한국항공우주연구원에서는 소형의 위성을 원하는 궤도에 투입할 수 있는 최초의 민간 로켓인 KSLV-I을 개발하고 있다. 우주 발사체의 개발에는 큰 스케일과 복잡성, 그리고 기술적 난점에 의한 수많은 불확실성이 존재한다. 이러한 불확실성은 사업적 측면에서는 일정의 차질, 비용의 증가 등을 야기하고 기술적 측면에서는 서브시스템이나 부품단위의 설계 변경 등을 가져오게 된다. 이 연구는 발사체 추진기관에 있어서 fault tree analysis (FTA)를 이용한 기술적 위험 식별과 위험 분석 및 완화의 과정을 보여주고자 한다.

액체로켓엔진에서 고주파 연소불안정을 제어하기 위하여 다단 접선 유입구를 갖는 스월 인젝터를 분석하였다. 음향흡수자로서 인젝터의 효과를 분석하기 위하여 인젝터는 1/4 파장 공명기로 해석하였고, 상온에서 감쇠 효과의 적합성을 검증하였다. 이러한 인젝터는 모델 챔버의 고유주파수에 동조 시킬 수 있는 고유주파수를 갖게 된다. 각각의 모드에 동조된 인젝터를 배(anti-node point)에 장착하여야만, 타겟모드의 진폭을 감소시킬 수 있었고, 큰 지름의 인젝터를 사용하였을 때 보다 큰 진폭의 감쇠를 동반하면서 모드 분리 현상이 나타났다. 이러한 실험 결과로부터 타겟모드에 동조된 인젝터를 적당한 볼륨으로 배(anti-node point)에 장착한다면, 모드 진폭이 감쇠하게 되고, 완전한 배(anti-node point)에서는 모드분리현상이 발생됨을 확인하였다.

반파장 공명기가 장착된 연소실의 비선형 음향 감쇠를 알아보기 위하여 비선형 음향해석을 수행하였다. 먼저 공명기가 없는 기본 연소실에 80 dB에서 150 dB의 넓은 범위의 음향파를 가진하여 음향장을 분석하였다. 제 1 접선방향 음향 모드의 감쇠율은 가진되는 음향파의 크기에 따라 비선형적으로 증가하였고, 125 dB 이상부터 비선형성이 나타나기 시작했다. 다음으로 반파장 공명기의 감쇠 효과를 조사하였다. 선형해석으로부터 유도된 최적의 음향학적인 동조 조건이 비선형 음향해석에서도 여전히 유효함을 알 수 있었다. 큰 음향파의 섭동에 대한 감쇠는 효과적이지만, 선형 음향 가진에 비해서 음향학적인 감쇠기로써의 기능은 작아짐을 알 수 있었다.

초음파를 이용한 로켓 모타의 비파괴검사는 X-ray 검사에 비하여 경제성이 우수하고, 미접착 등의 결함 검출이 우수한 편이다. 그리고 전용 시설 없이 현장에서 실시간으로 검사가 가능하며 방사선 작업에 비하여 안전한 방법이다. 본 논문에서는 초음파 다중반사에 의한 추진제/라이너 미접착 검출 기법에 대하여 실험 및 이론적 모델링으로 분석하였다. 실험 결과, 추진제/라이너 미접착의 신호가 정상 접착과 구별되는 뚜렷한 신호 차이를 보였으며, 실험에서 측정한 신호와 이론적 모델링 신호가 대체적으로 일치하였다.

마이크로 인공위성의 자세제어를 위한 마이크로 추진장치에 대한 연구는 대부분 기존의 추진장치를 소형화하는 방향으로 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 미소추력 발생을 위한 노즐의 소형화로 인한 점성손실, 배압에 의한 손실 등을 대기압실험, 진공환경실험, CFD 해석을 통하여 검증하였다. 또한 마이크로 노즐에서의 유동 손실을 극복하기 위한 방법으로 열적발산원리에 대해 이론적 접근을 시도하였다. 마이크로 추진장치에 적용을 위한 열적발산원리는 움직이는 부품 없이 오직 온도 구배만으로 유동을 제어할 수 있기 때문에 추진장치의 소형화로 야기되는 손실을 극복할 수 있을 것으로 기대된다.

고고도에서의 노즐 플룸 해석에 가장 일반적으로 사용되는 CFD 기법은 DSMC 방법이다. 본 논문에서는 DSMC 방법으로 만들어진 러시아 ITAM 연구소의 SMILE 코드를 사용하여 Rothe 마이크로노즐 내부유동을 시뮬레이션 하였다. 또한, SMILE 코드 결과의 유효성(신뢰성)을 확보하기 위하여 레이놀즈 수에 따른 노즐 내부 centerline의 온도를 Rothe의 실험치와 비교하여 검증하였다.

액체산소를 작동유체로 하여 추진제 공급배관에 대한 충진 및 대기 시험을 수행하였다. 추진제 공급 시스템은 추진제 탱크의 출구에 필터가 장착된 형상이다. 추진제의 충진이 완료된 후 대기 과정동안 액체산소의 증발과 이것이 시스템의 재순환 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 추진제의 충진 속도와 탱크 얼리지의 압력이 배관 내 액체산소의 상태에 영향을 미치는 것을 확인하였다. 필터의 장착 위치로 인해 대기 과정동안 배관 내부에서 geysering 현상은 발생하지 않았다.

본 연구에서는, 다분야 통합 해석을 이용한 순항미사일 형상 최적설계를 수행하였다. FORTRAN을 이용하여 개발한 공력, 중량, 성능 및 임무 해석 모듈을 프레임워크를 통하여 통합하였으며 최적화를 위하여 전역최적화 도구인 다윈 알고리즘을 사용하였다. 최적설계 결과, 다른 설계 구속조건을 만족시키면서 17% 가량 전체 무게를 줄일 수 있었다.

기존에 사용되는 피에조 타입의 센서는 추력의 측정 범위가 제한되어 있으므로 이를 개선하고자 레이져 변위측정기와 cantilever를 이용하여 변위 측정 장치를 개선하였고, 스테인레스 캐필러리를 이용하여 추력 모델을 만든 후 추력을 측정하였다. 이와 더불어 extrude shape의 노즐을 갖는 마이크로 추력 장치를 PMMA(Polymethyl methacrylate)를 이용하여 공정하였으며, 매니스커스의 형상 변화를 관찰하였다.

