[논문]고체 로켓모터의 TCO 성능 설계

황용석; 윤명원; 오종윤; 배주찬

고체 로켓모터의 TCO 성능 설계
Performance Design of TCO System of the Solid Rocket Motor 원문보기

황용석 (국방과학연구소) , 윤명원 (국방과학연구소) , 오종윤 (국방과학연구소) , 배주찬 (국방과학연구소)

본 논문은 TCO(thrust cut-off) 시스템을 장착한 로켓 모터의 성능설계에 관한 연구로서, TCO 포트 크기에 따라 변화하는 로켓의 성능을 평가하였다. 시험용 로켓 모터를 제작하여 연소시험을 행하였고, TCO 포트 크기에 따른 추력변화의 경향을 분석하여 최대 역방향 추력점이 존재함을 밝혀내었으며 보존방정식을 이용하여 TCO 성능설계 및 시험분석을 행하였다. 이와 같은 성능설계 기법은 향후 유사한 TCO 시스템의 설계에 유용하게 적용될 수 있다.

This paper describes performance design of a solid rocket motor on which thrust cut-off system is installed, and evaluates performance of a rocket motor according to a size of TCO ports. TCO system installed on motors was made to carry out firing tests, and the trend of thrust due to various sizes of TCO port was analyzed to find the existence of the port size for maximum reversal thrust. Conservation equations were used to design performance of motors and to analyze test results. This technique for performance design will be usefully applied to the design of similar TCO systems.

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문제 정의

본 논문에서는 TCO 방식 중 역추력 방식을 사용하였을 때, TCO 포트의 크기에 따라 변화되는 로켓의 성능을 설계하기 위하여 축소형 모터를 제작/시험하고 이를 분석함으로써 포트의 크기와 ■추력 변화의 관계를 밝혀내었으며, 포트의 크기를 결정하는 기법 등을 연구하였다. 이와 같은 연구는 향후 유사한 TCO 시스템을 가진 로켓 모터의 개발에 유용하게 이용될 수 있다.

제안 방법

위 식들을 사용하여 로켓 모터의 성능을 설계할 경우, 지상연소시험을 통해서는 추진기관의 압력 및 추력과 시간에 관한 결과만을 얻을 수 있기 때문에 포트 성능에 관련된 계수 중, 1개는 임의로 결정하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 수축계수 를 수치해석을 통해 찾아내어 사용하였다.
수축계수를 구하기 위하여 2.3절에서 정의된 시험용 모터의 형상을 이용하여, 2차원 축 대칭 유동해석을 수행하였다. 해석은 Fluent v.
시험용 모터의 지상 연소시험 결과 얻어진 압력 추력 선도는 각각 그림 3과 같으며, 비교를 위하여 모든 시험에서 4초에 TCO가 작동하도록 하였다. 지상연소시험은 각 타입별로 2회 실시하였으며, TCO port를 작동시키지 않은 표준형 모터 시험을 1회 실시하였다.
지상연소시험은 각 타입별로 2회 실시하였으며, TCO port를 작동시키지 않은 표준형 모터 시험을 1회 실시하였다.
본 연구에서 사용한 검증용 로켓 모터는 그림 2에서 보는 바와 같다. 포트 크기에 따른 추력경향을 분석할 수 있도록 A, B, C, D(각각 38.8, 46.0, 53.3, 60.6mm)의 4가지 서로 다른 크기의 포트를 설계하여 시험하였다.[10]

이론/모형

최대가 되는 TCO 포트의 면적이 존재함을 알 수 있었으나, 실제 포트의 크기를 정하기 위해서는 좀 더 정밀한 방법에 의한 성능 예측 및 분석이 필요하다. 이를 위해 일반적인 고체 로켓의 성능예측에 사용되는 다음의 상미분 방정식 형태의 질량, 에너지 보존 방정식을 4차 Runge-Kutta 방법을 사용하여 수치적으로 해석하는 방법을 사용할 수 있다.
3절에서 정의된 시험용 모터의 형상을 이용하여, 2차원 축 대칭 유동해석을 수행하였다. 해석은 Fluent v.5.3의 2 차원 축대칭 2차 upwind solver를 사용하였으며, 표준 k-^ 난류 모델을 이용하였다. 계산의 초기조건 및 경계조건은 모터 설계 압력과 추진제 연소 특성값을 사용하였으며, 해석 결과는 다음과 같이 수축계수를 정의함으로써 표현할 수 있다.

성능/효과

85)와 유사한 값을 보여주고 있다. 또한 포트 크기와 수축계수는 큰 상관관계가 없는 것으로 관찰되었다.
분석 결과에 의하면, TCO 포트의 추력 보정계수는 0.96-0.99 사이의 값을 가지고 있는 것을 알 수 있으며, 질량 유량 보정 계수는 1.0의 값을 유지하고 있는 것을 관찰할 수 있다. 일반적으로 "의 경우, 1.

후속연구

0 이상의 값을 가질 가능성이 작다. 또한 추력의 손실도 팽창부에서 발생하는 노즐 충격파 등의 현상이 없으므로 가능한 큰 값을 가지게 될 것이다. 이와 같이 추진기관의 지상 연소시험 결과가 물리적으로 타당한 값으로 나타났다는 것은 수치 해석으로 예측된 포트의 수축계수가 적절하다는 사실의 반증이 될 수 있다.
결정하는 기법 등을 연구하였다. 이와 같은 연구는 향후 유사한 TCO 시스템을 가진 로켓 모터의 개발에 유용하게 이용될 수 있다.
1 절에서 해석적 방법을 통해 역 추력이. 최대가 되는 TCO 포트의 면적이 존재함을 알 수 있었으나, 실제 포트의 크기를 정하기 위해서는 좀 더 정밀한 방법에 의한 성능 예측 및 분석이 필요하다. 이를 위해 일반적인 고체 로켓의 성능예측에 사용되는 다음의 상미분 방정식 형태의 질량, 에너지 보존 방정식을 4차 Runge-Kutta 방법을 사용하여 수치적으로 해석하는 방법을 사용할 수 있다.

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