초록 ▼

Ⅰ. 제 목 발사체 동특성 해석 연구 : 포고 불안정성 해석 (5차년도) Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 액체 추진제를 사용한 로켓은 연료 및 산화제를 연소실로 이동시키기 위한 배관, 밸브 등의 추진기관을 가지게 된다. 이러한 추진기관은 발사체의 구조 시스템과 간섭을 일으켜 불안정성(pogo)을 야기 시킬 수 있다. 이러한 불안정성은 추진기관을 지나는 산화제와 연료의 압력이나 유량을 변화시키며, 이 변화는 연소실 연소성능에 영향을 주게 되어 추력을 변화시킨다. 변화된 추력은 다시 전체 로켓에 영향을 주고 그 영향은 추진기관에

Ⅰ. 제 목 발사체 동특성 해석 연구 : 포고 불안정성 해석 (5차년도) Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성 액체 추진제를 사용한 로켓은 연료 및 산화제를 연소실로 이동시키기 위한 배관, 밸브 등의 추진기관을 가지게 된다. 이러한 추진기관은 발사체의 구조 시스템과 간섭을 일으켜 불안정성(pogo)을 야기 시킬 수 있다. 이러한 불안정성은 추진기관을 지나는 산화제와 연료의 압력이나 유량을 변화시키며, 이 변화는 연소실 연소성능에 영향을 주게 되어 추력을 변화시킨다. 변화된 추력은 다시 전체 로켓에 영향을 주고 그 영향은 추진기관에 전달된다. 이러한 간섭 효과가 심한 경우에는 연소실이 파괴되기도 하며, 연소실이 파괴되지 않더라도 축방향의 진동으로 인해 자세제어에 영향을 받아 발사궤적의 오차가 생길 수도 있으므로, 이에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 주어진 액체 추진 발사체의 추진기관과 구조 시스템을 연계하여 포고 불안정성에 관한 해석을 하는 것을 목적으로 하고 있다. III. 연구개발의 내용 및 범위 본 연구에서는 주어진 액체 추진 발사체에 대하여 포고 현상이 일어날 가능성이 있는지를 판별하고, 포고 현상이 일어날 가능성이 있을 경우 이를 제어하는 방법을 연구한다. 구조의 모델은 유한요소법을 이용하여 얻은 고유 진동수와 고유 모드를 사용하여 만든다. 추진계 해석은 각 구성품들을 질점요소(lumped element)로 보고 선형화한 식을 통해서 추진 시스템을 구성한다. 구조에서 얻은 고유모드와 고유진동수, 추진계에서 얻은 각 요소의 구성방정식을 바탕으로 구조와 추진계 사이에 상호작용하는 힘의 전달식으로 두 시스템을 연계하여 전체 시스템 방정식을 완성한다. 전체 시스템 방정식의 고유치 해석을 통해서 얻은 시스템 고유치와 시스템 감쇄비를 이용하여 포고현상이 일어날 가능성을 판별한다. 포고제어방법으로는 완충기를 배관에 연결하여 시스템의 안정성을 높이는 방법을 사용한다. 시스템의 안정도를 목적함수로 하고 최적화개념을 이용하여 완충기의 위치와 규격을 설계하는 방법을 제시한다. IV. 연구개발결과 주어진 액체 추진 발사체의 구조 시스템과 추진기관을 연계하여 구조-추진 연계 시스템을 구성하였다. 연계 시스템의 고유치 해석을 통하여 포고 안정성을 평가하였다. 본 해석방법의 검증을 위하여 추진기관의 각 계수들을 변화시켜 그에 따른 시스템의 안정성을 예측하였다. 각 추진기관의 계수를 변화시키면서 예측한 안정성과 해석을 통해서 얻은 시스템의 안정성은 같은 경향을 보인다는 것을 확인하였다. 시스템의 안정도를 높이기 위한 방법으로 완충기를 도입하였고 최적화된 완충기의 설계방법을 구현하였다. V. 연구개발결과의 활용계획 본 연구에서 사용한 연계 시스템 구성 방법 및 안정성 판별 방법은 KSR-III 뿐 아니라 다른 형태의 액체 추진 발사체에 대해서도 적용 가능하다. 또한, 본 연구에서 제안한 완충기의 최적화 과정은 완충기 설계를 위한 지침(guide line)으로 사용될 수 있다. 본 연구의 결과를 활용하여, 발사체 개발 과정에서 반복되는 추진기관과 구조 시스템의 설계 변경에 대한 포고안정성 해석을 용이하게 수행할 수 있다.

Abstract ▼

Pogo is the instability resulting from the interaction between rocket structure and propulsion system of liquid propellant rocket. The natural frequencies of rocket structure increase with the flight time. And the natural frequencies of propulsion system vary with the flight conditions. In certai

Pogo is the instability resulting from the interaction between rocket structure and propulsion system of liquid propellant rocket. The natural frequencies of rocket structure increase with the flight time. And the natural frequencies of propulsion system vary with the flight conditions. In certain circumstances, the coupling of structure and propulsion system can lead to severe problem in rocket. Therefore, the analysis of pogo is the essential part in developing liquid propellant rocket. In this study, the analysis method and the suppression method of pogo are proposed. For the analysis of pogo, a time-invariant linearized mathematical model of the system is developed for a selected flight time. Propulsion system is modeled using element representations for each components(duct, junction, accumulator, tank outlet, pump, thrust chamber). The constitutive equation of propulsion system is a homogeneous second-order equation form in the Laplace domain. Rocket structure is modeled using FEM. From the results of modal analysis of structure, the behavior of structure can be approximated by finite number of modes. System equations for coupling structure and propulsion system are composed of all propulsion system equations and vehicle motion equations reacting on the vehicle by each component of propulsion system. The stability of system matrix is obtained by the eigen solution of system matrix. The analysis of pogo is applied to an example. The validity of pogo analysis is verified by limit case analysis. The optimization of the design variables such as size, place, and properties of accumulator for suppressing pogo instability is carried out. As a result, the optimal parameters of accumulator are obtained. This article of study can be used to determine the degree of stability, and guide the design of pogo suppression system.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 요약문 ...3
• SUMMARY ...5
• CONTENTS ...7
• 목차 ...9
• 1. 연구배경 및 목적...11
• 2. 구조-추진 연계 시스템...15
• 2.1 추진기관...15
• 2.1.2 개요...15
• 2.1.2 수학적 모델링...19
• 2.2 구조 시스템...37
• 2.3 연계 시스템...40
• 2.3.1 추진기관이 구조 시스템에 미치는 힘...40
• 2.3.2 연계 시스템 구성...46
• 3. 포고 안정성 해석...47
• 3.1 고유치 해석...47
• 3.1.1 개요...47
• 3.1.2 시스템 행렬의 고유치 해석...50
• 3.2 KSR-III의 포고 안정성 해석...61
• 3.3 극한 해석...71
• 4. 포고현상 제어...86
• 4.1 진동제어방법...86
• 4.2 완충기를 이용한 포고 제어...89
• 5. 결론...96
• 참고 문헌...97
• 부록...99
• 부록 A...99
• 부록 B...103
• 부록 C...107
• 부록 D...111