본 연구는 지난 연구에 이어서 핸드피스 터빈 형상에 따른 유동특성 및 성능을 수치해석을 이용하여 연구하였다. 정상상태 방법 중 하나인 프로즌 로터 방식을 이용하여 노즐 중심선과 터빈 로터사이의 여러 각도에 따라 계산하였다. 평평한 모양, 오목한 형상, 갈매기 모양 등 3가지 터빈 로터 형상의 특성을 분석하였다. 추가적으로, 가장 성능이 좋은 로터 모양에 있어서 다른 반사각으로 계산을 하였다.

충격파와 같은 moving load가 특별한 속도로 관 안을 전파한다. 이 관 안을 전파하는 moving load 속도는 flexural wave의 활성화의 정도와 큰 변형을 일으키는 공진이 발생할 가능성을 결정한다. 본 연구에서, 우리는 moving load가 관안을 통과하고 있을 때의 변위의 특별해와 공진현상이 일어날 조건을 보일 것이다. 또한 이 이론적 결과를 hydrocode를 이용하여 얻은 수치해석 결과와 비교하여 정당성을 보일 것이다. 이와 같은 결과를 바탕으로 본 연구는 원자력 발전소나 탄화수소 계열의 연료를 사용하는 산업분야에서 공진현상에 의한 대형 사고를 예방하는 목적을 가지고 있다.

비교적 단순한 개폐작동을 통해 액체추진기관 연소기로의 극저온 액체산소 공급을 조절하는 산화제 개폐밸브로써, 공압으로 작동하는 포펫 타입의 밸브가 채택되어 관련 연구개발이 진행되고 있다. 일반적인 포펫 타입의 밸브들은 포펫과 피스톤이 연결되어 일체로 움직이면서 유로 개폐를 제어하지만, 개발 중인 산화제 개폐밸브는 밸브 설계의 유연성을 확보하기 위해 포펫과 피스톤 부분이 서로 접촉되어 있을 뿐 독립적으로 분리되어 있다. 포펫과 피스톤 부분이 분리되어 있는 포펫 타입의 밸브 개폐 시, 피스톤 부분이 밸브 몸체와 충돌할 수 있기 때문에 이와 같은 충돌을 피하기 위해 밸브가 닫히는 동안의 힘평형에 대한 분석이 필수적이다. 따라서 본 연구에서는 산화제 개폐밸브가 닫히는 동안의 힘평형에 대한 분석 내용을 소개하고, 결과적으로 안전한 밸브 작동을 확보할 수 있는 힘평형 조절을 위한 주요 설계 변수를 유도하기로 한다.

로켓엔진 연소기의 음향 안정성 향상을 위해 고안된 반파장 공명기의 음향학적 설계를 실험적으로 연구하였다. 표준 음향시험 절차에 따라 음향파 응답 신호가 측정되었다. 신호를 토대로, 감쇠인자와 흡음계수가 정량적으로 평가되었고, 이로부터 공명기의 음향감쇠 성능을 파악하였다. 공명기의 직경과 개수, 분포가 공명기의 설계 인자로 채택되었다. 직경이 증가함에 따라 음향감쇠 효과가 증가하였다. 경계흡수 계수가 감소함에 따라 최적 공명기 개수가 감소함을 알았다. 공명기의 open-area 비가 최적값을 초과할 때 과감쇠가 발생하였고, 이로 인해 음향 감쇠 효과가 저하됨을 관찰하였다.

본 연구에서는 Visual C++프로그램을 이용하여 램젯엔진시뮬레이션을 위한 코드를 생성하였다. 연구에 사용되어진 램젯엔진은 이상적인모델로 가정하였다. 우선, Visual C++에의해 만들어진 GUI프로그램을 이해하기위해 기초이론을 설명하였다. 주변에서 흔히 구할수 있고, 사용이 용이하며, 빠른계산이 가능한 Visual C++프로그램은 특히 GUI프로그램을 DOS Mode에서도 사용할 수 있게 해준다. GUI프로그램은 엔진흡입구의 초기입력값만 넣어주면, 나머지 스테이션의 초기입력값은 이 프로그램에 의하여 자동으로 계산되어진다. 이 프로그램의 결과는 널리사용되어지고 있는 상형툴인 GASTURB9의 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.

여러 가지 목적으로 제작되는 고체 추진기관은 사용 가능한 기간이 정해져 있어 그 용도에 따라 사용되지 않은 한 적절한 방법으로 폐기 처리 되어야 한다. 또한 제작 과정 중 발생하는 불량 탄 역시 적절한 방법으로 폐기 되어야 한다. 과거에는 야외에서 소각하거나 폭파하는 방법이 일반적이었으나 최근 환경오염 문제가 대두되어 이를 해결하기 위한 대안이 필요하여 해외에서는 이미 1970년대부터 관련 기술이 개발되어 상용화 하고 있다. 따라서, 본 논문에서는 Water Jet을 이용한 비군사화 관련 해외 동향 및 국내 개발 현황에 대하여 논하고자 한다.

연소 불안정 현상은 액체로켓엔진 개발과정에 있어서 반드시 해결해야 하는 문제이다. 이것을 억제하기 위한 도구 중의 하나인 음향공의 오리피스 길이 변화에 의한 감쇠 효과를 선형 음향 해석과 실험을 통하여 연구하였다. 오리피스의 길이가 짧아질수록 감쇠효과가 증가하는 것을 확인하였으며 실험과 선형 음향 해석 결과가 서로 동일한 경향을 보이는 것을 확인 하였다. 또한, 가진 음원의 크기에 따른 실험을 수행하였는데 그 결과 오리피스 길이와 단면적이 작아질수록 가진 음원의 크기 증가의 따른 비선형성이 증가하는 것을 확인하였다.

본 연구는 항공구조재로 널리 사용되고 있는 AISI 304강에 대한 상온 및 고온 인장특성을 신뢰성 기법을 이용하여 실험한 결과를 정리한 것이다. 인장실험은 ASTM 규정에 의하여 수행하였고, 정규확률지를 이용하여 항공구조설계 시 적용할 수 있는 A-Basis 및 B-Basis 강도를 평가하는 신뢰성 해석을 수행하였다.