마이크로 인공위성에 적용 가능한 마이크로 추력기를 개발하기 위해서는 우주환경을 모사할 수 있는 진공설비가 요구된다. 본 논문에서는 $10^{-5}$ torr의 진공도를 유지할 수 있는 진공설비를 구축하였고, 이 장비는 $100{\sim}120km$의 고도를 모사할 것으로 기대된다. 실제 장비운용에 앞서 사용할 펌프의 성능을 예측하고 저진공 펌프를 작동시켜 이론에 의한 예상 진공도와 실험을 통한 진공도를 비교 분석하였다.

고속회전의 원심력으로 연료를 공급하고 액체연료의 미립화를 초래하는 회전연료분무장치에 대한 분무특성 시험연구를 수행하였다. 특정한 공간상에 존재하는 액적의 특성을 이해하고자 고속회전 연료분사시스템을 설계 제작하였다. 시험장치는 고속으로 회전하는 Spindle, 회전연료노즐, 가압식 물탱크, 아크릴 케이스로 구성하였다. 액적의 크기와 속도를 측정하기 위해 PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)시스템을 사용하였고, ND-Yag Laser를 사용하여 분무를 가시화 하였다. 시험결과 고속회전 연료분사시스템의 분무특성을 확인할 수 있었고, 회전속도는 액적 크기, 속도, 분무각 및 분무패턴 등의 분무특성에 주요한 영향을 미치는 것으로 확인되었다.

액체로켓추진시스템에서 추진제 가압시스템은 추진제가 저장되어 있는 탱크의 얼리지 공간에 가압제인 가스를 제어된 압력으로 공급하는 것이다. 이러한 추진제 가압시스템의 가장 중요한 설계변수는 극저온 추진제 탱크 내에 설치된 가압제 탱크에서 토출되는 가압제의 온도이며, 기체 상태인 가압제의 밀도는 토출되는 가압제의 온도에 따라 민감하게 변한다. 이전 연구에서는 상온 가압제와 상온 외부유체 간의 온도 상관성에 대하여 수행되었으며, 본 연구에서는 현재 개발 중인 액체로켓추진 발사체의 가압시스템과 동일한 조건인 극저온 가압제(GHe)와 극저온 외부유체(LOX)를 적용하여 가압제 탱크에서 가압제 토출 시 강하되는 온도 변화를 실험 및 해석을 통하여 고찰하였다.

항공기 엔진 흡입구는 개발시에 조류 충돌에 대한 충분한 안전성을 검토하여 설계되어야 한다 항공기의 속도가 점차 증가함에 따라 FOD(Foreign object damage)에 따른 항공기의 사고가 증가하고 있다. 특히 이착륙시 활주로 주변 새들에 의한 항공기 사고는 경제적 손실을 비롯해 탑승객의 생명과 연결되는 중요한 문제이다 본 연구에서는 유한 요소 상용 코드인 MSC/DYTRAN을 이용해 엔진 흡입구 낫셀 구조에 대한 조류 충돌 해석을 수행하였다. 해석 결과의 타당성 검증을 위해 선행 연구 결과와 비교한 후 조류 충돌 해석 결과의 거동을 분석하였다.

희박 예혼합 스월 연소기의 난류 연소와 화학반응간의 간섭 메커니즘을 파악하기 위하여 Large Eddy Simulation(LES)을 수행하였다. 난류 화염의 유동 특성을 자세히 살펴보기 위하여 비정상 난류 연소 수치해석 기법을 적용하여, 약간의 연료 덩어리가 일차연소영역(Primary combustion zone)에서 빠져나와 선회 방향으로 흘러 국부적 핫스팟(hot spot)을 발생시키며, 이는 large vortical structure를 만들어 내는 것을 관찰 할 수 있었다. 압력변동과 비정상 열 방출 사이의 관계는 공간 및 시간적 Rayleigh parameter에 의해 고찰되었다.

본 연구에서는 터보 팬 엔진 나셀 복합재 구조의 충격 손상에 관한 연구를 수행하였다. 연구 결과의 신뢰성 검증을 위해 선행 연구된 결과와 비교 분석하였다. 샌드위치 구조의 형상은 카본/에폭시 면재와 폼 코어로 형성되어있다. 샌드위치 패널의 유한 요소 해석 결과 해석 결과의 타당성을 확인하였다. 초기 손상이 발생하는 속도가 평가되었고 예측된 속도에서 충격 해석이 수행되었다. 충격 해석 결과 예측된 충격 손상에서 손상이 발생하는 것으로 확인되었다.

스크램제트의 연소실 내부로 유입되는 공기의 속도는 초음속으로 체류 시간은 수 ms로 매우 짧다. 이 짧은 시간 안에 연료분사, 공기-연료 혼합, 연소과정이 모두 이루어져야 한다. 공기와 연료의 혼합을 증대하는 방법은 여러 가지가 제시되었다. 이중 자유류 마하수 2.5의 단일분사 방법에서의 cavity를 이용한 혼합증대 특성을 알아보기 위해 수치해석을 수행하였다. 사용된 코드는 동일조건의 실험결과와 비교하여 검증하였고 이를 통해 Cavity에 의한 혼합증대 특성을 확인할 수 있었다.

장기 체공 무인 항공기를 위한 연료 전지 동력 시스템을 개발하였다. 기존의 고압 수소 저장 방식의 문제점을 해결하기 위해 높은 에너지 밀도를 갖는 액상의 화학 수소화물을 연료로 사용하였다. 수소화물을 전환하여 수소를 발생하는 연료 공급 장치는 촉매 반응기, 펌프, 연료 카트리지, 분리기, 제어기로 구성되어 있으며, 전력을 발생하기 위한 연료전지 스택과 함께 연료 전지 동력 시스템을 무인 항공기에 탑재하였다. 연료 전지 동력 시스템을 무인 항공기에 적용하기 위한 성능 검증을 수행하였다.

마이크로 고체 추진제 추력기의 점화 시스템의 제작 및 점화 실험에 관한 연구 결과를 기술하겠다. 유리 박막 마이크로 백금 점화기는 일반적인 금속 박리 공정과 감광 유리 제작 공정을 이용하여 제작되었다. 백금 층의 두께는 $2000{\AA}$, 점화기 패턴의 폭은 $40{\mu}m$ 였다. 제작된 유리 박막의 두께는 $15{\mu}m$, 유리 박막의 지름은 1 mm 였다. HTPB/AP 추진제를 이용하여 점화 실험을 수행하였다. 12 V의 전압을 사용한 경우, 점화 지연 시간은 1.6 s 였으며 이 때의 점화 에너지는 1.4 J로 측정되었다.

