통적으로 압력 변화를 측정하여 비교할 부분을 필터, ISO밸브, 추력기의 전단으로 총 다섯 군데로 선정하였다.
위성에서 추진 시스템은 임무 궤도에 진입할 추력을 제공하며 원활한 임무 수행을 위해 주기적으로 궤도 유지를 하며 임무 수행 중 목표물을 지칭할 수 있도록 자세제어의 역할을 수행한다. 시험용 달 궤도선(Korea Pathfinder Lunar Orbiter, KPLO)은 발사체로부터 분리되어 4개의 30 N급 궤도 선회 추력기(Orbit Maneuver Thruster, OMT)를 이용하여 달 궤도에 진입하고, 8개의 3.4 N급 자세제어 추력기(Attitude Control Thruster, ACT)가 위성의 자세를 조정한다. 이와 같이 KPLO 추진 시스템의 기능은 위성의 수명에 직접적인 영향을 미친다.
실제 운용 환경인 우주 공간처럼 중력을 상쇄하기 위해 모든 배관을 2D 평면에 상사하여 배치하였다. 추진제인 하이드라진(N2H4)과 물성치가 유사한 순수(De-ionized Water, DIW)를 작동유체로 사용하였다. 앞서 수치해석에서 선정한 임무 상황으로 지상 시험을 수행하고, 그 결과를 수치해석 결과와 비교하여 최종적으로 PIA의 설계를 확정할 근거 자료를 확보하고자 한다.

성능/효과

KPLO의 임무 요건 중 가장 많은 유량을 사용하는 조건에서 밸브의 닫힘 응답속도에 따라 nominal condition과 extreme condition으로 구분하여 해석한 결과, Fig. 7과 같은 일반적인 수격현상 모델과 유사한 개형의 그래프가 나타났다. 또한 밸브의 개폐에 의한 peak pressure가 각 구성품의 proof pressure를 초과하지 않으므로 설계에 문제가 없음을 확인하였다.
각 지점에 오리피스를 장착한 결과, 목표한 차압과 유량을 1%내외의 오차범위 이내로 만족하는 것을 확인하였다.
12 bar를 기록하여 닫힘 응답시간이 짧을 때 더 높은 peak pressure를 관찰할 수 있었다. 따라서 유체가 밸브와 같은 구성품에 부딪히는 수격현상은 닫힘 응답시간에 큰 영향을 받음을 확인하였다.
해석 결과를 통해, 오리피스를 장착하는 목적이었던 OMT의 수격현상 완화 및 유량제어가 성공적으로 수행됨을 확인하였다. 또한 Fig. 11에 의해 오리피스를 장착할 경우 OMT의 수격현상이 ACT에 미치는 영향은 peak pressure와 damping 측면에서 소폭 감소함을 확인하였다.
11 bar로 최고 압력을 낮추는 효과를 확인하였다. 또한 오리피스가 있을 때 각 파동의 진행에서 최고 압력이 점점 낮아져 원래의 압력으로 안정화 하는 속도가 더 빨라지는 현상, 다시 말해 damping의 효과가 개선됨을 확인하였다.
또한 오리피스를 장착했을 때, OMT 자체의 peak pressure의 감소 및 damping 효과 증가를 확인하였으며, 상대적으로 유량이 큰 OMT의 수격현상 영향이 ACT로 전달되는 현상에 대한 감쇠효과를 확인하였다.
수치해석을 통해 앞으로 수행할 EVM 지상시험과 비교하기 위한 데이터를 확보하였으며, KPLO PS의 설계가 위성의 임무 수행에 타당함을 확인하였다.
1 bar의 의도된 압력 손실로 유량 제어를 수행하였다. 어느 지점에 오리피스를 장착해도 약 17.7 bar로 일정하게 추진제가 원하는 유량만큼 공급됨을 확인하였다.
오리피스를 설치할 후보 위치를 세 군데로 정하여 각 구역에 맞는 오리피스의 직경을 계산하여 해석한 결과, 어떤 위치에 적용하더라도 원하는 유량 및 설계 압력을 확보할 수 있었다. 추후 EVM 시험 결과 및 작업성을 고려하여 결정하고자 한다.
오리피스를 장착하면, 설계 차압인 1.1 bar 정도 추가되어 최종적으로 Tank 압력 19 bar로부터 OMT 전단에서 약 17.7 bar 까지 감압되어 OMT의 설계 유량인 13.6 g/s를 만족한다. 오리피스는 ACT와 OMT의 분기점인 Tee 1 후단에 설치되기 때문에 ACT에는 약 18.
유량이 일정하게 공급되고 있는 정상상태 해석을 수행한 결과, 배관 내 유량에 따라 배관 두께가 적합하게 설계되어 배관 자체의 손실량은 무시할 만한 수준으로 측정되었다. Filter, ISO 등 주요 구성품에서는 각각 80/30 mbar로 측정되었으며, 오리피스가 없는 상태에서 총 0.
해석 결과를 통해, 오리피스를 장착하는 목적이었던 OMT의 수격현상 완화 및 유량제어가 성공적으로 수행됨을 확인하였다. 또한 Fig.