터빈 블레이드의 엣지 형상 변화에 따른 표면 가스온도 발달과정에 대해서 전산해석을 수행하였다. Sharp형과 Round형의 터빈 블레이드를 모델링하였으며, 터빈의 회전수는 두 가지 형상 모두 0${\sim}$10,000 rpm의 회전 속도를 주어 전산해석을 실시하였다. 터빈의 회전수가 증가할수록 터빈 블레이드 표면의 평균 온도는 하강하였고, Sharp형 엣지 형상이 Round형 엣지 형상에 비해서 터빈 블레이드의 표면 온도 분포가 전반적으로 낮은 분포를 나타내었다.

일반적으로, 고체로켓모타에 대한 지상연소시험을 실시할 경우, 연소관 내부의 압력을 계측하기 위해 압력 계측용 배관에 기름을 채우고 그 끝에 압력센서를 연결하여 사용한다. 통상적으로 사용되어지는 이 방법은 지상연소시험을 실시할 경우에는 특별한 문제가 되지 않으나, 고고도 환경에서 점화되는 고체로켓모타의 압력계측은 배관 기름의 누출로 인한 점화성능 저하가 문제시된다. 이는 배관의 부착 위치가 통상적으로 전방 점화기 부위인 것에 기인한 것이며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 기름을 사용하지 않는 압력배관을 어떻게 설계하고 검증하였는지에 대해 기술하도록 하겠다.

고체 추진기관 설계에는 고체 추진제 연소속도, 요구 추력, 연소관 압력, 연소시간, 탄의 직경, 길이, 무게, 최대 가속도와 같은 많은 설계요소 및 제약이 존재한다. 이러한 요소 및 제약의 최적화를 위해 내탄도/외탄도 해석을 위한 통합 설계 프로그램을 개발하였고 고체 로켓 모터의 시험을 통해 그 유용성을 확인하였다.

액체추진제 추력기의 경우, 성능평가를 위해 진공연소시험이 필수적으로 요구되며 이때 공급되는 추진제의 유량이 비추력 계산시 중요한 영향을 미치는 인자가 된다. 본 논문에서는 정밀 유량측정에 대한 기초연구로서, 코리올리 유량계를 이용하여 모의추진제인 DIW를 사용한 수류시험을 수행하였으며 연속모드 및 펄스모드 각각에 대해 결과분석이 이루어졌다. 마지막으로 해외연소시험 데이터와의 비교를 통해 수류시험 결과와의 검증을 확인하였다.

스월 연소기의 비반응 난류 유동특성을 파악하기 위하여 3차원 Large Eddy Simulation(LES)을 수행하였다. 연소기는 GEAE LM6000 연소기를 이용하였으며, 실제 실험 결과에 따른 인젝터 유입 형상을 적용하였다. 주 흐름 부분에서 강한 vortex breakdown, 중심 재순환영역, 모서리 재순환영역, 축방향으로 전진하는 스월링 형상, 주기적으로 나타나는 난류 구조를 관찰하였다. 계산된 결과는 실제 실험결과와 선행연구자들의 LES 계산결과와 비교하여 잘 맞음을 확인하였다.

본 연구에서는 아음속 영역에서 유도무기의 일반적 형상인 세장형 몸체를 갖는 서로 다른 선두부 형상의 두 모델을 이용하여 받음각에 다른 세장형 모델 윗면의 압력 분포를 측정하였다. 아음속 영역에서 서로 다른 선두부 형상을 갖는 두 모델의 받음각에 따른 공력실험 결과로 특정 받음각에서의 측력 및 요잉모멘트가 최대가 되는 것을 확인하였으며 비대칭 정상상태와 비대칭 비정상상태의 경계를 알 수 있었다. 또한 시간에 따른 측력, 항력 및 요잉모멘트의 결과로 같은 받음각이라도 선두부의 형상에 따라 안정성이 다른 결과를 보였다. 받음각에 따른 세장형 몸체 표면 압력 분포를 측정한 결과 받음각이 증가할수록 표면압력 분포는 비대칭적으로 형성됨을 알 수 있었다.

스월 인젝션 하이브리드 로켓의 고체연료에서 축 방향 국부 후퇴율 거동을 고찰하였다. 일반적으로 축 인젝션 후퇴율은 연료 그레인 축 위치가 입구에서 멀어질수록 감소하다가, 다시 증가하는 경향을 보인다. 이에 반해 스월 인젝션 후퇴율은 연료 입구부에서 높고, 하류에서는 비교적 균일한 후퇴율을 보임을 확인하였다. 전체 후퇴율은 스월 인젝션의 경우가 축 인젝션의 경우에 비해 54% 증가하였다. 본 연구를 통해 소형 사운딩 로켓에서 스월 인젝터를 사용하는 것이 유용할 수 있음을 확인하였다.

수중에서 발사체가 고속으로 주행할 때 발사체의 머리 즉, 캐비테이터 만이 물과 접촉한 상태에서 커다란 공동이 발생하여 몸체 전체를 뒤덮는 초공동현상이 발생한다. 초공동 상태에서는 발사체는 저항이 감소되어 매우 빠른 속도를 낼 수 있게 된다. 더욱이 캐비테이터가 적합한 형상을 가지게 되면 매우 낮은 압력저항을 유지하고 전체적인 저항도 획기적으로 줄일 수 있기 때문에 본 연구에서는 주어진 작용환경 하에서 저항을 최소화 하기위한 최적의 캐비테이터 형상최적설계 문제를 고려하였다. 그리고 효율적인 캐비테이터 형상최적화를 위해 공동과 캐비테이터 형상을 하나의 죄적화로 변환한 동시최적화기법을 수행하였다.

일반적으로 하이브리드 추진에서 산화제 질량유속만의 함수로 표현되는 후퇴율 식은 고체연료 길이에 따른 후퇴율 변화를 나타내지 못한다. 따라서 본 연구에서는 분할 연료 그레인을 적용해 쉽게 할 수 있는 연소 실험을 수행했고, 고체연료 길이에 따른 후퇴율의 변화를 고찰하였다. 연료 그레인 상단부에서 하단부로 갈수록 후퇴율은 감소하다가, 다시 증가하는 경향을 나타남을 확인 하였고, 산화제 질량유속과 그레인 길이의 함수로 표현할 수 있는 후퇴율 식을 도출하였다.

