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핀틀 인젝터의 팁 내부 유동 가이드가 연소 성능에 미치는 영향
Effect of Internal Flow Guide in Pintle Tip on Pintle Injector Thruster Combustion 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.9, 2020년, pp.703 - 709  

이건웅 (Graduate School, Korea Aerospace University) ,  남정수 (Graduate School, Korea Aerospace University) ,  칸마니라자 (Graduate School, Korea Aerospace University) ,  구자예 (School of Aerospace and Mechanical Engineering, Korea Aerospace University)

초록
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핀틀 인젝터는 LMDE의 인젝터로 채용되어 아폴로 계획의 성공적인 수행에 일조하였으며, 최근 SpaceX 사의 Merlin 엔진으로 다시 조명받고 있는 인젝터의 형태이다. 본 연구에서는 액체산소/기체메탄을 이용하는 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 제작하여 연소실험을 수행하였다. 그러나 초기 연소실험은 핀틀 팁의 용융과 낮은 연소효율이라는 문제를 노출하였다. 따라서 이를 해결하기 위하여 전산수치해석을 통한 시뮬레이션을 통해 유동 가이드가 추가된 핀틀 팁의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 설계를 채택하였으며, 연소실험을 통해 유동 가이드의 효용성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Pintle injector is known to have been adopted as injector of Lunar Module Descent Engine (LMDE) and contributed to success of the Apollo program and recently used in merlin engine. In this study, 500N Lab-Scale pintle injector thruster was manufactured and the combustion experiment with LOx/GCH4 was...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 액체산소/기체메탄을 추진제로 사용하는 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 제작하여 이미 모사추진제를 이용한 분무실험을 진행[9]하여 분무 성능을 검증하였으며, 해당 인젝터를 최대한 원형을 유지하여 연소실험용으로 개량, 연소실 압력 20 bar를 목표로 연소실험을 진행하였다. 그러나 연소 실험 과정 중 핀틀 팁의 용융 문제가 발생 하였으며 일련의 설계 수정/보완 과정을 거쳐 실제 정상상태의 연소 실험 결과 분석이 가능한 정도의 안정성을 확보하였으며 실제 약 90% 이상의 특성속도 효율을 보이는 등 만족스러운 연소실험 결과를 도출하였다.
  • 그러나 연소 실험 과정 중 핀틀 팁의 용융 문제가 발생 하였으며 일련의 설계 수정/보완 과정을 거쳐 실제 정상상태의 연소 실험 결과 분석이 가능한 정도의 안정성을 확보하였으며 실제 약 90% 이상의 특성속도 효율을 보이는 등 만족스러운 연소실험 결과를 도출하였다. 이에 추후 발생할 수 있는 핀틀 인젝터의 연소 실험 중의 위험을 방지하고 보다 안전한 실험이 가능하도록 그 정보를 공유하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
핀틀 인젝터의 특징은 무엇인가? 핀틀 인젝터는 LMDE의 인젝터로 채용되어 아폴로 계획의 성공적인 수행에 일조하였으며, 최근 SpaceX 사의 Merlin 엔진으로 다시 조명받고 있는 인젝터의 형태이다. 본 연구에서는 액체산소/기체메탄을 이용하는 500N 급 Lab-Scale 핀틀 인젝터 추력기를 제작하여 연소실험을 수행하였다.
핀틀 팁의 용융과 낮은 연소효율이라는 문제를 해결하기위해 채택된 설계는 무엇인가? 그러나 초기 연소실험은 핀틀 팁의 용융과 낮은 연소효율이라는 문제를 노출하였다. 따라서 이를 해결하기 위하여 전산수치해석을 통한 시뮬레이션을 통해 유동 가이드가 추가된 핀틀 팁의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 설계를 채택하였으며, 연소실험을 통해 유동 가이드의 효용성을 확인하였다.
메탄의 특징은 무엇인가? 메탄은 대표적인 탄화수소계 계열 연료인 케로신과 비교하면 연소성능이 높으며, 코킹 온도가 높아 배관 및 재생냉각 재킷에 수트가 거의 생기지 않아 재사용 발사체에 적합하다[1]. 가장 고성능을 가지는 추진제인 수소와 비교하면, 메탄은 밀도가 비교적 높아 같은 임무를 요구하는 추력기에도 필요한 추진제 탱크 부피가 작으며, 액체 메탄을 쓸 경우 액체 수소에 비하여 끓는점이 높기 때문에 저장 탱크의 단열 난이도가 상대적으로 낮다는 장점이 있다[2].
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참고문헌 (17)