산화제 과잉 예연소기용 인젝터의 분무특성을 연구하였다. PDPA 측정은 인젝터의 압력 조건이 연료 $25kgf/cm^2$와 산화제 $10kgf/cm^2$일 때 수행하였다. 노즐 끝단으로부터 100 mm일 때 액적크기는 $210{\mu}m$이며, 액적 속도는 38 m/s로 측정되었으며, 액적 속도는 노즐 끝단에서 멀어질수록 감소였다. 산화제 분무가 산화제과잉 분사기의 혼합특성을 지배하는 주된 인자임을 확인하였다.

본 연구에서는 과산화수소 분해 반응을 이용한 초소형 추력기에 대한 성능 평가 실험을 수행하였다. 촉매 베드로는 질량 대 면적 비가 큰 다공성의 세라믹 물질($Isolite^{(R)}$)을 사용하였다. 14%wt의 백금이 촉매로서 촉매 베드에 코팅되었고, 단일추진제로는 85% 과산화수소를 사용하였다. 촉매 베드의 길이와 과산화수소의 가압 압력을 변수로 정하였다. 모든 실험은 콜드 스타트 조건에서 30초간 수행되었다. 매 실험마다 압력을 측정하여 $c^*$ 효율을 계산하였다. 촉매 베드의 길이가 30 mm이고 가압압력이 5.51 bar일 때 95% 이상의 만족스러운 $c^*$ 효율을 보였다.

The spray plume characteristics of liquid water jet injected into subsonic cross-flow at 42 m/s were experimentally investigated. Nozzle has a 1.0 m diameter and L/D=5. Droplet sizes, velocities, volume flux were measured at each downstream area of the injector exit using phase Doppler particle anemometry. Measuring probe position is moved with 3-way transversing machine. Experimental results indicate that SMD is varied from 75 to $120{\mu}m$ distribution and it is uncertain layer structure. SMD peaks at the top of the spray plume. This phenomenon is related to the momentum exchange between column waves and cross-flow stream. Droplet vector velocities were varied from 11.5 to 33 m/s. A higher-velocity region can be identified in down edge region at Z/D : 40, 70 and 100. Lower-velocity region were observed on bottom position of the spray plume. Volume flux is a criterion to the droplet concentration. All volume flux distribution has a same structure that continuously decreases from the center region to the edge of the plume. Z/D : 20 is spatially less concentrated than in Z/D : 100.

하이드라진 추력기에 적용되는 분해촉매의 국산화 개발과정에 필수적으로 요구되는 사항이 추력기를 통한 성능평가 과정이며 특히, 추력기의 임무수명 요구조건을 평가하는 장기성능 연소시험을 통해 촉매에 대한 최종적인 성능검증이 이루어지게 된다. 본 논문에서는 이에 대한 사항으로 촉매에 대한 성능평가 및 장기성능시험에 대한 시험과정, 시험 시퀀스 및 결과분석에 대해 기술하였다.

본 연구는 액체로켓엔진에 장착되는 압력 선회 분사기의 분무 모델에 대해 연구하였고, 특히 액적분포함수에 대한 영향을 고찰하였다. KIVA에 기존의 함수인 $X^2$와 Rosin-Rammler 및 수정된 Rosin-Rammler 함수에 대해 이론적으로 고찰하였고, 액체로켓엔진에 장착되는 압력 선회 분사기와 유사한 경우에 적용하였으며, Rosin-Rammler 분포가 액체로켓엔진에 장착되는 압력 선회 분사기의 분무 특성에 잘 부합되는 것을 파악할 수 있었다.

본 연구에서는 발사체 추진제 탱크에 적용되는 압력 릴리프 밸브에 대한 모델링 방법을 제시하였다. 압력 릴리프 밸브의 유동저항은 밸브 스탬의 정지 위치에 대한 이동거리에 의해서 결정된다. 밸브 스탬의 위치는 스탬의 질량, 스프링의 탄성계수, 마찰저항, 차압 등에 의존하며 일반적으로 시스탬 운용 시간에 걸쳐 변하게 된다. 본 연구에서는 이러한 밸브 스템부 운동 및 그에 따른 유동저항의 천이를 제시하였다. 다른 종류의 밸브와는 달리 압력 릴리프 밸브는 일반적으로 밸브 전 후단의 차압이 크기 때문에 밸브목 근처에서 유량이 음속에 의해 제한되는 쵸킹 현상이 발생한다. 따라서 압력릴리프 밸브 설계 시에는 이러한 쵸킹 현상을 고려해야 하며 본 논문에서는 쵸킹을 고려한 경우와 고려하지 않은 경우에 대한 결과를 비교하여 제시하였다. 또한 스탬부 직경 및 스프링 탄성계수에 의한 밸브의 벤트 성능을 제시하였다.

본 논문은 고압 축소형 액체로켓엔진 연소기의 연소 성능과 특성에 관한 것이다. 4개의 고압 축소형 연소기 모델에 대하여 연소시험을 수행하였다. 고압 축소형 연소기는 크게 분사기 헤드부, 재생냉각 방식의 연소실부, 그리고 강제 물냉각 노즐부로 구성되어 있고, 1개의 모델은 연소실을 냉각한 연료가 헤드부로 유입되는 재생냉각 방식의 연소기이다. 연소압력은 70 bar이며 재생냉각 방식의 연소기 모델은 연소시험 중 고주파 연소불안정이 발생하여 하드웨어가 손상되었다. 각각의 고압 축소형 연소기의 연소시험 결과, 성능 비교 및 정압, 동압 특성에 대해 기술하였다.

막냉각이 적용된 액체로켓엔진의 비추력 최적조건을 분석하였다. 본 연구에서 구한 엔진의 비추력 성능을 문헌에 소개된 가스발생기 사이클 엔진의 개념설계와 비교하여 적절한 정확성을 가지는 것을 확인하였다. 비추력을 극대화할 수 있는 조건으로 최적의 막냉각 유량과 재생냉각 용량의 조합이 제시되었다. 추력이 증가될 경우, 막냉각 유량이 감소하고 연료펌프 차압은 증가한다. 터빈 입구온도 증가에 따라 최적 조건의 막냉각 유량과 연료펌프 차압이 증가한다. 코킹 온도 증가 역시 터빈 입구온도와 정성적으로 동일한 영향을 가진다.