본 연구에서는 multi-port를 가진 하이브리드 연료의 포트간 병합특성에 관하여 수행하였다. 연료는 4 또는 5 port를 갖는 PE(Poly Ethylene), 산화제는 GOX를 사용하였다. port수에 따른 병합 특성에 대해서 연구하였다. Multi-port는 연소 중에 포트간 병합이 되어 연소 면적의 변함에 따라 로켓의 성능에 영향을 미친다.

시중에서 쉽게 구할 수 있는 알루미늄 seamless tube를 사용하여 고도 15km 하이브리드 사운딩 로켓을 설계하였다. 별도의 가압장치 없이 ${N_2}O$ 액체산화제를 사용한 하이브리드 로켓설계를 위하여 내탄도, 외탄도 해석을 통합적으로 수행하였다. 내탄도 해석으로 요구조건을 만족하는 하이브리드 추진시스템을 설계하였고, 탑재중량을 고려하여 설계된 하이브리드 로켓에 대해 공력해석과 궤적계산을 수행하였다. 로켓의 내탄도와 외탄도 해석을 통합적으로 수행함으로써 하이브리드 로켓의 설계를 위한 기반 기술을 마련하였고, 기초시험 및 기술 자료의 데이터를 이용하여 하이브리드 모터의 성능과 로켓의 공력 및 비행궤적을 검증하였다.

본 연구에서는 발사체 비행 중 가속도의 변화로 발생하는 엔진 입구압력의 변화를 고려하여 엔진의 구성품에 미치는 영향을 고찰하였고 그에 따른 엔진 성능 변화를 예측하였다. 엔진의 입구압은 탱크 내의 추진제 수두와 가압 압력 및 압력 손실 등으로 정의되며 이에 따라 발사체가 비행하면서 추진제 소모와 가속도 변화에 의해 입구압력이 변하게 된다. 입구압이 변할 때 펌프 토출압이 변하고 그에 따른 유량 변화로 가스발생기의 압렵변화가 발생하며, 이는 터빈의 출력변화로 이어져 다시 펌프의 토출압 변화로 나타남을 알 수 있었고, 이는 궁극적으로 주연소실의 연소압 변화를 이끌면서 엔진의 성능이 변화함을 알 수 있었다.

엔진의 비행, 구성품 성능 오차, 엔진 시스템 인증 기준에 따라 결정된 시스템 시험영역을 기준으로 하는 터보펌프 가스발생기 연계시험 영역 설정을 하였다. 연계시험 작동점에 해당하는 연소기 압력 모사를 위한 배관 손실계수와 터빈 출력 조정을 위한 스로틀 밸브의 손실계수를 결정하였다.

본 연구에서는 과산화수소 분해 반응을 이용한 초소형 추력기 성능평가를 실시하였다. 물리 화학적 안정성이 뛰어나고 분해 성능이 좋은 백금을 촉매로 사용하고 세라믹 폼을 지지체로 선정하였다. 실험에 사용된 단일 추진제는 90wt% 과산화수소로 질소 가스를 통한 직접 가압 방식으로 추력기에 공급된다. 추력기의 성능을 평가하기 위해서 특성 속도 효율을 구하고 압력곡선을 통해서 압력 상승 시간, 압력 하강 시간, 반응 지연 등을 종합적으로 살펴본다.

지금까지 액막두께나 air core 직경 변화 등과 같은 수력학적 과정에 대한 이론 실험적 연구가 많이 이루어져왔다. 스월 노즐에서 수치적 해석 등을 통해 이에 대한 몇 가지 이론식들이 확립되었지만, 아직까지 내부유동에 대한 실험적 연구 결과 등은 명백히 정립되어 있지 않고 있다. 본 연구에서는 스월 챔버 내의 air core를 가시화하고 액막두께를 측정하여 내부유동의 변화 및 안정성 등을 살펴보았다.

본 논문에서 연료 과농 가스발생기의 동적 연소 특성을 수록하였다. 연소실과 추진제 매니폴드 내에서 발생하는 압력 섭동을 계측하여 데이터 분석을 실시하였다. 단독 연소 시험에서는 연소압에 관계없이 연소가 안정적으로 이루어졌으나 터빈 매니폴드 장착의 경우, 산소 임계 압력에 해당하는 50 bar이하의 저압 조건에서 저주파 연소 불안정이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 연소실 특성 길이 증가에 의한 축방향 연소 불안정으로 여겨지며, 연소압 증가에 따라 압력 섭동이 증가함을 확인하였다.

이중모드 위상도플러속도계(Dual-mode Phase Doppler Anemometry, DPDA)를 이용하여 소형 액체 로켓엔진 인젝터 분무의 미립화 특성을 고찰하였다. 분무액적의 반경방향 이동에 따른 속도, 크기, 수밀도, 부피플럭스 등을 다양한 분사압력에서 측정하여 인젝터 분무의 공간분포 특성을 규명한다. 분사 압력이 증가함에 따라 분무액적의 속도, 난류강도, 수밀도, 그리고 부피플럭스는 증가하지만, 산술평균 직경($D_{10}$)과 분무액적의 증발율에 대한 척도인 Sauter Mean Diameter($D_{32}$)로 표현되는 액적의 크기는 감소하였다. 또, 속도와 부피플럭스는 Sauter 평균직경(Sauter mean diameter, SMD)에 비례하는 것을 알 수 있었다.

30톤급 액체로켓엔진 가스발생기의 연소 특성에 대한 연구를 수행하였다. 개발 초기 가스발생기는 터빈 매니폴드 출구를 모사하는 노즐을 후단에 장착한 상태에서 연소시험을 진행하였다. 이후 가스발생기와 터빈부의 공진모드를 모사하는 연장배관을 가스발생기와 노즐 사이에 추가하여 시험이 이루어졌으며, 최종적으로 터보펌프의 터빈부를 연결한 상태에서 연소시험을 수행하였다. 본 논문에서는 이와 관련된 온도 분포, 압력섭동 결과들을 분석하였다.

추력 30톤급 액체로켓엔진 재생냉각 연소기에서 수행했던 연소시험의 결과에 대해 기술하였다. 연소기의 연소압력은 60 bar, 추진제 유량은 약 89 kg/s 그리고 노즐 팽창비는 12이다. 연소기는 분사기 헤드, 배플분사기 그리고 재생냉각 연소실 등으로 구성하였다. 연소시험은 설계점뿐만 아니라 탈설계점 등 다양한 조건에서 이루어졌다. 연소특성속도는 약 1738부터 1751 m/sec이며, 비추력은 약 253에서 270 sec 정도의 값을 얻었다. 재생냉각 연소기의 최대 연소특성속도는 혼합비 2.35에서 나타났으며 최대 비추력은 혼합비 2.5에서 나타났다.

