• 한국추진공학회:학술대회논문집
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• 한국추진공학회 2003년도 제20회 춘계학술대회 논문집
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• pp.244-245
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• 2003

고체나 액체 추진로켓에 비하여 하이브리드 추진 시스템은 작동조건의 안정성과 안전함등의 많은 장점을 가지고 있다. HTPB와 같은 고체연료는 제작 및 저장, 운송 그리고 장착상의 안정성을 가지고 있으며 하이브리드 로켓의 고체연료로의 산화제의 유입을 제어하면서 추력의 변화와 엔진내부의 연소중단과 재 점화를 용이하게 할 수 있다. 이러한 이유로 인하여 하이브리드 엔진은 좀 더 경제적인 장치로 기대를 모으고 있다. 그러나, 기존의 하이브리드 로켓 엔진은 고체 추진 로켓에 비하여 낮은 연료 regression 율과 연소효율을 가지는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고 요구되어지는 추력값과 연료유량을 증가시키기 위하여 고체연료의 표면적을 증가시킬 필요가 있다. 기존의 하이브리드 엔진에서는 연료 그레인에 다수의 연소포트를 만들어 표면적을 증가시켰으나 이는 비 활용 공간의 증가와 추진제의 질량 및 체적분율의 상당한 감소를 초래한다. 지난 수십년간에 걸쳐 하이브리드 엔진에서 연료의 regression 특성 및 엔진 성능 향상을 위한 연구가 계속되어 왔으며 최근에 엔진의 체적 규제를 경감시키고 연료의 regression율을 향상시키기 위하여 선회유동을 이용하는 하이브리드 로켓 엔진들이 제안되고 있다. 이러한 선회유동을 가지는 하이브리드 로켓은 고체연료 그레인에 대하여 평행하게 유입되는 기존의 하이브리드 로켓에 비하여 고체연료 벽면에서의 대류열전달이 현저하게 증가하게 되어 아주 높은 고체연료의 regression율을 얻을 수 있는 이점이 있다. 선회유동 하이브리드 로켓의 연소과정은 고체 연료의 열분해과정, 대류 열전달, 난류 혼합, 난류와 화학반응의 상호작용, soot의 생성 및 산화과정, soot 입자 및 연소가스에 의한 복사 열전달, 연소장과 음향장의 상호작용 등의 복잡한 물리적 과정을 포함하고 있다. 이러한 물리적 과정 중 난류연소, 고체연료 벽면 근방에서의 대류 열전달 및 연소과정에서 생성되는 soot 입자로부터의 복사 열전달, 그리고 고체연료 열 분해시 표면반응들은 고체연료의 regression율에 큰 영향을 미친다. 특히 고체연료의 난류화염면의 위치와 폭, 그리고 비 예혼합 난류화염장에서 생성되는 soot의 체적분율의 예측은 난류연소모델, 열전달 모델, 그리고 regression율 모델에 의해 크게 영향을 받기 때문에 수치모델의 예측 능력 향상시키기 위하여 이러한 물리적 과정을 정확히 모델링해야 할 필요가 있다. 특히 vortex hybrid rocket내의 난류연소과정은 아래와 같은 Laminar Flamelet Model에 의해 모델링 하였다. 상세 화학반응 과정을 고려한 혼합분율 공간에서의 화염편의 화학종 및 에너지 보존 방정식은 다음과 같다. 화염편 방정식과 혼합분률과 scalar dissipation rate의 관계식을 이용하여 혼합분률과 scalar dissipation rate에 따른 모든 reactive scalar들을 구하게 된다. 이러한 화염편 방정식들을 mixture fraction space에서 이산화시켜서 얻은 비선형 대수방정식은 TWOPNT(Grcar, 1992)로 계산돼 flamelet Library에 저장되게 된다. 저장된 laminar flamelet library를 이용하여 난류화염장의 열역학 상태량 평균치는 presumed PDF approach에 의해 구해진다. 본 연구에서는 강한 선회유동을 가지는 Hybrid Rocket 연소장내의 난류와 화학반응의 상호작용을 분석하기 위하여 Laminar Flamelet Model, 화학평형모델, 그리고 Eddy Dissipation Model을 이용한 수치해석결과를 체계적으로 비교하였다. 또한 Laminar Flamelet Model과 state-of-art 물리모델들을 이용하여 선회 유동을 갖는 하이브리드 로켓 엔진의 연소 및 Soot 생성 및 산화과정을 살펴보았으며 복사 열전달이 고체 연료 표면의 regression율에 미치는 영향도 살펴보았다. 특히 swirl강도, 산화제의 유입위치 그리고 선회유동의 형성방식이 하이브리드 로켓의 연소특성 및 regression rate에 미치는 영향을 상세히 해석하였다.

