초록 ▼

□ 연구개발의 목적 및 내용
최근 진행중이거나 계획되고 있는 국내 인공위성관련 프로젝트 등으로 이원 액체추진제를 사용하는 인공위성용 추진기관에 대한 장래수요가 전망되고 있다. 본 연구는 우주기술의 핵심인 인공위성용 추진기관의 국내 개발을 주목적으로 하며, 향후 우주개발에 중요하게 활용될 수 있는 액체 추진제 로켓 엔진의 설계, 제작 및 시험을 위한 기초기술의 축적을 목적으로 한다. 이것은 관련분야에 대한 기술선진국의 기술장벽을 능동적으로 극복하고, 향후 본격적인 국내 우주개발을 효과적으로 수행하기 위한 중요한 단계이다.

□ 연구개발의 목적 및 내용
최근 진행중이거나 계획되고 있는 국내 인공위성관련 프로젝트 등으로 이원 액체추진제를 사용하는 인공위성용 추진기관에 대한 장래수요가 전망되고 있다. 본 연구는 우주기술의 핵심인 인공위성용 추진기관의 국내 개발을 주목적으로 하며, 향후 우주개발에 중요하게 활용될 수 있는 액체 추진제 로켓 엔진의 설계, 제작 및 시험을 위한 기초기술의 축적을 목적으로 한다. 이것은 관련분야에 대한 기술선진국의 기술장벽을 능동적으로 극복하고, 향후 본격적인 국내 우주개발을 효과적으로 수행하기 위한 중요한 단계이다.
본연구는 인공위성의 궤도진입시 사용되는 원지점 차넣기 엔진(Apogee Kick Engine)의 개발에 필수적인 성능해석 및 핵심부품의 국산화 개발을 위한 연구의 1차년도 과제이다. 이원 액체 추진제를 사용하는 1780N(400Ib_f급의 액체추진제 인공위성용 추진기관의 개발을 위하여, 1차년도에는 핵심부품별 개념 및 상세설계, 성능해석, 수류시험용 시작품의 제작 및 수류 성능시험을 수행하였다.
□ 연구결과
인공위성 궤도조종용 추진기관은 1.38MPa(200psi)의 연소실 압력으로 4초동안 1780N(400Ib_f의 평균추력을 내도록 설계되었다. 산화제로 질산, 연료로 트리에틸렌 아민과 자이리딘의 혼합물로 구성된 접촉발화형 이원 액체추진제를 사용하며, 추진제를 가압방식에 의한 충돌형 분사방법으로 가압, 분사, 미립화, 그리고 기화 후 연소시키게 된다.
효율적인 설계를 위하여 설계전용 소프트웨어를 개발하여 사용하였으며, 추진기관의 핵심부품별로 유동해석을 수치적인 방법으로 수행하였고, 해석결과를 바탕으로 설계를 수정, 보완할 수 있었다. 추진기관의 지상 연소 및 수류 성능시험을 위하여 추진제 공급장치 및 계측 시스템이 설계, 제작되었고, 시스템의 작동 및 자료처리를 위한 소프트웨어를 개발하여 수류 성능시험에 사용하였다.
추진기관에 대한 설계, 성능해석 및 수류 성능시험을 통하여 초기 단계의 설계/성능분석의 기법을 확보하고, 성능시험 장치를 개발할 수 있었다. 뿐만 아니라, 수류시험용 시작품의 제작 및 성능시험을 통하여 핵심부품에 대한 제작 및 가공기술 능력을 배양할 수 있었다.
2차년도에는 설계, 제작된 추진기관 및 성능시험 장치를 이용하여 연소 및 수류 성능시험을 수행하고, 얻어진 결과를 기초 설계자료로 활용하여 설계능력의 향상을 기할 예정이다.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...19
• 제 1 절 연구개발의 목적과 범위...19
• 제 2 절 추진제...20
• 제 3 절 최적노즐 설계 및 해석...21
• 제 4 절 분사기...22
• 제 5 절 Propellant Feeding...24
• 제 6 절 연소안정성 해석...25
• 제 2 장 추진제...26
• 제 1 절 서설...26
• 제 2 절 추진제의 열역학적 성질...28
• 1. 탄화수소계 연료...28
• 2. 아민계 연료...31
• 3. 산화제...32
• 제 3 절 추진제의 이론성능 해석...38
• 제 4 절 결론...41
• 제 3 장 최적노즐 설계 및 해석...43
• 제 1 절 서설...43
• 제 2 절 최적노즐...45
• 제 3 절 최적노즐 설계...48
• 제 4 절 벨형 노즐설계 적용...51
• 1. 노즐목부분형상 결정...52
• 2. 초기화 곡선 계산...52
• 3. 초기팽창곡선 계산...53
• 4. 노즐 Turning Contour 계산...55
• 제 5 절 결론...61
• 제 4 장 분사기...62
• 제 1 절 서설...62
• 제 2 절 분사기의 설계...64
• 1. 추진제 공급장치...64
• 2. 추진제 분사장치...64
• 제 3 절 분사기의 설계사양...73
• 1. 입력 데이타...73
• 2. 화학평형계산 결과...73
• 3. 엔진성능...75
• 4. 분사기 형상...75
• 5. 공급시간...76
• 6. 추진제 공급장치 형상...76
• 7. 분사기 효율...77
• 제 4 절 단일 요소 분사기의 성능실험...78
• 1. 개요...78
• 2. 수류 실험장치 및 방법...79
• 3. 실험결과...88
• 제 5 절 분사기 조합체의 성능실험...93
• 1. 개요...93
• 2. 비연소 실험장치 및 방법...93
• 3. 실험결과...97
• 제 6 절 분사장치 유동해석...103
• 1. 격자생성...104
• 2. 초기 및 경계조건...109
• 3. 난류모델...110
• 4. 계산 결과 및 검토...110
• 제 7 절 결론...134
• 제 5 장 Propellant Feeding...136
• 제 1 절 서설...136
• 제 2 절 Manifold내부 유동해석...138
• 1. 지배방정식...138
• 2. 수치 알고리즘...141
• 3. 다중블럭 기법...143
• 4. 격자생성...143
• 5. 초기 및 경계조건...147
• 6. 난류모델...149
• 7. 계산 결과 및 검토...150
• 제 3 절 결론...161
• 제 6 장 연소안정성 해석...163
• 제 1 절 서설...163
• 제 2 절 내부유동장에서의 연소해석...165
• 제 3 절 비선형, Nonisentropic 안정성 해석...168
• 제 4 절 연소관내에서의 연소안정성해석 적용...174
• 제 5 절 결론...188
• 제 7 장 결 론...189