액체추진제 추력기 인젝터로부터 발생하는 분무의 미립화 특성과 공간 분포를 파악하기 위해 이중모드 위상도플러속도계(DPDA)를 사용한다. 평균속도, Sauter 평균직경, 그리고 속도섭동과 같은 분무특성 인자들을 다양한 분무축 및 반경방향 위치에서 계측한다. 이러한 데이터를 반경축상에 정량화하고 직경과 난류강도와의 상관관계를 밝히는데 사용한다. 분무 동적거동의 가시적 이해를 돕기위해, 노즐 오리피스의 기하학적 축과 반경방향이 이루는 좌표에 분무입자들의 속도벡터를 도식화한다.

50 Newton 진공 추력 레벨을 가지는 과산화수소 단일추진제 추력기를 개발하였다. 축소형 추력기를 제작하여 제조한 촉매의 추진제 분해 성능을 평가하였다. 축소형 추력기의 성능평가 결과로부터 50 Newton 추력을 위한 추진제 유량을 완전히 촉매 분해시키기 위해 필요한 반응기를 설계하였다. 스케일 업을 통해 제작된 추력기는 34.8 g/s의 추진제 유량에서 98%의 특성속도 효율을, 대기압 조건에서 42 Newton의 추력, 123 sec의 비추력 결과를 보임으로써 반응기 스케일 업 과정이 적절함을 확인하였다.

30톤급 액체로켓엔진 실물형 연소기의 형상에 따른 연소특성속도에 대한 연구를 수행하였다. 본 연구에서 연소기의 형상은 연소기 헤드와 분리가 가능한 내열재 및 채널 냉각형 연소실(${\varepsilon}$=3.2), 그리고 일체형인 팽창비가 각각 3.5와 12인 재생냉각형 연소기이다. 연소압력은 약 53${\sim}$60 bar 그리고 추진제 유량은 약 89 kg/s이고, 적용된 분사기는 리세스수가 1.0인 동축 와류형이다. 설계점 연소시험에서 팽창비가 12인 일체형 재생냉각 방식의 연소기가 가장 큰 연소특성속도를 보였는데 이는 추진제인 케로신이 분무되기 전 챔버 냉각으로 인한 온도 상승에 따른 엔탈피의 증가 및 연소압력의 증가에 기인한 것이다.

달탐사위성(궤도선) 1호는 2017년 착수 2020년 발사하고, 달탐사위성(착륙선) 2호는 2021년 착수 2025년 발사를 추진하게 되어 있다. 따라서 성공적인 임무 달성을 위해서는, 달탐사위성 추진시스템에 대한 기초 연구가 매우 중요한 시점이다. 본 연구에서는 달탐사위성에 적용 가능한 추진시스템에 대한 개념적인 타당성 및 비교 연구를 제시한다. 단일/이원/전기 추진시스템의 활용가능성을 외국의 사례와 비교/분석하고, 기술적인 장단점을 검토하여 달탐사위성 추진시스템으로 가능한 후보군을 제시한다.

발사체의 상단에 사용되는 여러 가지 싸이클의 특성을 조사한 뒤, 그 중 가스발생기 후연소 싸이클 엔진의 특성을 살펴보았다. 발사체 상단에 사용되는 엔진은 추진제와 싸이클의 특성상 연소압-확장비 다이어그램에서 크게 3그룹으로 나뉘어 진다. 영역 II에 위치한 케로신 엔진은 모두 가스발생기 후연소 싸이클 엔진으로서 높은 압력과 복잡한 구조를 하고 있다. 이 싸이클은 그 특성상 2개 이상의 펌프를 사용한다. 즉, 연료라인을 둘로 분기하여 보다 높은 압력이 요구되는 가스발생기 라인에는 2차 펌프를 두어 좀 더 가압을 하여 보다 효율적인 파워사용이 가능하다. 기본적으로 모든 산화제는 가스발생기를 지나 연소기로 향하기 때문에 2차 펌프의 필요성이 줄어들지만 여러가지 이유로 주펌프 이전에 부스터 펌프를 두어 주산화제 펌프의 부담을 덜어주는 경우가 많다. 폐쇄형 엔진은 그 특성상 엔진 비추력 효율이 개방형 엔진보다 상대적으로 높기 때문에 상단엔진에 적합하다.

30톤급 액체로켓엔진 연소기 연소시험을 통해 측정된 압력섭동 특성에 대한 결과를 제시하였다. 연소실 압력과 O/F비를 변화시키면서 수행된 46회의 연소시험의 결과를 바탕으로 30톤급 연소기의 연소 안정성을 대해 평가하였다. 정상 연소과정에서 발생하는 압력섭동 RMS 값이 연소실 압력의 2.6% 이내로서 정상상태에서 연소현상이 안정적임을 보여주었다. 또한 펄스건 강제교란을 통한 압력섭동의 감쇠 시간 계산결과가 3.5 msec 이내라는 것을 통해 동적으로 안정적인 연소기임을 확인하였다.

추진제 유량 변화와 분사기 배열에 따른 특성속도를 연구하기 위해 축소형 연소기를 이용하여 연소시험을 수행하였다. 그 결과 유사한 압력과 혼합비 조건에서 효과적인 비 단위 면적당 유량 범위가 존재함을 알 수 있었고 최외곽 분사기로부터 막 냉각이 적용된 연소실 벽면까지의 거리 증가는 연소실 내 저 혼합비 영역을 증가시키고 특성속도를 저감시키는 기능을 하는 것으로 해석결과 나타났다. 즉, 이 2가지 설계요소는 주어진 연소압력에서 액체로켓엔진 연소기의 성능을 향상시킬 수 있는 중요한 인자임을 확인하였다.

예조건화 기법을 이용하여 AP/HTPB 연료를 사용하는 내삽 노즐에 대한 수치해석을 실시하여 실험데이터와 비교해 보았다. 내부 현상을 파악하기 위해서 고체연료가 regression 되는 현상을 묘사하여 시간에 따른 온도,압력등의 변화를 확인해 보았다.