• 항공우주시스템공학회지
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• 제11권6호
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• pp.10-16
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• 2017

한국항공우주연구원(KARI)이 보유하고 있는 개방형 풍동에서 최대이륙중량 28 kg급 옥터콥터(octocopter)를 시험모델로 상승 하강기류, 측풍, 전단류와 같은 악기상에 대한 대처 능력을 향상 시키고 와류고리상태(VRS)와 같은 공기역학적 현상을 규명하여 와류고리상태(VRS) 진입 예방 및 탈출할 수 있는 기술들을 연구하고자 풍동시험을 수행하였다. 소형무인기 풍동시험은 풍속 3.5, 5, 7 m/sec, 회전수 3,500, 4,500, 5,550rpm 조건에서 받음각 $-40^{\circ}{\sim}+20^{\circ}$ 도, ${\pm}90^{\circ}$ 도, 요각 $0^{\circ}$ 도와 $45^{\circ}$ 도로 변화시켜가며 6분력을 측정하여 공력 DB를 작성하였다. 멀티콥터 수직 하강 시험 시 하강속도 6 m/sec에서 와류고리상태의 최고점(VRS peak)이 나타나고, 이 때 약 13 % 정도의 추력감소가 나타났다. 프로펠러 및 동체 상호 간섭에 의한 성능저하 여부를 판단하기 위해 프로펠러 조합을 변화시켜가며 시험을 수행한 결과 단일 프로펠러 대비 최대 15 % 정도의 성능 저하가 있음을 확인할 수 있었다. 이번 시험으로 확보한 자료들은 소형무인기 운용 시 경험하게 되는 악기상에 대처하여 안전성과 생존성을 증대시키기 위한 기술개발 기초자료로 활용될 예정이다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제20권9호
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• pp.150-155
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• 2019

공동현상은 유체의 속도 변화에 의한 압력변화로 인해 유체 내에 빈 곳이 생기는 현상을 말한다. 고속의 액체유동에서 액체의 압력이 포화증기압 이하로 낮아져서 액체 내에 증기 기포가 발생하는 현상이다. 본 연구에서는 선박 및 해양플랜트 분야에서 사용되어지는 유체기기에 대해 CFD 유동해석을 이용하여 선박용 프로펠러의 단독성능 해석기법의 타당성 확보 및 공동에 따른 유동양상을 파악하기 위해 FLUENT를 이용하여 전진비를 증가시키며 3차원 해석을 수행하고 MOERI의 실험 데이터와 비교분석하였다. 대형 컨테이너선용 KP505프로펠러의 사양을 기준으로 전진비에 따른 해석의 결과 전진비 0.7~0.8 구간에서 효율은 60% 수준으로 가장 높게 확인되었다. 압력면과 흡입면의 차이로 추력이 발생되는 것을 확인하였고 프로펠러 표면보다는 이면부근에서 Bubble이 많이 생성될 것으로 추정되며 공동현상이 더 많이 발생할 것이라 추정되었다. 또한 전진비가 증가함에 따라 공동현상은 급격히 감소함을 알 수 있었다. 추력계수와 토크계수는 MOERI 실험값과 비교했을 때 비교적 유사한 결과를 나타내었으며 전진비 1을 제외하고 모두 5%이내의 차이를 나타내었다. 따라서, CFD로 프로펠러 단독 성능에 대한 평가가 가능함을 확인하였다.

