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문제 정의
- 충남대학교에서는 cold gas를 이용한 초소형 추력기에 대한 기초실험을 수행하였으며 서울대학교와 경상대학교에서는 마이크로 머시닝을 이용한 마이크로 추력기를 가공하여 성능실험을 하였다.[1] 이에 고체 추진제를 이용한 마이크로 로켓의 성능 향상을 위하여 선행으로 Mesoscale의 로켓을 설계 제작하여 추진제의 고유 성능을 파악하였다. 또한 추진제의 성분비를 변화시키고 각각의 추진제에 대한 기본적인 연소 특성을 파악하였으며, 이로써 마이크로로켓의 설계 시 모터효율(Motor performance) 향상을 위한 발판을 마련하였다.
제안 방법
- S40, S60, S90 3-type의 여러 연소 실험으로 평균 챔버압력과 추력을 측정하고, 연소속도를 구하였으며, 다음 그래프는 S90의 결과이다.
- 결과를 참고하여 최적 마이크로 로켓을 설계하였으며, 노즐목의 직 Meso-scale의 연소실험의 성분비(65:35)에 대한하였다. 압력은 55 psi로 경은 1 mm로 하였다.
- 이루어 졌다. 기본 질량비는 KNO3 : Sorbitol = 65 : 35 로 하고 추진제의 비율을 70 : 30, 60 : 40 로 바꿔가며 성능파악에 대한 기초연구를 하였다. 추력측정을 위한 미세추력측정장치(TMS) 는 판스프링을 이용한 추력측정장치로 카티아를 이용하여 설계 제작하였다.
- 연소속도 측정을 위해 설계되었다. 또한 비열비(k), 분자량(M), 챔버온도⑴) 등 추진제 성분에 대한 기본적 요소는 FEP Prograg의 데이터를 참고흐]였다 마이크로로켓의 효율적인 설계를 위하여 3가지 종류의 SRM을 설계하였다.
- 하였다. 또한 추진제의 비율을 바꿔가며 성능파악이 이루어졌다. KNQi 과 Sorbitol을 주 연료로 하는 추진제는 HTPB/AP를 연료로 하는 추진제에 비해 안전하고, 제작이 용이하다는 장점이 있으며, 기본 질량비는 아래와 같은 연소식에 의하여 선정되었다.
- 추력측정을 위한 미세추력측정장치(TMS) 는 판스프링을 이용한 추력측정장치로 카티아를 이용하여 설계 제작하였다. 압력측정을 위하여 센서로 0~20 bar까지 측정 가능한 압력변환기를 사용하였으며, 센서는 사용 전 압력보정기 를 이용하여 보정 후 사용하였다.
- 이번에 설계한 SRM은 저압부(100 psi 이하)의 정확한 연소속도 측정을 위해 설계되었다. 또한 비열비(k), 분자량(M), 챔버온도⑴) 등 추진제 성분에 대한 기본적 요소는 FEP Prograg의 데이터를 참고흐]였다 마이크로로켓의 효율적인 설계를 위하여 3가지 종류의 SRM을 설계하였다.
- 추진제와 노즐의 성능 평가를 위하여 서로 다른 크기의 노즐목과 챔버압력을 가지는 모터를 설계하였다. 연소형태는 단면연소형으로 설계하였으며, 이는 모터 설계 시 중요한 변수로 작용하는 압력에 따른 연소속도(Burning Rate)를 구하기 위함이다.
대상 데이터
- 설계 제작된 마이크로 로켓은 판스프링을 이용한. 추력측정기어}.
- 기본 질량비는 KNO3 : Sorbitol = 65 : 35 로 하고 추진제의 비율을 70 : 30, 60 : 40 로 바꿔가며 성능파악에 대한 기초연구를 하였다. 추력측정을 위한 미세추력측정장치(TMS) 는 판스프링을 이용한 추력측정장치로 카티아를 이용하여 설계 제작하였다. 압력측정을 위하여 센서로 0~20 bar까지 측정 가능한 압력변환기를 사용하였으며, 센서는 사용 전 압력보정기 를 이용하여 보정 후 사용하였다.
- 추진제로는 KNO0 Sorbitol을 사용하였으며, 기본 질량비는 KNO3 : Sorbitol = 65 : 35 로 하였다. 또한 추진제의 비율을 바꿔가며 성능파악이 이루어졌다.
데이터처리
- 추진제 성분비를 달리한 S40, S60, S90 의 여러 번의 연소 실험에서 추진제에 관한 데이터를 얻을 수 있었으며 Isp와 c* 그래프를 통해 성능을 분석하였다. 전체적으로 추진제의 기본성분비(65:35)를 벗어날 경우 점화 자체의 어려움과 함께 전반적인 성능 저하를 보임을 확인할 수 있었는데 특히 60:40의 경우 고압부에서의 Isp가 여타의 추진제성분비에 비해 크게 둔화 되는 것을 알 수 있었다.
성능/효과
- 즉 산화제의 성분비가 작아질수록 점성효과가 커진다는 것을 의미하며, 점성효과와 노즐 목 감소 효과가 함께 작용하여 Isp의 감소를 초래한 것으로 보인다. 그러므로 마이크로 로켓의 성능향상을 위해서는 노즐목의 감소에 의한 미세추력 기대보다 챔버압의 감소에 의한 미세추력 기대가 효율 적이며, 약간의 산화제 rich 가 추력 성능을 높일 수 있을 것으로 판단된다. 만약 미세 추력을 위한 미소 노즐이 불가피 하다면 비교적 높은 챔버압으로 노즐목에서 고 Re number 상태를 만들어 주는 것이 효율적일 것이다.