케로신과 디젤은 단일 구성물이 아닌 여러 가지 탄화수소 연료로 이루어진 혼합연료이며 화학반응 메커니즘에 대한 모델링이 매우 어려운 실정이다. 본 연구에서는 Dagaut가 개발한 298 화학종, 2352 화학반응 단계를 이용하였으며 완전혼합반응기 연소모델을 적용하여 농후 연소 비평형 화학 반응을 계산하였다. 또한 Frenklach의 soot 모델을 적용하여 soot 생성 연구를 수행하였으며 Dagaut의 화학반응 모델에 Appel이 제안한 화학 반응 단계를 추가하여 케로신과 디젤 연료에 대한 soot 모사를 가능하게 하였으며 수정된 모델은 간단한 soot 반응 메커니즘을 사용하였음에도 불구하고 soot 생성 예측이 가능하였다.

동축 스월 인젝터 중에서 연료 인젝터의 스월 챔버 유무에 따른 인젝터 페이스의 냉각 특성을 알아보기 위해서 연료의 스월 챔버의 유무 조건만 다르고 모든 설계 조건이 같은 두 개의 인젝터를 만들었으며, 장시간 연소가 가능하도록 물을 이용한 재생 냉각 채널을 인젝터 페이스에 설치하였다. 두 개의 인젝터를 이용하여 연소 실험을 수행한 후 인젝터 페이스의 냉각 특성을 비교하였고, O/F ratio 2.0일 때와 O/F ratio 1.7일 때의 연소 특성 및 인젝터 페이스의 냉각 특성을 살펴보았다.

로켓 엔진에서 연소챔버 내의 압력섭동에 의해 발생되는 추진제 유량변동에 대한 현상을 파악하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해 압력섭동이 발생되었을 때 유량변동의 측정에 대한 정량화를 수행하였다. 오리피스 내의 유동의 속도를 알기 위해 오리피스 내의 압력을 측정한 후 이론식에 입각하여 속도를 풀었고, 액막두에 측정장치를 이용하여 오리피스 내에서의 면적을 측정하였다. 정상상태에서의 속도 및 유량을 분석값과 비교한 결과, 매우 작은 오차내에서 일치함을 알 수 있었다. 따라서, 본 연구에서 도출된 이론식을 바탕으로 비정상상태에서의 유량 변동 측정을 수행하는데 큰 역할을 할 수 있을 것이다.

PIV 및 DPDA 측정을 통해 액체로켓엔진 인젝터의 분무특성에 대한 연구를 수행하였다. 분무거동에 대한 합격-불합격 여부를 판단하기 위해 PIV 기법에 의해 순간평면이미지를 촬영하고, DPDA를 통해 분무액적의 속도 및 직경을 측정하였다. 분무특성에 대한 명확한 이해를 바탕으로 향후 사용될 인젝터의 설계변수 도출 및 성능 평가가 본 연구의 궁극적인 목적이다.

은 촉매는 과산화수소 촉매분해에 많이 사용되지만, 상온에 시동이 어렵고 높은 온도에 적용하기 곤란하다. 본 논문에서는 은이 가지고 있는 단점을 극복하기 위해 기화기와 고온 촉매 베드로 구성된 이원 촉매 베드에 대한 연구를 수행하였다. 백금을 기화기 촉매로, perovskite 구조를 가지는 촉매를 고온 촉매로 선정하였고, 가스발생기를 이용한 시험을 통해 상온에서 예열이 없이도 시동이 가능함과 고온에서 안정적으로 작동함을 보여주었다.

슬러리와 젤 추진제에 대한 최근기술동향과 주요기술을 분석하였다. 선진국에서는 1950년대부터 연구를 통하여 이러한 추진제가 가진 높은 비추력과 밀도, 우수한 취급성, 안전성, 그리고 추력조절 가능성과 같은 장점을 확인하였다. 추진제의 유변특성, 분무/연소 현상, 그리고 추진제 특성을 고려한 추진시스템 설계 등이 활발히 연구 되었다. 이 추진제는 군용 전술미사일 추진기관외에 민수용으로 램제트, 펄스폭발 엔진과 차세대 추진방식인 복합엔진에도 적용을 목표로 개발되고 있다.

The mode transition from cone-jet to dripping in colloid thruster operation has been analytically investigated. The transition has been predicted by the dynamic behavior of a liquid drop at the tip of the cone-jet. Conservation laws are applied to determine the upward motion of the drop, and an instability model of electrified jets is used to determine the jet breakup. Finally, for the first time, the analysis enables prediction of the transition in terms of the Weber number and electric Bond number. The predictions are in good agreement with experimental data.

현재 예비설계가 진행 중인 새로운 다목적실용위성은 자세 및 궤도조정을 위해 4.45 N의 단일추진제 추력기를 장착할 예정이다. 본 논문에서는 추력기 작동시 분출되는 플룸이 위성에 미치는 영향을 살펴보기 위해 직접모사법(Direct Simulation Monte-Carlo Method)을 이용해 3차원 위성체 기저부 형상에 대해 수치해석을 수행하였고, 이를 통해 플룸의 온도 및 밀도 분포와 태양 전지판으로의 복사열전달 양을 예측하였다.

액체 및 고체추진기관의 내열부품으로 사용하기 위하여 Liquid Silicon Infiltration(액체 실리콘 함침) 공정이 적용된 C/SiC 복합재료를 개발하였다. 탄소섬유 및 탄소직물을 사용하여 필리멘트 와인딩, 테이프 롤링 및 인벌루트 적층 공법이 사용된 다양한 탄소 프리폼이 제작되었다. 내열 부품으로써의 열구조 성능을 극대화시키기 위하여 SiC 함유량, 열처리 조건, 수지 및 기상 함침 조건을 변화시키면서 시편을 제작하고 평가하였다. C/SiC 복합재료를 액체 및 고체추진기관의 내열부품으로 사용하기 위하여 연소시험을 수행하였으며 내열 성능 해석을 위한 수학적 삭마 모델이 개발되었다.