현재의 많은 유도무기들은 발사관에 장착되어 보관 및 이동되다가 필요시 발사된다. 발사관이란 유도탄 즉 미사일등이 외부환경에 노출되지 않도록 유도탄을 둘러싸고 있는 일종의 케이스이며 또한 유도탄 발사시 가이드 역할을 동시에 수행한다. 유도탄과 발사관을 연결하는 방법으로 흔히 사용되는 것으로 탄고정장치를 사용하는데 대표적인 파이로 부품이 폭발볼트이다. 폭발볼트는 화약의 폭발력에 의해 볼트몸체가 이등분됨으로써 볼트에 의해 결합되고 있던 부분이 분리된다. 하지만 기존의 폭발볼트는 분리시 파편, 화염 및 pyro-shock이라는 악작용을 수반하므로 사용상 제한을 가지고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 ball을 이용한 결합 분리장치 즉 ball type 분리볼트를 개발하게 되었다. 기존의 폭발볼트가 가졌던 기계적 우수성은 물론 분리시 파편, 화염 및 pyro-shock이 발생되지 않는 장점을 가지고 있는 것으로 판단된다.

필라멘트 와인딩으로 제작된 고체 모터 연소관의 파열특성을 확인하기 위한 해석 및 수압시험을 수행하였다. 본 연소관의 파손 요구조건으로서 운용 중 최대 예상압력(MEOP)의 1.5배 이상의 압력에서 실린더 파손이 일어나야함을 제시하였다. 해석 결과 연소관 내부의 압력이 2088psig 일 때 실린더 파손이 일어나는 것으로 나타났으며 수압시험을 수행하여 2200psig 수준에서 실린더가 파열됨을 검증하였다. 두 결과를 통하여 파열 요구조건을 만족하는 것을 알 수 있다.

A simplified model for an isolated aluminum particle burning in air is presented. Burning process consists of two stages, ignition and quasi-steady combustion (QSC). In ignition stage, aluminum which is inside of oxide film melts owing to the self heating called heterogeneous surface reaction (HSR) as well as the convective and radiative heat transfer from ambient air until the particle temperature reaches melting point of oxide film. In combustion stage, gas phase reaction occurs, and quasi-steady diffusion flame is assumed. For simplicity, 1-dimesional spherical symmetric condition and flame sheet assumption are also used. Extended conserved scalar formulations and modified Shvab-Zeldovich functions are used that account for the deposition of metal oxide on the surface of the molten aluminum. Using developed model, time variation of particle temperature, masses of molten aluminum and deposited oxide are predicted. Burning rate, flame radius and temperature are also calculated, and compared with some experimental data.

고체추진제 연소속도 측정을 위한 초음파법은 한 번의 실험으로 연소속도를 측정할 수 있기 때문에 적용되어 왔다. 하지만 스트랜드버너법을 대체하기 위해서는, 초음파법의 정확성과 신뢰성이 증명되어야 한다. 본 논문에서는 초음파법을 이용하여 측정한 연소속도와 스트랜드버너법으로 측정한 결과의 차이를 비교하였다. 그리고 측정된 연소속도의 분산과 고체추진제의 초음파 감쇠와의 연관성을 조사하였다.

초음파를 이용한 고체추진제의 연소속도 측정방법은 한 번의 실험으로 넓은 범위의 압력에서 연소 속도를 구할 수 있는 장점이 있다. 하지만, TOF를 이용한 연소속도 측정방법은 압력에 따라 변화하는 초음파의 음속을 이용하여 잔존길이를 구하기 때문에 압력, 비행시간(TOF:Time of Flight), 고체추진제 초기길이에 따른 불확실도에 대한 평가를 하여 신뢰성을 얻어야 한다. 본 연구에서는 초음파를 이용하여 고체추진제의 연소속도를 측정할 때 발생하는 불확실도을 평가하여 고체추진제의 연소속도의 신뢰성을 확보하였다.

본 연구는 고체 추진기관에 적용되는 내열재를 autoclave 방식이 아닌 hot press molding으로 제작하여 연소관에 접착 가능한 상태의 내열재로 제작하는데 초점을 두고 있다. EPDM/kevlar를 기본 조성으로 내열재 원료가 구성되고, 미가류 sheet 상태로 공급된다. 전방 내열재는 금형을 사용하여 preform 상태로 1차 제작하고, boots를 구형하기 위해 두개의 preform 사이에 modified nylon film을 사용하여 제작 하였다. 실린더 부위를 포함하고 있는 후방 내열재는 특별히 설계된 하나의 금형으로 제작되었고, boots 부위는 초경합금 칼날을 가지고 있는 장비에 의해 실현되었다.

본 논문에서는 램제트 기관의 성능을 결정짓는 공기흡입구를 램제트 엔진의 비행 목적에 맞게 비행 마하속도 4에서 기본설계를 수행하였다. 순항고도 12km, Mach $2{\sim}6$의 넓은 영역에서의 운용을 가능하게 하기 위하여 가변형 공기흡입구의 개념을 도입하였다.

예기치 않은 외적인 자극에 의한 사고를 막기 위하여 에너지 물질을 함유한 전술 유도무기의 위험성을 감소시킬 필요성이 증대되어, 유도무기 둔감화에 대한 연구가 미국과 나토에서 1980년대 후반부터 활발히 시작되었다. 로켓모터의 둔감성능을 향상시키기 위해서는 추진제를 비롯하여 로켓모터의 모든 부품들이 적절한 조합으로 각각의 특성을 살려 둔감성능 향상에 도움이 되도록 설계되어야 하며 각각의 부품이 어떤 역할을 하는지 이해하여야 한다. 고체 추진기관 둔감화에 필요한 중요한 역할을 하는 구성 요소는 추진제, 연소관, 점화기 및 완화장치 등이 있다.

플렉시블 씰에 사용되는 고무의 성능 중 가장 중요한 것은 플렉시블 씰의 구동 토크를 결정하는 전단 계수, 고무의 회전 각 크기를 좌우하는 전단 응력, 제작된 고무의 균일성, 그리고 고무 노화에 따른 전단 계수 변화이다. 본 연구에서 고체 모터 플렉시블 씰 제작에 사용된 고무 특성의 시험 결과를 정리하였다. 시험 결과 플렉시블 씰 제작에 사용된 고무의 전단 계수는 0.4310 ${\sim}$ 0.4997MPa 범위를 가지며, 고무의 파단 전단 응력은 2.5MPa 이상을 보인다. 또한 상온 보관 상태에서 1년이 지난 고무의 전단 계수는 평균 약 11.8% 정도 증가하였다.