• 해양환경안전학회지
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• 제26권7호
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• pp.931-941
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• 2020

해양데이터를 수집하기 위해 필요한 엔지니어, 연구원 및 과학자를 대신할 수 있는 해양 모니터링 장치인 자율주행보트의 필요성이 대두되고 있다. 이 논문은 자율주행보트의 세일을 개발하기 위한 연구로 곡선형 트윈 세일의 공기역학적인 특성을 수치해석적으로 분석하고 이를 날개 형태의 세일과 성능비교를 통해 곡선형 트윈 세일의 공기 역학적인 성능을 확인하였고, 세일의 간격과 형상에 따른 성능을 비교하였다. 유체 해석을 위한 지배방정식은 Navier - Stokes를 사용하였다. 성능비교 결과 곡선 형 트윈 세일은 날개 형태의 세일과 비교하여 양력, 항력 및 추력 계수가 향상됨을 알 수 있다. 또한, 트윈 세일의 양 날개의 간격은 중요한 변수임을 확인 하였다. 0.035 L, 0.07 L, 0.14 L에서는 스톨로 인해 양력 계수의 감소로 나타났고 0.21 L, 0.28 L, 0.35 L에서는 개선되어 0.28 L에서 최대 양력을 보여준다.

• 한국항공우주학회지
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• 제50권9호
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• pp.599-608
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• 2022

로터 시스템을 사용하는 도심 항공 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM)는 이착륙 시 버티포트(Vertiport)에서 지면 효과를 경험하게 된다. UAM의 안전한 운용을 위해서는 지면 효과가 비행체의 공력성능에 미치는 영향성이 선행적으로 분석되어야 한다. 본 연구에서는 Lattice Boltzmann Method (LBM)를 적용하여지면 효과가 동축 반전 프로펠러를 장착한 쿼드콥터 형상 전기동력 수직이착륙기 전기체의 공력성능 및 후류 구조에 미치는 영향을 분석하였다. 동축 반전 프로펠러 시스템의 상하부 프로펠러에서 지면 효과 영향성은 상이하게 관찰되었다. 지면과의 이격 거리가 변화하더라도 상부 프로펠러의 성능에는 큰 변화가 없었지만, 지면과 가까워질수록 하부 프로펠러에서는 평균 추력과 토크 값이 크게 증가하였다. 또한 이격 거리가 감소함에 따라 추력 변동의 진폭이 증가하는 경향성이 나타났다. 지면 효과에 의해 프로펠러 후류는 하류 방향으로 충분히 전파되지 못하고 지면을 따라 발달한 Outwash 흐름에 의해 확산되었다. 프로펠러 시스템 사이에서 지면 확산 유동이 충돌하는 분수 와류(Fountain Vortex)의 형성을 확인하였다.

• 한국추진공학회지
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• 제26권4호
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• pp.54-63
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• 2022

500 kg의 페이로드를 500 km 태양동기궤도에 이송가능한 소형발사체의 상단에 사용될 3톤급 액체로켓엔진을 설계하고 있다. 소형발사체의 1단에는 비행시험으로 검증된 75톤급 엔진을 사용한다. 상단용 엔진은 액체산소와 액체메탄을 연료로 사용되는데, 이 추진제 조합은 공통격벽탱크를 적용하여 무게 감소가 가능하고 비추력도 높다. 상단엔진의 사이클로는 저압으로 운용되어 신뢰성이 높은 팽창식 사이클을 채택했으며, 노즐 확대비 120이상에서 360초를 상회하는 비추력 성능을 보일 것으로 평가되었다. 엔진의 주요구성품인 연소기와 터보펌프는 목표 비용을 맞추기 위하여 적층제조된다. 엔진은 자가증기가압과 롤추력제어를 위하여 가열된 증기메탄을 제공하고, 이러한 기능을 가진 상단 추진기관시스템은 심우주탐사 등 다양한 임무에 확대 적용 가능할 것으로 기대된다.