고무제품의 경우 구조성능평가를 위해 단축인장, 순수전단, 이축인장 및 압축시험을 수행한다. 일반적으로 단축인장시험값을 기초물성으로 사용하며 용도에 따라 다른 시험을 수행한다. 검증을 위해 단축인장시험/해석 결과를 비교하여 타당성을 확인했다. 본 연구에서는 전단강성이 주요인자인 제품의 성능평가를 위해 단축인장시험에서 획득한 물성을 적용한 QLS 해석모델의 결과를 비교, 검증하였다.

KSLV-I은 100 kg급의 인공위성체를 지구 저궤도에 진입시키는 국내 최초의 우주발사체이다. 이 우주발사체는 2단으로 구성되어 있으며, 고체 추진기관인 2단은 순수 국내 기술로 설계, 제작 및 인증시험을 통하여 임무를 수행하게 된다. KM의 연소관은 중량의 감소와 성능의 증대를 위하여 체결을 위한 구조체를 제외하고 복합재료를 사용하여 제작하였다. 연소관의 제작 공정인 내열재, 필라멘트 와인딩, 각종 인터페이스 체결을 위한 구조물의 조립 공정 등에 대하여 논하고자 한다.

혼합형 고체 추진제 혼화방법은 배치 믹서를 사용하는 방법과 연속식 믹서를 사용하는 방법이 있다. 배치 혼화는 믹서에 추진제를 첨가하면서 블레이드를 회전시켜 혼화하는 방법이며, 연속식 혼화는 추진제를 연속식 믹서에 정량적으로 이송하여 혼화한 후에 deaerator에서 공기가 제거되면서 충전장비로 공급되는 방법이다. 미국 Aerojet사와 프랑스 SNPE Materiaux Energetiques사의 기술을 조사 고찰하여 소개하고자 한다.

하이브리드 추진 시스템에서의 HTPB 연료의 연소특성에 관한 연구를 수행하였다. 본 실험에서는 연료는 HTPB, 산화제는 GOX를 사용하였다. 산화제의 유량은 직경이 다른 여러개의 쵸킹 오리피스로 제어했고, 산화제 공급 유량범위는 $13.8{\sim}42.7g/sec$ 이었다. 본 실험의 HTPB 결과와 외국의 연구 결과를 비교하였으며, PE와의 연소성능을 비교 분석하였다. 하이브리드 추진 시스템의 고체연료로서 HTPB가 PE보다 연소율 및 효율이 높음을 확인하였다.

분리장치란 두개의 구조물을 결합하고 필요에 의해 분리할 수 있는 기능을 가진 장치이다. 본 논문은 이와 같은 기능을 화약의 폭발 및 연소시 발생하는 에너지를 이용하여 수행하는 파이로테크닉 수에 관한 것이다. 화약의 폭발력에 의해 분리가 이루어지는 분리장치로는 폭발볼트가 있다. 폭발볼트의 경우 작동 개념이 단순하고 또한 구성 부품의 수가 적기 때문에 신뢰성 면에서 뛰어나지만 분리시 파편 및 파이로 충격을 동반하는 단점이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위하여 개발된 것이 가스팽창분리 볼트와 압력카트리지 작동분리장치이다. 이들 장치는 화약의 연소시 발생되는 압력을 이용하기 때문에 분리시 폭발볼트와 같은 악작용은 없지만 폭발볼트에 비해 사이즈가 대형이거나 기계적 결합강도가 작다는 단점이 있다. 따라서 위에 언급된 분리장치들의 작동 원리 및 특성을 이해함으로써 분리장치 설계시 최적의 사양을 선택하는 것이 가능하다.

Predicting microcracking properties of the composite laminates in nonuniform stress conditions was the subject in this paper. The uniform stress field meant the stresses were independent of the width direction. The material was the 954-2A/IM7 laminates containing a central hole. Microcracks initiated at the edge of the hole and propagated into the laminate. Because the tensile stress concentration decreased with distance, the microcracks were arrested before the edge of the laminate. Because carbon fiber composites were opaque, a x-ray method was used to detect the length of the propagating microcracks. The microcracking at the near edge of the hole could be reasonably predicted by considering the local laminate stresses and the microcracking toughness measured in unnotched laminates. However, the date away from the hole did not agree with the predictions. The local microcrack density was always much higher than that predicted by the local laminate stress.

본 연구에서는 대상체인 소형 위그선의 주날개 구조를 엔진 및 프로펠러의 기진에 의한 강제진동 해석을 수행하였다. 대상 위그선은 2행정의 왕복엔진을 날개의 좌 우에 각각 장착하여 프로펠러에 의한 추력으로 비행하며, 미는 형식(Pusher Type)의 엔진 배열을 취하고 있다. 엔진의 주요 진동 특성인 H-mode 와 X-mode 를 특정 가진 주파수로 하여 주파수 응답 해석을 수행하였고, 엔진의 횡방향 진동 모드인 L-mode를 프로펠러에 회전에 의해 진동을 수반하는 기진 추력으로 가정하여 과도응답 해석을 수행하였다.

본 연구는 로켓 모타의 추진제 점화 특성을 살펴보는 데 그 목적이 있으며 아크 이미지 고온 오븐을 사용하여 혼합형, 복기 그리고 니트라민 추진제를 대상으로 압력 변화에 따라서 점화지연시간을 측정하였다. 추진제 표면의 반사에너지를 측정하기 위해 광섬유 표면 반사계를 사용하였다. 추진제 점화성은 복기 추진제 > 혼합형 추진제 > 니트라민 추진제 순이었으며, 니트라민 추진제 점화에 가장 큰 점화 에너지가 필요했으나 압력이 $75{\sim}400$ psia 범위로 상승함에 따라 점화 지연 시간은 급격히 감소하였다. 소량의 오페시화이어를 첨가함으로써 흡수도를 증가시킬 수 있었다.

하이브리드 로켓의 연소율을 높이기 위해 유동 특성을 바꾸면서 실험을 수행하였고 연소된 연료 내부 표면이 고르지 못한 것을 볼 수 있었다. 그 원인을 밝히기 위해 연료 표면을 관찰하고 유동가시화 실험을 한 결과 거친 연료 표면의 원인이 검댕 때문이고 이것은 국부적인 산화제 부족현상 때문에 발생하게 되었다는 것을 알 수 있었다. 또 연소 시 연료 전체에 발생하는 검댕의 특성은 이 현상이 하이브리드 로켓만의 독특한 특징인 분출효과 때문이라고 예측할 수 있게 해주었다.