  1. Klepikov, I. A., Katorginm B. I. and Chvanov, V. K., "The new generation of rocket engines, operating by ecologically safe propellant "liquid oxygen and liquefied natural gas(methane)"," Acta Astronautica, Vol. 41.4-10, 1997, pp. 209-217. 

  2. Burkhardt, H., Sippel, M., Herbertz, A. and Klevanski, J., "Kerosene vs Methane: A Propellant Tradeoff for Reusable Liquid Booster Stages," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 41, No. 5, 2004, pp. 762-769. 

  3. Linne, D. L., Sanders, G. B., Starr, S. O., Eisenman, D. J., Suzuki, N. H., Anderson, M. S., O'Malley, T. F. and Araghi, K. R., "Overview of NASA Technology Development for In-situ Resource Utilization(ISRU)," Proceeding of 68th International Astronautical Congress, September 2017. 

  4. Sippel, M. and Wilken, J., "Preliminary Component Definition of Reusable Staged-Combustion Rocket Engine," Proceeding of Space Propulsion 2018, May 2018. 

  5. Olansen, J. B., Munday, S. R., Mitchell, J. D. and Baine, M, "Morpheus: Advancing Technologies for Human Exploration," Proceeding of Global Space Exploration Conference 2012, May 2012. 

  6. Dressler, G. A. and Bauer J. M., "TRW Pintle Engine Heritage and Performance Characteristics," Proceeding of 36th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, July 2000. 

  7. Casiano, M. J., Hulka, J. R. and Yang, V., "Liquid-Propellant Rocket Engine Throttling: A Comprehensive Review," Journal of Propulsion and Power, Vol. 26, No. 5, 2010, pp. 897-923. 

  8. Seedhouse, E., SpaceX-Making Commercial Spaceflight a Reality, 1st Ed., Praxis Publishing, Chhicester, 2013, pp. 33-40. 

  9. Nam, J., Lee, K., Park, S., Huh, H. and Koo, J., "Spray Characteristics of a Movable Pintle Injector with Pintle Tip Shape," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 47, No. 9, 2019, pp. 658-664. 

  10. Stryjek, R. and Vera, J. H., "PRSV: An Improved Peng-Robinson Equation of State for Pure Compounds and Mixtures," The Canadian Journal of Chemical Engineering, Vol. 64, No. 2, 1986, pp. 323-333. 

  11. Yang, V., Habiballah, M., Hulka, J. and Popp, M., Liquid Rocket Thrust Chambers: Aspects of Modeling, Analysis, and Design, AIAA, Virginia, 2004, pp. 157-162. 

  12. Heister, S. D., "Pintle Injectors," Handbook of Atomization and Sprays, Springer, 2011, pp. 647-655. 

  13. Ahn, K. B., Han, Y. M., Seo, S. H. and Choi, H. S., "Effects of Injector Recess and Chamber Pressure on Combustion Characteristics of Liquid-Liquid Swirl Coaxial Injectors," Combustion Science and Technology," Vol. 183, No. 3, 2010, pp. 252-270. 

  14. Gordon, S. and McBride, B. J., "Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications, I. Analysis," 1994, NASA RP-1311-P1. 

  15. McBride, B. J. and Gordon, S., "Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium Compositions and Applications, II. User's Manual and Program Description," 1994, NASA RP-1311-P2. 

  16. Son, M., Correlations between Spray and Combustion Characteristics of a Movable Pintle Injector for Liquid Rocket Engines, ph. D Dissertation, Korea Aerospace University, Goyang, 2017. 

  17. Chang, Y., Zou, J., Li, Q., Cheng, P. and Zhou, K., "Numerical Study on Combustion and Heat Transfer of a GOX/GCH4 Pintle Injector," Proceeding of the 2018 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology, October 2018, pp. 1806-1825. 

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