International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.13
no.1
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pp.208-222
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2021
Managing with the presence of sea ice is the primary challenge in the operation of floating platforms in the Arctic region. It is widely accepted that offshore structures operating in Arctic conditions need station-keeping methods as well as ice management by icebreakers. Dynamic Positioning (DP) is one of the station-keeping methods that can provide mobility and flexibility in marine operations. The presence of sea ice generates complex external forces and moments acting on the vessel, which need to be counteracted by the DP system. In this paper, an icevaning control algorithm is proposed that enables Arctic offshore vessels to perform DP operations. The proposed icevaning control enables each vessel to be oriented toward the direction of the mean environmental force induced by ice drifting so as to improve the operational safety and reduce the overall thruster power consumption by having minimum external disturbances naturally. A mathematical model of an Arctic offshore vessel is summarized for the development of the new icevaning control algorithm. To determine the icevaning action of the Arctic offshore vessel without any measurements and estimation of ice conditions including ice drift, task and null space are defined in the vessel model, and the control law is formulated in the task space. A backstepping technique is utilized to handle the nonlinearity of the Arctic offshore vessel's dynamic model, and the Lyapunov stability theory is applied to guarantee the stability of the proposed icevaning control algorithm. Experiments are conducted in the ice tank of the Korea Research Institute of Ships and Ocean Engineering to demonstrate the feasibility of the proposed approach.
This paper illustrates the trajectory design of drift distance recovery after initial launch and proximity operation when verifying rendezvous/docking technology using nanosatellites. The rendezvous/docking is a technology that is the basis of on-orbit servicing technology and is a preemptive process essential for approaching a target object. In particular, since it is difficult to verify in space, nanosatellites have recently been used to reduce the risk and cost of the development stage. Therefore, this paper not only introduces the configuration and specifications of thrusters for nanosatellites but also designs relative trajectories that can take into account the thrust limitations which come from the small size and low power of nanosatellites. In addition, we intend to be helpful in later designing scenarios according to the improvement of available thruster performance through comparison of trajectories and thrust usage with cases without thrust limitations.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.26
no.2
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pp.40-46
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2022
Hall thrusters are one of the electric propulsion, where ions are accelerated to generate thrust and are widely utilized in space missions due to their high specific impulses. Recently, as the utilization of small and micro satellites with the mass of similar or less than 100 kg is highly increasing, the importance of research and development of the low-power electric propulsion is also raised. In this study, we developed two sub-200 W or less class, laboratory model Hall thrusters and measured the thrust and analyzed the discharge characteristics. Consequently, we obtained 2.5-9.0 mN of thrust, 600-1,150 s of specific impulse, and 15-28% of anode efficiency at 50-175 W of anode power.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.42
no.5
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pp.430-436
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2014
The mission objective of STEP Cube Lab. (Cube Laboratory for Space Technology Experimental Project) classified as a pico-class satellite is to verify the technical effectiveness of payloads such as variable emittance radiator, SMA washer, oscillating heat pipe and MEMS based solid propellant thruster researched at domestic universities. In addition, the MEMS concentrating photovoltaic power system and the non-explosive holding and separation mechanism with the advantages of high constraint force and low shock level will be developed as the primary payloads for on-orbit verification. In this study, the feasibility of the mission actualization has been confirmed by the preliminary system design.
Kim, Ji-Seok;Kim, Hui-Kyung;Kim, Min-Ki;Kim, Hae-Dong
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.48
no.6
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pp.455-466
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2020
In this study, we built a thermal model for SNIPE 6U nano-satellite which has scientific mission for measuring science data in near Earth space environment and described thermal design based on the thermal model. And the validity of the thermal design was verified through the on-orbit thermal analysis. The thermal design was carried out mainly on the passive thermal control techniques such as surface finishes, insulators, and thermal conductors in consideration of the characteristics of the nano-satellite. However, the components with narrow operating temperature range and directly exposed to the orbital thermal environments, such as a battery and thrusters, are accomodated with heaters to satisfy the temperature requirements. On-orbit thermal analysis conditions are based on the basic orbital conditions of the satellite, and thermal analysis was performed for Normal mode, Launch & Early Orbit Phase (LEOP), Safehold mode, and Maneuver mode which are classified by the power consumption and the attitude of the satellite according to the mission scenario. The analysis results for each mode confirmed that every component satisfies the temperature requirement. In addition, the heater capacity and duty cycle of the battery and thruster were calculated through the analysis results of the Safehold mode.