Hydroxy-terminated polyether의 새로운 합성방법인 양이온 개환 공중합에 의해서 Ethylene oxide와 Tetrahydrofuran을 공중합 하였다. 중합은 1,4-Butandiol 존재 하에 $BF_3$ THF를 촉매로 반응이 진행되어 잘 제어된 Polyetherdiol을 합성할 수 있었다. Polyurethane 반응은 Polyetherdiol과 경화제로써 I-PDI/N-100 혼합물을 사용하였고, 경화촉매로 TPB/MA 혼합물을 사용하여 합성하였다. 이렇게 합성된 Polyurethane은 현재 미국에서 시판중인 ATK HTPE를 이용한 Polyurethane과 기계적 특성과 경화 거동을 비교 분석하였다.

고체 추진기관의 점화 방식은 전방 및 후방의 두가지로 나뉘어 진다. 전방 점화 방식은 점화기 작동 후 추진제 그레인 전체가 연소하기 위한 일정 압력을 노즐 마개로 유지하는 형태이다. 그러나 후방 점화 방식은 일반적으로 점화기와 마운트가 일체형으로 노즐 목에 삽입 후 조립한다. 이로 인해 마운트는 점화기 방출 에너지와 추진제 연소 압력에 의한 하중을 지지해야 한다. 본 연구에서는 연소 시험 결과 및 유한 요소 해석을 통해 후방형 점화기 마운트의 동적 거동 결과를 검증하였다.

본 논문에서는 복잡한 형상을 갖는 여러개의 셀로 구성된 스마트무인기의 각 연료탱크에 대해 높이변화에 대한 체적변화를 분석하여 그 관계를 간단한 다항식으로 표현하였다. 그리고 탱크 셀 수보다 적은 수의 Probe를 이용하여 전체 연료량을 계측할 수 있는 효과적인 방법을 제시하였다. 이러한 결과는 측정 Probe의 계측 프로그램에 활용될 수 있다.

본 연구에서는 PW4000 엔진의 축류압축기 서지 발생이 엔진성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. EPR은 서지 발생과 동시에 급격히 저하하는 것으로 나타나 민감도가 가장 큰 파라미터였다. N1 rpm과 N2 rpm도 EPR과 거의 동일한 경향으로 감소하였으며, Vibration 변화는 크지 않았으나 N1 Vibration 변화가 상대적으로 크게 나타났다. 따라서 비행중 EPR, N1 rpm, Wf 값이 급격히 저하되고 EGT가 비선형적으로 상승하는 상태로서 서지 발생을 감지할 수 있을 것으로 판단된다.

회전식 연료 노즐의 분무특성을 알기 위해서 고속회전 시험장치를 이용하여 실험적 연구를 수행하였다. 시험장치는 연료공급장치, 고속 회전장치 그리고 아크릴 케이스로 구성되어있다. Injection orifice의 직경 및 개수를 변화시켜가며 분무실험을 수행하였다. 액적의 크기 및 속도는 PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)시스템을 이용하여 측정하였다. 실험결과로부터 Injection orifice의 직경 및 개수변화에 따른 회전식 노즐의 분무특성을 이해 할 수 있었다.

ISL의 초폭굉 모드 램 가속기 실험을 바탕으로 하여 혼합기 강도를 조정하여 수치해석을 수행하였다 ($3.0CO_2$ 희석과 $2.5CO_2$ 희석). 계산결과 $3.0CO_2$ 희석의 경우는 초기 점화가 이루어지지 않아 탄체가 가속되지 않은 반면 $2.5CO_2$ 희석을 한 경우에는 점화가 이루어지고 높은 가속을 보임을 알 수 있었다. 이것은 탄체의 가속성능이 혼합기의 강도에 단순히 비례하지 않으며 점화가 가능한 최소한의 혼합기 강도 이상에서만 초폭굉 모드 램 가속기가 정상적으로 작동함을 알 수 있었다.

본 연구에서는 소형 무인기의 추진체로 사용되는 덕티드 팬의 공력특성 연구를 위해 덕티드 팬 입/출구의 3차원 유동장 측정과 추력 특성 분석을 수행하였다. 3차원 유동장 측정은 정온형 열선유속계를 통하여 수행되었으며, 추력은 육분력 밸런스를 이용하여 측정하였다. 측풍의 영향을 고려하기 위해 덕티드 팬을 풍동시험기내 유동방향에 대하여 $90^{\circ}$ 회전시켜 설치하였다. 풍동시험을 통하여 4.5 m/s의 측풍으로 인한 덕티드 팬 유동장 및 추력의 변화를 분석하였다.

본 연구에서는 항공기용 엔진의 성능 및 기하학적 데이타를 입력 값으로 하여 창정비 주기 및 비용을 예측할 수 있는 새로운 방법을 제시하였다. 엔진의 순주기비용 중에서 엔진의 성능과 가장 밀접하게 관련된 부분은 연료비용과 정비비용이다. 큰 비중을 차지하는 정비비용의 예측은 경제적인 정비계획을 수립하기 위하여 정확한 예측이 필요하다. 현재 운용중인 상업용 항공기 엔진들의 성능 및 정비 비용 요소 데이터베이스를 구성하여 그 사이의 통계적 관계식을 이용하여 정비비용을 예측하는 연구를 수행하였다. 예측결과는 이전 식들의 결과와 비교하였으며 보다 세밀하고 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있었다.

본 연구에서는 헬리콥터 추진시스템의 장착 성능해석 모델링 시 고려하여야 할 흡입구 모델, 블리드 공기 손실, 보기류 시스템 구동에 사용되는 출력 추출 등을 포함한 장착 성능해석을 수행하였다. 흡입구의 압력 손실은 비행마하수와 유량에 따른 압력손실 값으로 나타낸 흡입구 성능 맵을 이용하였다. 추진시스템 장착 성능해석 모델링의 검증을 위해서는 실제 시험데이터와 비교해야 하지만 데이터 확보가 어려워 상용성능해석 프로그램인 GASTURB 해석결과와 비교 하였다. 해석결과 평균오차 0.5% 이내로 본 연구에서 수행한 추진시스템의 장착 성능해석 모델링의 타당성을 검증하였다.