• 한국추진공학회지
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• 제15권5호
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• pp.35-47
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• 2011

추력 및 혼합비 조절을 목적으로 제작된 유량조절밸브를 AMESim(4.3.0) 시뮬레이터를 통해 모델링 을 수행했다. BLDC 모터(Brushless D.C. motor)를 이용하는 유량밸브의 조절을 위하여 속도조절기법을 제안했으며, 실험을 통해 그 성능을 보였다. BLDC 모터의 속도제어 기법을 이용하는 조절밸브는 P제어 보다 시스템 활용 시 용이하고, 유량조절 실험결과를 통해 시스템에 적용 가능성을 시사했다. 플런 저 형상에 따라 유량 조절 특성을 평가했고, 두 개의 조절밸브를 이용하는 혼합비 조절의 경우 동일한 플런저 형상을 적용하는 것이 적절했다. 혼합비 조절 시 섭동 폭을 줄이기 위해 밸브 플런저의 형상을 수정한 결과 0.5%로 감소했다.

• 한국추진공학회지
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• 제3권4호
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• pp.38-43
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• 1999

본 연구는 액체 추진제 로켓 엔진의 연소성능을 평가할 수 있는 절차를 확립하고, 운동량비와 혼합비가 연소성능에 미치는 영향을 고찰하여 안정된 연소를 보장하면서 최대의 효율을 제공하는 설계조건을 결정하고자 수행되었다. 연구를 위해 질산/Kerosene을 추진제로 사용하고 추력 24 $\iota{b}_f$, 연소실 압력 200 psia, uni-element impinging streams doublet injector를 사용하는 엔진을 설계 및 제작하여 연소시험을 수행하였다. 연구로부터 점화시 발생하는 hard start 현상은 연소실 압력을 설계치의 25 % 정도가 되도록 한 후, 설계 압력으로 상승시키는 2단계 점화방법을 채택함으로서 최소화 할 수 있었다. 그리고 최대의 연소성능은 혼합비 3.6에 존재하였고, 연소성능은 운동량비 증가에 따라서 감소하였다.

• 한국추진공학회지
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• 제4권2호
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• pp.21-30
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• 2000

본 연구에서는 램 가속기의 성능 향상을 위한 수치최적화를 수행하였다. 일정한 형상과 질량을 가진 탄체를 최초의 속도 $V_o$로부터 목표 속도 $V_e$로 가속시킬 때까지의 최소의 램 가속관 길이를 탐색하는 것을 목표로 하였고 $H_2$, $O_2$, $N_2$로 구성된 예 혼합기의 각 화학종의 몰수를 설계변수로서 채택하였다. 목적함수와 구속조건은 설계 과정에서 선형화 하여 구배법과 SLP기법을 적용하였다. 내부유동은 이차원 비점성 유동을 가정하고 화학반응의 해석은 8단계 7화학종 모델을 적용하였다. 가속관 길이의 결정을 위하여 램 가속관 내부의 유동은 준 정상상태로 가정하고 몇 개의 동일 구간으로 분할하여 각 속도에서의 추력 계수와 가속도를 동시에 구하여 전 속도 영역에 대하여 수치 적분하였다. 본 연구를 통하여 7회의 설계 반복으로 가속관의 길이를 19% 감소시켰다. 본 연구의 결과로부터 다단계, 다 화학종의 램 가속기의 설계최적화 문제에 직접적으로 적용할 수 있음을 확인하였다.

• 한국추진공학회지
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• 제21권2호
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• pp.1-8
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• 2017

본 연구에서는 모델연소실 내부 메탄-산소 확산화염의 연소특성을 분석하기 위해 추진제의 다양한 분사조건에서 연소실험을 수행하여 연소안정한계 측정 및 화염의 형상변이를 관찰하였다. 연구 결과, 추진제가 이론당량비 조건으로 접근할수록 높은 산소 Reynolds 수($Re_o$) 구간에서도 안정적인 부상화염이 관찰되었으며, 가시화염의 길이는 증가하고, 부상높이는 감소하는 경향이 나타났다. 스월 동축형 인젝터에 의한 추진제의 스월효과로 인해 폭이 넓고, 길이가 짧은 화염이 생성되어 연소실 크기가 제한적인 추력기에서의 사용이 적합함을 확인하였다.