최근의 실험 결과에 의하면 하이브리드 로켓 연료의 표면에 연소가 진행되지 않은 채 남아있는 점들이 존재함을 확인하였다. 이러한 불규칙적인 spot은 연료의 기화로 인한 분출유동(blowing effect)과 산화제의 유동 사이에서 발생하는 교란에 의한 현상인 것으로 여겨진다. 본 연구에서는 LES를 이용하여 분출이 있을 때 channel 유동을 해석함으로써 연료 표면으로 전달되는 열전달 특성을 해석하였다. 비록 원형 그레인이 아니며 화학반응을 무시하고 열전달을 계사하였으나 근본적으로 연료 표면에서 발생하는 불규칙한 spot의 발생은 작은 크기의 난류 eddy의 존재 때문인 것으로 판단된다.

We present an innovative method of multi-physics application involving energetic materials. Energetic materials are related to reacting flows in extreme environments such as fires and explosions. They typically involve high pressure, hish temperature, strong non-linear shock waves, and high strain rate deformation of metals. We use an Eulerian methodology to address these problems. Our approach is naturally free from large deformation of materials that makes it suitable for high strain-rate multi-material interaction problems. Furthermore we eliminate the possible interface smearing by using the level sets. We have devised a new level set based tracking framework that can elegantly handle large gradients typically found in reacting gases and metals. We show several work-in-progress applications of our algorithm including the Taylor impact test, explosive venting and additional confined explosion problems of modem interest.

본 연구에서는 모델 기반(Model-Based) 성능진단에 신경회로망을 적용하였고, SIMULINK를 이용하여 PW206C 터보축 엔진의 모델링을 수행하였다. 비행 고도, 비행 마하수, 가스발생기 회전수에 따른 다양한 운용영역의 성능데이터를 base로 하여 압축기, 압축기터빈, 동력터빈의 성능 저하에 대한 학습 데이터를 획득하고 역전파(Back Propagation Network)를 이용하여 훈련 하였다. 설계점 및 탈설계 영역에서 압축기, 압축기터빈, 동력터빈의 단일 손상 탐지를 수행한 결과 손상된 구성품을 잘 탐지함을 확인할 수 있었다.

항공기용 엔진은 설계 개발 단계에서 성능, 신뢰성, 안정성, 수명을 판단하는 시험에 엄청난 시간과 비용이 든다. 가상 엔진의 "Numerical Test Cell" 시험은 다분야 연계 해석을 통하여 하드웨어의 개발에 필요한 시간과 비용을 줄일 수 있다. 본 논문에서는 미국과 유럽에서의 전체 엔진 시뮬레이션 프로그램의 개발 활동을 소개한다. 미국의 NASA Glenn 연구소는 기존의 코드들을 결합하고 기능을 개선하여 NPSS를 개발하는 연구를 이끌고 있으며, 유럽에서는 대학, 연구소, 기업체로 구성된 VIVACE 컨소시움이 각 기관의 프로그램을 통합하여 PROOSIS를 개발하고 있다. 아울러 현재의 상황에 대한 고찰을 통하여 국내 개발의 가능성을 살펴보았다.

본 논문은 항공엔진이 전 운용범위 및 운용조건에서 성능요구조건을 만족할 수 있도록 설계 및 운용 한계를 설정하는 MEPS 기법에 관한 내용이다. 대기습도, 엔진품질, 추력설정부정확 및 성능감쇠 등의 영향이 산술적으로 반영되는 Direct Adder와 Root Sum Square로 반영되는 Random Adder에 대해 기술하였다. 본 기법을 4,000Ib급의 상용 터보팬 엔진개발에 적용하여, 각 Adder의 영향성을 분석하여 엔진설계 및 운용한계 설정을 위한 MEPS를 구축하였다.

본 연구에서는 자체 설계한 소형 초음속 풍동을 이용하여 초음속 충동형 터빈의 유동 특성을 살펴보았다. 터빈 익렬 위치에 따른 초음속 터빈 내부의 유동 특성을 파악하고 확산 손실이 발생하는 특성을 알아보기 위해 터빈 익렬 위치를 조절해가며 2차원 초음속 노즐과 익렬을 조합하여 실험을 실시하였다. 터빈 익렬 내부의 유동 가시화를 위해 Z-type 슐리렌(Schlieren) 시스템을 사용하였으며 압력변환기와 압력스캐너를 이용하여 터빈 익렬 내부의 정압력과 익렬 후류의 전압력을 측정하였다. 이러한 일련의 실험을 통해 충격파를 포함한 복잡한 유동 형태와 유동박리, 충격파-경계층 상호작용 등을 관찰할 수 있었으며 터빈 익렬 위치에 따른 터빈 내부의 유동 특성을 파악할 수 있었다.

고체 램제트 추진기관의 연소효율은 연소실 흡입공기 온도에 따라서 영향을 받고 있다. 이 흡입공기의 온도는 비행 마하수와 비행 대기의 온도에 따라 다르게 마련이다. 비행 고도가 변하는 상황이라면 홉입 공기의 온도뿐만 아니라 대기의 밀도 또한 변하게 되어 이들 성능에 미치는 영향을 연소 효율과 연관하여 조사하였다.

초음속 유동장내에 분사된 이차제트 주변에서의 열전달 현상을 고찰 하였다. 초음속 유동장내에 등 열유속조건이 적용되도록 히터를 표면에 설치하였으며, Jet to freestream momentum ratio(운동량비)에의 변화에 따른 2차분사를 하여, 2차분사홀 주변의 표면온도 변화를 적외선 카메라를 통하여 측정하였으며, 이를 바탕으로 대류열전달 계수를 계산하였다. 또한 초음속 유동장 내에서 돌출된 실린더 주변 표면의 대류열전달 계수 측정 결과와 비교 하였다. 실린더의 주유동에 대한 기울어진 각도와 2차분사의 운동량비는 표면 대류열전달계수 분포에 중요한 요인으로 작용하였다.