- 전체적으로 65:35의 성분비를 가진 추진제의 연소성능이 가장 우수하였으며 연소속도 또한 다른 추진제에 비하여 높았다. 그리고 60:40의 Isp 그래프에서는 압력이 가장 높은 부분에서 오히려 Isp가 감소하는 경향을 보였다. 즉 산화제의 성분비가 작아질수록 점성효과가 커진다는 것을 의미하며, 점성효과와 노즐 목 감소 효과가 함께 작용하여 Isp의 감소를 초래한 것으로 보인다.
- 이론적인 값과 차이가 나는 이유는 열손실에 의한 추력 손실보다는 노즐목의 감소로 인한 효율감소와 함께 불완전연소로 인한 큰 추력 손실 때문인 것으로 판단이 된다. 노즐목 1 mm 모터의 실험데이터에서 압력과 추력이 선형적인 특성을 보이지 못했으며 압력은 설계치보다 크게, 이와 반대로 추력은 설계치 보다 낮게 측정되었다. 이는 노즐 목에서의 유효단면적 감소로 인한 추력감소와 기존의 챔버실험과 마찬가지로 불완전연소로 인한 것임을 확인 할 수 있었다.
- 3%정도 낮은 값을 보인다. 또한 S90의 노즐 목(3 mm)의 감소 효과가 챔버압력의 증가에 따른 Isp의 증가에 좋지 않은 영향을 보이는 것으로 판단된다. 즉 노즐목의 감소로 점성효과로 인한 유효 단면적의 감소가 추력손실을 크게 가져온 것으로 판단된다.
- [1] 이에 고체 추진제를 이용한 마이크로 로켓의 성능 향상을 위하여 선행으로 Mesoscale의 로켓을 설계 제작하여 추진제의 고유 성능을 파악하였다. 또한 추진제의 성분비를 변화시키고 각각의 추진제에 대한 기본적인 연소 특성을 파악하였으며, 이로써 마이크로로켓의 설계 시 모터효율(Motor performance) 향상을 위한 발판을 마련하였다.
- 마이크로 로켓의 연소실험 결과 설계 압력(55 psi) 보다 챔버압력이 높게 측정되었다. 하지만 추력은 설계 추력(0.
- 실험 결과 질량비 KNO3 : Sorbitol = 65 : 35 에서 다60을 제외한 S40, S90의 연소특성이 설계값과 크게 다름을 확인할 수 있었다. 이는 설계압력 대의 연소속도 값이 정확하지 않은 것에서 오는 오차로 분석되며, 실험 결과를 Table 3으로 정리하였다.
- 위의 결과를 분석해 보면 이론적인 값에 대한 실제 연소 시험 결과에서 isp 값은 15%정도, C* 값은 3%정도 낮은 값을 보인다. 또한 S90의 노즐 목(3 mm)의 감소 효과가 챔버압력의 증가에 따른 Isp의 증가에 좋지 않은 영향을 보이는 것으로 판단된다.
- 이는 노즐 목에서의 유효단면적 감소로 인한 추력감소와 기존의 챔버실험과 마찬가지로 불완전연소로 인한 것임을 확인 할 수 있었다. 이런 결과를 종합해보면 미소 추력을 발생시키기 위해 제작되는 추진 장치의 효율을 증진시키기 위해서는 노즐 목에서 가능한 큰 Re수를 가져가는 것이 유리할 것으로 판단된다. 이는 경계층의 점성에 의한 손실을 줄일 수 있으며, 이를 위해서는 고압에서의 마이크로 추진 장치의 설계가 필요할 것으로 판단된다.
- 그래프이다. 전체적으로 65:35의 성분비를 가진 추진제의 연소성능이 가장 우수하였으며 연소속도 또한 다른 추진제에 비하여 높았다. 그리고 60:40의 Isp 그래프에서는 압력이 가장 높은 부분에서 오히려 Isp가 감소하는 경향을 보였다.
- 전체적으로 추진제의 기본성분비(65:35)를 벗어날 경우 점화 자체의 어려움과 함께 전반적인 성능 저하를 보임을 확인할 수 있었는데 특히 60:40의 경우 고압부에서의 Isp가 여타의 추진제성분비에 비해 크게 둔화 되는 것을 알 수 있었다. 이는 노즐 목의 감소에 의한 추력 손실과 Fuel rich에 의한 점성의 증가가 원인으로 판단된다.
후속연구
- 이는 경계층의 점성에 의한 손실을 줄일 수 있으며, 이를 위해서는 고압에서의 마이크로 추진 장치의 설계가 필요할 것으로 판단된다. 또한 안전추진제를 이용한 미소추력 발생은 약간의 산화제 rich 상태를 주어 연소 가스의 점성을 줄여주는 방법을 같이 병행해야 할 것으로 판단된다.
- 이에 노즐목 1 mm인 마이크로 로켓의 성능 향상을 위해 설계 챔버 압력을 조금 더 높여 비교적 높은 Re 상태로 인한 노즐 목에서의 점성효과를 줄이는 방법이 좋을 것 같다. 또한 약간의 산화제 rich 상태를 주어 연소 가스의 점성을 줄여주는 방법을 같이 병행해야 할 것으로 판단된다.
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