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단계식 연소 사이클 액체로켓엔진의 시스템 해석
System Analysis of the Liquid Rocket Engine with Staged Combustion Cycle 원문보기

한국추진공학회 2012년도 제38회 춘계학술대회논문집, 2012 May 17, 2012년, pp.46 - 51  

이상복 (인하대학교 항공우주공학과) ,  임태규 (인하대학교 항공우주공학과) ,  유승영 (인하대학교 항공우주공학과) ,  오석환 (인하대학교 항공우주공학과) ,  노태성 (인하대학교 항공우주공학과)

초록
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본 연구에서는 액체로켓엔진 단계식 연소 사이클의 기본 설계 사양을 도출하기 위한 시스템 해석을 수행하였다. 액체산소를 산화제로 하고 액체수소와 RP-1을 각각 연료로 사용하는 엔진에 대해 사이클 해석을 적용하였다. 엔진의 성능지표인 비추력을 기준으로 하여 실제 개발되어있는 엔진과 1% 이내의 차이를 보였다. 사이클 해석을 위해 개발된 프로그램은 압력과 유량 균형, 터보펌프-터빈의 에너지 균형 조건을 만족하며 주어진 추력에 대한 연료 소모와 비추력 및 각 부품의 기본적인 사양을 도출할 수 있다. 추가적인 제한조건들의 조사가 이루어지면 통합 최적화 프로그램으로 발전시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study aims to develop the performance analysis program on the staged combustion cycle of the liquid rocket engine using liquid oxygen(LOx) as oxidizer, liquid hydrogen(LH2) and RP-1 as fuel. The developed analysis program can obtain the propellant mass flow rate, the specific impulse, and repre...

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 단계식 연소 사이클의 개발 시 예비 설계 단계에서 성능예측을 통해 요구조건에 부합하는 최적화된 엔진의 선정 과정이 반드시 필요하다. 본 연구에서는 단계식 연소 사이클 해석 프로그램을 개발함으로써 성능해석을 통해 엔진과 부품의 기본적인 설계 사양을 도출하였다.
  • 식(1)과 같이 요구추력 Treq를 추진제의 소모량으로 나눈 비추력과 식(2)와 같이 추력을 엔진 중량으로 나눈 추력중량비는 엔진의 주요 성능 지표이다. 시스템 해석은 입력 변수에 대해서 이 두 가지 성능지표를 산출하는데 목적이 있다[2].

가설 설정

  • 배관 시스템의 손실압력은 대기압이나 가속상태 등의 운용 조건에 따라서 달라진다. 본 연구에서는 주연소실 압력이나 예연소기 압력의 일정 비율, 혹은 경험적인 값을 갖는다고 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
RD-170은 구성이 어떻게 되어 있는가? RD-170은 산화제 펌프, 연료펌프, 터빈이 동일한 RPM으로 회전하는 1축 시스템으로 구성되어 있으며 2개의 산화제 과잉 예연소기를 사용한다. 프로그램의 입력값을 RD-170의 실제 값들과 시스템 사양을 고려하여 설정하고 실행한 결과 Table 2와 같은 결과를 얻었다.
단계식 연소 사이클 예연소기의 개수에 따라 어떻게 분류되는가? 단계식 연소 사이클은 예연소기의 개수에 따라 단일 예연소기(Single Pre-burner)와 이중 예 연소기(Dual Pre-burner)로 분류된다. 일반적으로 이중 예연소기라고 하더라도 압력과 혼합비는 두 예연소기를 비슷하게 설정하고 질유량만 다르게 하므로 본 연구에서는 연소기의 개수는 단일 예연소기를 기본으로 설정하고 필요에 따라 터빈으로 유입되는 가스의 질유량만 고려하였다.
단계식 연소 사이클 액체로켓엔진의 성능 해석을 수행한 결과는? 단계식 연소 사이클 액체로켓엔진의 성능 해석을 수행하였다. 성능 해석 프로그램은 유량, 압력, 에너지 균형 조건을 만족시키도록 구성하였으며 SSME와 RD-170과 해석 결과를 비교하였다. 펌프와 터빈의 효율을 제외하면 예비설계 단계에서 사용할 수 있는 수준의 정확도를 나타내었다. 향후 다단 펌프 및 터빈에 대한 해석의 정확도를 높이고 다양한 형태에 대해 적용할 수 있도록 하며, 배관망의 압력 손실, 부품별 무게 추정이 이루어진다면 원하는 요구조건에서의 최적화된 단계식 연소 사이클 설계 인자를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
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