APU 연소기의 내부 혼합 특성을 연구하기 위하여 연소기 1/6 크기의 분할연소기를 제작하였다. 내부유동을 확인하기 위하여 연소기는 PC(Poly Carbonate)재질을 이용하였으며 실물연소기와 같은 크기와 형태로 설계/제작하였다. 제작성 및 내부유동 관찰을 용이하게 하기 위하여 3차원 연소기를 2차원화 하여 제작하였으며, 엔진의 공기유동과 유사한 조건을 모사하기 위하여 Turbo Blower 및 유량을 조정하기 위한 밸브를 설치하였다. Blower 최대 유량은 7 $m^3$/min이며 연소기 입구속도가 연소기와 같은 100 m/s 까지 가능하도록 제작되었다.

Shock tube flow measurement has been often troubled with a finite opening time of diaphragm, but there is no systematic work to investigate its effect on the shock tube flow. In the present study, both the experimental and computational works have been performed on the shock tube flows at low pressure ratios. The computational analysis has been performed using the two-dimensional, unsteady, compressible Navier-Stokes equations, based upon a TVD MUSCL finite difference scheme. It is known that the present computational results reproduce the experimental data with good accuracy and simulate successfully the process of diaphragm opening as a function of time. The concept of an imaginary center is introduced to specify the non-centered expansion wave due to a finite opening time of diaphragm. The results obtained show that the diaphragm opening time is reduced as the initial pressure ratio of shock tube increases, leading to the effect of a finite opening time of diaphragm to be more remarkable at low pressure ratios.

스크램제트 엔진의 연소기 내부 유동은 초음속이므로 유동의 잔류시간과 혼합율의 증대가 효과적인 연소를 가능하게 하는 주요 요인으로 작용한다. 본 연구에서는 연료-공기 혼합기로써 개방형 공동 모델을 사용하였고, 공동 앞에서의 경사 연료 분사 시 분사구 주위와 공동 주위의 유동특성을 살펴보기 위하여 레이저 슐리렌 기법과 압력측정을 실시하였다. 레이저 슐리렌은 10 ns의 광원 지속시간으로 공동 부근의 비정상 유동 현상을 효과적으로 관찰 할 수 있었다. 또한, 압력측정은 연료 분사 J(운동량비)를 변화시켜 가며 측정하였으며, 운동량비에 따른 연소기 내부 주요 연소발생 지점의 변화를 살펴 볼 수 있었다.

본 연구는 연료(수소)층과 산화제(공기)층의 사이에 불활성기체(질소)또는 연료(수소)를 평행분사하는 수치해석을 다루고 있다. 수치해석을 위해서 완전 보존되는 비정상 2차 시간정확도법과 2차 TVD방법이 유한 체적법과 사용되었다. 결과는 3가지 종류로 구성되어있다. 첫째는 연료와 산화제의 단일 혼합층이고, 둘째는 연료와 산화제의 사이에 불활성기체를 분사하는 방식이며, 세 번째는 연료와 산화제의 사이에 연료를 분사하는 방식이다. 전체 유동층의 수직두께는 4cm이며 삽입된 중간층의 두께는 1,2,4mm의 세가지 경우에 대하여 계산하였다.

Highly over-expanded nozzle of the rocket engines will be excited by non-axial forces due to flow separation at sea level operations. Since rocket engines are designed to produce axial thrust to power the vehicle, non-axial static and/or dynamic forces are not desirable. Several engine failures were attributed to the side loads. Present work investigate the unsteady flow in an over-expanded rocket nozzle in order to estimate side load during a shutdown/starting. Numerical computations has been carried out with density based solver on multi-block structured grid. Present solver is explicit in time and unsteady time step is calculated using dual time step approach. AUSMDV is considered as a numerical scheme for the flux calculations. One equation Spalart-Allmaras turbulence model is selected. Results presented here is for two nozzle pressure ratio i.e. 100 and 20. At 100 NPR, restricted shock separation (RSS) pattern is observed while, 20 NPR shows free shock separation (FSS) pattern. Side load is observed during the transition of separation pattern at different NPR.

램제트 추진 시스템 제어를 위한 모델링 기법에 대한 연구를 수행하였다. 연료공급시스템은 동적 메커니즘을 묘사하기 위해 전형적인 2차 시스템 모델을 사용하였으며, 이로부터 연료공급시스템의 계단 응답특성을 계산하고 이에 상응되는 연소실 압력섭동과 종말 충격파의 위치 변화 관계를 파악하였다. 압력섭동과 종말 충격파 간의 상관관계를 도출하기 위하여 연소실 압력은 일정한 주기와 진폭을 갖는 사인파로 모델링하여 종말충격파의 거동에서 나타나는 위상차를 확인하였다. 본 연구를 통해 시스템의 작동에 대한 물리적인 이해를 도모하며, 시스템의 동적 특성이 엔진 작동에 미치는 영향을 살펴보았다.

램제트 추진체의 성능연구를 위하여 램제트 전 영역, 즉 흡입구에서부터 연소실과 노즐까지 통합하여 연소수치해석을 수행하였다. 램제트가 작동 시작하여 비행체가 상승하는 가속모드(Acceleration mode)와 고고도에서의 순항모드(Cruise mode)를 설정 하였으며, 각 모드에 대하여 분사되는 연료의 당량비 변화를 고려하였다. 각 모드에서 추진체 전 영역의 압력 분포, 흡입구의 종말충격파의 위치, 연소실에서의 온도분포, 노즐출구에서의 연료분포를 분석하였다.

미국은 X-43A 를 통한 스크램제트 무인기의 비행 시험을 성공적으로 마치고 미공군 주도하에 X-51A 스크램제트 기술 실증기를 개발하고 있다. X-51A는 PWR 사의 X-1 탄화수소 연료 스크램제트 엔진을 이용하여 2008년에 지상시험을 마치고 2009년에 비행시험이 계획되어 있으며, 이를 통하여 X-51A에서 확립된 기술은 향후 DARPA의 Falcon 프로그램에 의한 HTV-3X 극초음속 시험기 및 HCV 순항기 개발에 적용될 것이다. 본 논문에서는 액체 및 초임계 JP-7 연료를 이용한 엔진 구조물의 냉각 및 연소 등 X-51의 추진기관 핵심 기술에 대하여 살펴보고자 한다.