후속연구

Point 1,2,3의 해석 결과를 비교해 보면 오리피스의 장착 위치나 개수에 따른 차이는 없는 것으로 나타났다. 따라서 EVM의 시험 결과와 비교하여 이상이 없는지 확인하고, 결정적으로 비행모델 제작에는 작업 편의성 등을 고려하여 결정해야 할 것이다. 개수에 의한 영향이 없으므로 간단하게 Point 1에 하나의 오리피스만 장착하면 충분할 것으로 판단한다.
따라서 사전에 유동해석을 통해 추진계 설계의 안정성을 검토하고, pulse width 최소 조건 등 연속적인 밸브 운용에 대한 가이드라인을 제시할 수 있을 것이다. 유동해석의 경우, 대개 최악의 조건을 상정하여 해석을 진행한다.
오리피스를 설치할 후보 위치를 세 군데로 정하여 각 구역에 맞는 오리피스의 직경을 계산하여 해석한 결과, 어떤 위치에 적용하더라도 원하는 유량 및 설계 압력을 확보할 수 있었다. 추후 EVM 시험 결과 및 작업성을 고려하여 결정하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Korea Pathfinder Lunar Orbiter란 무엇인가?	위성에서 추진 시스템은 임무 궤도에 진입할 추력을 제공하며 원활한 임무 수행을 위해 주기적으로 궤도 유지를 하며 임무 수행 중 목표물을 지칭할 수 있도록 자세제어의 역할을 수행한다. 시험용 달 궤도선(Korea Pathfinder Lunar Orbiter, KPLO)은 발사체로부터 분리되어 4개의 30 N급 궤도 선회 추력기(Orbit Maneuver Thruster, OMT)를 이용하여 달 궤도에 진입하고, 8개의 3.4 N급 자세제어 추력기(Attitude Control Thruster, ACT)가 위성의 자세를 조정한다. 이와 같이 KPLO 추진 시스템의 기능은 위성의 수명에 직접적인 영향을 미친다.
	실제 KPLO 추진 시스템을 구축할 수 없는 이유는 무엇인가?	실제 추진 시스템과 위성의 운용 환경을 모사하기에는 천문학적인 금액이 소요된다. 대신, PIA를 검증하기 위한 방법으로 아래 두 가지를 선정하였다.
	오리피스를 장착함으로써 얻는 효과는 무엇인가?	오리피스를 장착함으로써 OMT에 적절한 유량 의 추진제를 공급할 수 있다. 또한 상대적으로 많은 유량이 공급되는 OMT쪽의 밸브 구동에 의 한 수격현상의 영향을 완화하는 효과를 기대할 수 있다.

참고문헌 (3)

"Numerical Analysis for Verifying The Design of Propulsion Subsystem Propellant Isolation Assembly for Korea Pathfinder Lunar Orbiter" Kim 153 2017
"Numerical Analysis of KPLO Propellant Isolation Assembly Using EcosimPro" Kim 204 2017
Fluid Transients in Systems Wylie 1993

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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