추력기의 성능 등을 예측하려면 기하학적 모양과 압력비를 고려한 노즐 유동 특성을 해석해야 한다. 이 논문에서는 연속체 역학 역학의 가정이 성립하는 한계를 파악하기 위해서 인공위성 자세 제어용으로 사용되는 실제 축대칭 노즐에서의 유동을 계산하였다. 유동은 정상 상태의 비반응 압축성 유동이고 비정렬 격자계를 사용하였다. 추력기의 면적비는 56이고 주위 압력의 진공도를 변경하면서 해석하였는데 그 압력이 $10^{-3}$ 기압 이하가 되면 연속체 역학은 더 이상 타당하지 않게 된다.

고체 추진기관은 높은 비추력, 운용 안전성, 설계/제작하기가 쉽다는 장점이 있으나 추력 크기를 조절할 수 없다. 본 논문에서는 고체 추진기관의 추력을 조절할 수 있는 핀틀 노즐성능에 대한 연구로 Needle형 핀틀을 사용하여 수행한 공압 시험결과와 수치해석 결과를 수록하였다. 연구의 결과, 핀틀 노즐의 추력성능과 추력변화 범위는 핀틀 팁의 형상과 노즐의 Contour형상에 크게 의존하기 때문에 핀틀 팁의 형상과 노즐의 Contour형상은 중요한 설계 변수임을 알 수 있었고 특히, 시험에 적용된 Needle형 핀틀 노즐의 성능은 기존 노즐 대비 약 13%의 추력상승이 예측됨을 알 수 있었다.

본 연구에서는 초음속 공동유동장에서 발생하는 압력변동을 저감하기 위한 피동제어방법의 유용성을 실험 및 수치해석적으로 조사하였다. 피동제어방법으로 사각 공동내 상류 벽면에 sub-cavity를 설치하였다. 공동내 하류벽면에 센서를 설치하여 압력변동 값을 실험적으로 측정하였으며, 측정된 압력변동값을 FFT변환하여 주파수 분석을 하였다. 수치계적으로는 공동내 압력변동 특성을 살펴보기 위해 3차원 비정상 Navier-Stokes 방정식에 유한체적법을 적용하여 유동장을 모사하였으며, 유동의 난류상태량들은 LES 방법을 사용하여 계산하였다. 본 연구에서 얻어진 결과는 다음과 같다. 공동유동에서 진동 특성은 공동 하류벽면에서 발생하는 압력진동에 의존한다. 특히 leading tip 두께와 sub-cavity 크기가 진동 저감효과에 주요 인자이다.

The aerodynamics of a projectile overtaking a moving shock wave is analyzed using a chimera scheme. The flow field characteristics for various shock wave Mach number and projectile masse are investigated. the unsteady forces acting on the projectile for both supersonic and impossible overtaking conditions are computed in order to analyze the aerodynamic characteristics of the projectile. It is seen that the projectile Mach number significantly affects the flow fields for both supersonic and impossible overtaking. Unsteady drag is influenced by the overtaking conditions. The unsteady drag coefficient is the highest for the impossible overtaking condition.

고고도 모사용 초음속 디퓨져의 설계 및 작동인자에 대한 영향을 파악하기 위하여 압축성 축대칭 Wavier-Stokes 방정식 기반의 two-layer k-$\varepsilon$ 난류 수치해석과 실험 결과를 비교 분석하였다. 디퓨져의 설계 및 작동인자인 노즐과 디퓨져의 면적비, 진공챔버의 크기, 제트의 공급압력에 대한 디퓨져내 유동 발달과 디퓨져 작동 특성을 살펴보았다.

액체 로켓의 추진제로 이용되는 극저온 유체는 발사체의 경량화를 위한 터보 펌프의 고속화로 인해 공동현상이 발생하게 된다. 그러나 극저온 유체는 등온 유체인 물과는 달리 낮은 액상/증기 밀도 비율을 가지며 온도에 민감한 잠열변화율을 갖게 된다. 이에 따라 극저온 유체에서 공동 현상이 발생하게 되면, 증발 냉각 현상이 발생하게 되어 공동 내부와 주 유체 사이의 온도 차이가 발생하게 된다. 따라서 이러한 극저온 유체의 특징을 반영해 주기 위해 기존의 경험적 공동 현상 모델을 수정하여 새로운 모델을 적용하였다. 또한 온도 변화에 따른 효과를 반영해 주기 에너지 방정식을 첨가 하였다.

본 연구는 정사각형 용기에서 배수시 유동장의 변화를 이해하기 위하여 용기의 모서리의 반경변화에 따른 배수흐름의 특성을 연구하였다. 이 연구의 목적은 서로 다른 반지름의 모서리가 와류생성을 억제하는 원리에 대해 이해는 것이다. 사각형 용기의 유동장을 가시화하기 위하여 PIV기법을 사용하였다. 그리고 배수가 있을 때와 없을 때에 대해, 각각 수직방향과 수평방향에서 결과를 얻었다.

PSP는 Pressure Sensitive Paint의 약자로 대기중의 산소량을 측정하여 전역적인 압력정보를 광학적으로 측정 할 수 있다. 본 연구에서는 PSP를 사용하여 jet injection 후류의 표면압력 분포를 알아보았다. 또한 Jet injection 5mm앞에 종횡비 1에서 4까지의 사각형 Cavity를 위치시켜 후류에 미치는 영향을 알아보았다. Jet injection 후류의 압력 분포는 Cavity의 전단층의 영향으로 Cavity가 없을 때와 비교해서 옆으로 넓게 퍼지면서 강도는 약해지는 모습을 보인다. 또한 Cavity의 종횡비가 커짐에 따라서 전단층의 크기가 커지고 그 영향이 커졌다. 측정된 압력은 압력공의 결과, CFD의 결과와 비교하였으며 근접한 값을 보였다.

본 논문은 터보펌프를 사용하는 액체로켓의 저압 LOX 공급계의 개발 프로세스를 제공한다. 대한항공은 한국항공우주연구원과 협력하여 터보펌프 공급을 위한 LOX 공급계 개발을 수행하였다. LOX 공급계는 극저온의 온도와 무게절감을 위한 얇은 배관두께가 특징이다. 본 프로젝트의 시스템은 주 배관과 LOX 온도 제어를 위한 재순환 배관으로 구성되어 있다. 각 배관시스템은 벨로우즈, 필터, 오리피스, 밸브류, 플랜지와 서포트로 구성되어 있다. 이 논문에서는 시스템 설계 및 제작, 구조 및 열 해석, 단품 시험에 대하여 설명하였다. 최종적으로, 이 시스템은 한국항공우주연구원의 PTF 시험설비에 조립되어 요구 성능을 달성하였다.