호주의 T4 충격파 터널을 이용하여 모델스크램제트 엔진의 지상시험을 수행하였다. 시험조건은 마하 7.6 고도 31km로 두었으며 연료유량, 공동보염기, 카울형상 변화에 따른 영향을 고찰하였다. 연료유량에 따라 연소기 내부에서 초음속 연소 또는 열질식 현상이 발생하였으며 공동보염기 및 W자형 카울은 연소반응을 더 활발하게 하는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 화염 안정기 형상이 램제트 연소실에서의 단열 막냉각 효율에 미치는 영향에 대하여 실험을 수행하였다. 램제트 연소실 입구의 경사진 확장면의 끝에 화염안정기 형상을 설치하여 화염안정기에 의해 발생된 난류 유동이 다단 슬롯에 영향을 끼치도록 실험 장치를 구성하여, 화염안정기 형상을 탈부착 시키면서, 슬롯 출구 하류에서의 단열 막냉각 효율을 측정하였다. 화염 안정기를 설치하였을 경우 화염안정기에 의해 발생된 유동의 높은 전단력과 난류강도로 급격히 주유동과 혼합되어, 화염안정기가 설치되지 않은 경우에 비해 전체적으로 냉각 성능이 감소함을 결과를 통해 확인하였다.

초음속 디퓨져를 사용하는 고도모사 장치에서 기존에 연구되었던 일정단면적 형태를 개선해 2차 목 형태 디퓨져의 효과를 고찰하였다. 기 수행 된 일정단면적 디퓨져 정상상태 해석 결과 및 공압시험 데이터를 바탕으로 본 연구의 해석방법을 검증하고, 2차목에 의한 효과를 정량화시키기 위해 노즐전압력과 2차목 면적에 따른 시동성능과 진공챔버압력 변화에 관하여 해석하였다. 일정단면적 디퓨져 내부 벽면 및 중심축을 따른 압력데이터 비교에서 일치하는 거동을 확인했으며, 2차목의 사용에 의해 시동을 위한 노즐 전압력이 현저히 낮아짐을 알 수 있었다. 저팽창비 노즐 사용으로 인하여 2차목에 의한 진공챔버 내 압력 변화는 거의 없음을 관찰하였다.

본 연구에서는 모델 스크램제트 엔진의 특성을 자세히 고찰하기 위해 수치해석을 수행하여 실험결과와 비교분석하였다. 수치해석을 통해 예측한 압력분포도는 충격파 터널을 이용한 지상시험과 잘 일치하는 결과를 보였다. 또한 연소기 내부의 정온도 및 정압력분포에 대한 분석에서 공동보염기는 국소적인 고온영역을 발생시키며, W자형 카울은 유동의 가로방향에 대해 압력불균형을 유발시킨다는 특성을 확인하였다. 이러한 특성은 연소기 내부의 초음속 연소를 증진시키는 효과로 이어졌다.

본 연구의 목적은 수소 및 탄화수소를 이용한 bluff-body 화염 안정화 및 hyper-mixer와 같은 초음속 연소기 연료 분사기 주변의 유동해석 이다. 대규모 박리영역을 갖는 후방단 형상의 초음속 주변 유동을 해석하기 위한 검증 단계로 다양한 수치기법을 평가해 보았다. 고차 공간 정확도로 확장된 5차 TVD-MUSCL기법, Roe FDS, S-A DES/DDES 조합이 기저유동과 기저유출 유동에 좋은 결과를 보여 주었다.

PSP는 산소��칭원리에 의해 모델표면의 전역적 압력정보를 측정할 수 있는 기법이다. 본 연구는 자유류 마하수 2.5에서 수직 제트 분사와 Cavity를 이용한 스크램제트의 연소실 내부에서의 공기와 연료의 혼합 특성을 알아보기 위해 PSP를 사용하여 표면압력을 측정하였다. 그 결과 Cavity의 크기가 커질수록 공기-연료의 혼합정도가 커지는 것을 알 수 있었다.. 또한 CFD와 압력공을 이용하여 측정 압력값을 비교하였다. 그 결과 충격파의 형태 및 전단경계층의 두께 변화 등의 정성적 결과가 모두 일치하였으며, 압력측정 결과 약간의 오차는 발생하였으나 3D Bow Shock이 위치한 지점에서의 압력 및 Vorticity가 크게 나타나는 경향성이 모두 일치하였다.

초음속 주 유동내 연료의 수직분사 유동장에 대한 비정상 3차원 수치해석이 DES 난류 모델을 이용하여 수행되었다. 해석 결과는 시간에 따른 에디의 위치 및 에디 생성 빈도에 대하여 실험과 비교되었다. DES 난류 모델은 에디의 대류 특성을 비교적 정확하게 모사하고 있는 반면에 에디 생성 빈도는 다소 과대 예측하고 있다.

본 연구는 고체 추진제 그레인의 형상 변화에 따른 연소 특성을 고찰 하였다. LRE(액체로켓엔진)는 추진제의 공급량을 조절하여 추력을 변화시킬 수 있지만, SRM(고체로켓모터) 연소기 형상은 단순하지만 연소가 시작되면 추력 제어가 어렵다. 이러한 SRM(고체로켓모터)의 추력 제어의 어려움을 그레인의 크기나 형상의 변화를 통해 부분적으로 해결 할 수 있다. 소형 로켓의 추진제에 적합한 그레인을 설계하고 실험을 통해 검증하였습니다.

현재 인하 로케트 연구회에서는 소형 로켓 모터 점화를 위해 흑색화약 및 PVA수지를 혼합하여 점화기를 제작하고 있다. 하지만 제작 과정의 모호함으로 인해 그 성능이 일정하지 않아, 점화기로서 부족한 점으로 지적되고 있다. 따라서 흑색화약 및 PVA수지의 혼합비에 따른 연소 특성을 파악하여 추진제 점화기 요구 조건 충족 조건을 실험적으로 확인하였다. 특히 추진제 점화기의 요구 조건인 추진제 점화 온도 및 안정 연소 압력 조성에 대하여 중점적으로 다루었으며, 산화제와 연소 촉매의 비율에 따른 연소 가스의 온도 및 압력 변화를 통해 그 경향성을 알 수 있었다.