초음속 제트 마하수 1.07부터 1.2 범위에서 축대칭 제트 스크리치 톤을 해석하였다. 축대칭 모드는 낮은 마하수 축대칭 제트의 지배적인 스크리치 톤 모드이다. 난류 해석을 위해 수정된 Spalart-Allmaras 모델을 RANS (Reynolds-averaged Navier-Stokes) 방정식에 사용하였다. 스크리치 톤 해석에서 중요한 음파의 전파, shock-cell 구조, shock-cell의 비정상 거동 및 거대한 불안정 파를 정확히 계산하기 위해 비반사 특성 경계조건과 연계한 고차정확도의 ENO 기법을 사용하였다. 수치해석결과는 다른 연구자들의 실험 결과와 잘 일치하였으며, 따라서 본 연구에 사용된 수치 기법들이 초음속 제트 유동 구조 및 소음연구에 유용함을 확인하였다.

공대공미사일의 경우 초음속 하에서 고 기동성을 얻기 위하여 고받음각 능력이 요구되어진다. 옆 미끄러짐이 없는 대칭형 세장형 몸체의 경우라도 비대칭 와류는 생성된다. 이러한 비대칭 와류는 불필요한 측력 및 요잉모멘트를 발생시키고 이는 곧 방향 안전성을 저하시킨다. 본 연구는 전산해석을 통하여 초음속유동하에서 세장형 몸체 주변에 발생되는 비대칭와류 모사를 실시하였으며 비대칭 와류의 모사를 위해 선두부에 Bump를 장착하였다. 전산해석 결과 세장형 몸체 주변에 발생하는 비대칭와류를 모사 할 수 있었다.

입구유동 왜곡 상황에서 엔진의 성능 저하여부를 평가하기 위하여 입구유동 왜곡시험을 한국항공우주연구원에서 수행하였다. 본 논문에서는 입구압력 왜곡에 대한 시험만이 고려되었으며 입구왜곡 시험 기술의 절차를 개발하는 동안 엔진 시험용 시험 자료를 구축하기 위하여 다양한 시험 조건에서 다양한 왜곡용 스크린에 대한 설계와 평가를 거쳤다. 엔진 입구왜곡 시험 결과는 작동점이 성능저하를 일으키는 방향으로 변동하는 것을 보여주었으며 입구왜곡에 의한 엔진 성능의 저하 여부를 확인하였다.

In this paper, we describe the modeling of ablation based laser applications for innovative use in the military In the laser ignition system, a metal confinement is ablated with the high intensity pulsed energy, triggering a thermal ignition of the confined high explosives. The constitutive equations for the laser source, deformation of metals, and explosion of energetic materials are described.

본 연구의 목표는 고 에너지원이 고 출력 펄스 레이저를 이용하여 금속 표면에서 발생하는 충격파를 분석하고 이를 다른 분야에 적용하는 것이다. 금속 표면 일정 단면에 펄스 레이저를 조사시키면 충격파가 발생하며 이 충격파는 음향 임피던스에 의해 레이저가 조사된 반대 방향으로 극 초음속(4000m/s 이상)으로 매우 짧은 시간동안 진행하며 다른 표면에서도 고 에너지에 의해 충격파가 발생한다. 이와 함께 얇은 금속은 순간 탄성변형을 일으킨다. 짧은 시간에 발생하는 모든 현상은 ICCD카메라를 통해 확인 할 수 있다. 이 실험의 목적은 고 에너지에 의해 발생한 충격파를 이용하여 미립자를 매우 빠른 속도로 가속하는데 있다.

대부분의 항공기는 성층권에서 순항을 하며, 이때의 온도는 지상의 그것보다 상당히 낮아 항공기 표면에 결빙이 발생할 수 있다. 기체 날개에 결빙이 발생하면 날개의 형상이 변화되어 비행특성을 저하시키며, 흡입구에서 발생한 결빙은 압축기 블레이드의 손상의 위험을 높이고 엔진의 성능에도 큰 영향을 미치게 된다. 본 논문에서는 결빙에 의한 여러 가지 상황 중 결빙으로 인한 엔진 성능 변화를 분석하기 위하여 결빙모사장치의 개발을 수행하였다. 결빙모사장치와 액체공기시스템을 이용하여 결빙모사 시험을 수행하였으며, 시험수행을 통하여 결빙이 모사가 가능함을 확인하였다.

고체로켓은 액체로켓 보다 많은 점에서 제한적으로 작용된다. 추진제의 혼합비, 연소 시간과 면적 등 연소의 모든 부분이 결정되기 때문에 액체로켓보다 제어하기 어렵다. 하지만 제작비가 싸고 신뢰성 확보가 용이하고 추력/중량 비에 따른 초기 속도를 크게 할 수 있기 때문에 소형로켓으로 폭넓게 이용되고 있다. 고체로켓의 추력증가에 따른 노즐의 내부 벽에 열전도로 인해 타는 현상과 고속의 연소가스에 의한 침식현상을 제어하기 위해 노즐냉각에 대한 연구를 수행하였다.

산화제 탱크와 연소실이 결합된 기존의 구조에서 산화제 탱크가 연소실에서 분리 가능한 구조의 하이브리드 모터를 개발하였다. 초기 개발된 모터는 설계 추력의 30% 정도에 불과한 성능을 보였으며, 이는 산화제 유량이 원활히 공급되지 못했기 때문인 것으로 판단되었다. 이러한 판단 하에, 경험적으로 인젝터 오리피스 면적을 증가시켜가며, 산화제 유량이 설계 유량에 근접하도록 개선하였다. 개선된 모터는 설계치의 약 60% 정도인 18kgf까지 성능이 향상되었으며, 이로부터 개발된 모터가 사운딩 로켓 모터의 임무 수행에 적절한 추력 대 중량비의 범위 내에 있음을 확인하였다.

본 보고서는 소형 로켓 제작에 앞서 행해지는 설계 단계를 기술하였다. 각 요구 조건에 맞춰 사용되어질 추력, 추진제 특성, mass distribution, 동체 형상 설계, Motor 설계에 대해 다뤘다. 로켓 설계에 있어서 가장 중요한 추진제 선정과 노즐형상 설계를 중점적으로 다루었으며, 차후 본 과정에 의하여 소형로켓을 제작하겠다.