A new solid oxidizer, pyridinium dinitramide (Py-DN) is a low toxic energetic material which can be utilized as a HPGP (high performance green propellant). In this work, Py-DN was synthesized using various starting materials including potassium sulfamate, pyridine hydrochloride, strong nitric acid and sulfuric acid. Physical and chemical properties of the Py-DN were characterized using UV-Vis, FT-IR and a thermal analyzer and their properties were compared to those of previously prepared salts including ammonium dinitramide[ADN, $NH_4N(NO_2)_2$] and guanidine dinitramide[GDN, $NH_2C(NH_2)NH_2N(NO_2)_2$] in our lab. Endothermic and exothermic decomposition temperatures of Py-DN were $77.4^{\circ}C$ and $144.7^{\circ}C$, respectively. The combustion caloric value was 1739 J/g, which is thermally more sensitive than that of conventional dinitramides. It may enable to lower the decomposition temperature, which can reduce preheating temperature required for satellite thruster applications.
Kim, Hyun Soo;Jeong, Seong-Yeob;Woo, Sun-Hong;Han, Donghwa
International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering
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v.10
no.4
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pp.491-498
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2018
The cost evaluation for voyage route planning in an ice-covered sea is one of the major topics among ship owners. Information of the ice properties, such as ice type, concentration of ice, ice thickness, strength of ice, and speed-power relation under ice conditions are important for determining the optimal route in ice and low operational cost perspective. To determine achievable speed at any designated pack ice condition, a model test of resistance, self-propulsion, and overload test in ice and ice-free water were carried out in a KRISO ice tank and towing tank. The available net thrust for ice and an estimation of the ice resistance under any pack ice condition were also performed by I-RES. The in-house code called 'I-RES', which is an ice resistance estimation tool that applies an empirical formula, was modified for the pack ice module in this study. Careful observations of underwater videos of the ice model test made it possible to understand the physical phenomena of underneath of the hull bottom surface and determine the coverage of buoyancy. The clearing resistance of ice can be calculated by subtracting the buoyance and open water resistance form the pre-sawn ice resistance. The model test results in pack ice were compared with the calculation results to obtain a correlation factor among the pack ice resistance, ice concentration, and ship speed. The resulting correlation factors were applied to the calculation results to determine the pack ice resistance under any pack ice condition. The pack ice resistance under the arbitrary pack ice condition could be estimated because software I-RES could control all the ice properties. The available net thrust in ice, which is the over thrust that overcomes the pack ice resistance, will change the speed of a ship according to the bollard pull test results and thruster characteristics (engine & propulsion combination). The attainable speed at a certain ice concentration of pack ice was determined using the interpolation method. This paper reports a procedure to determine the attainable speed in pack ice and the sample calculation using the Araon vessel was performed to confirm the entire process. A more detailed description of the determination of the attainable speed is described. The attainable speed in 1.0 m, 90% pack ice and 540 kPa strength was 13.3 knots.
This study develops a control algorithm on berthing/unberthing system using a joystick for ships with thrusters and a rudder. A nonlinear mathematical model for low speed maneuvering of typical container ships is used to develop a MIMO(multi-input multi-output) nonlinear control algorithm for velocity feedback joystick control. Also a virtual HILS(hardware in the loop simulation) software program for berthing/unberthing is developed to test the performance of the nonlinear and a PID control algorithm. The program is developed using LabWindow/CVI, and a user can see current position and desired trajectory of ship in a monitor, then he can control forward and yaw velocities of a ship using a joystick. The simulation results show that the nonlinear mfd the PID controller have superior performance over a simple open loop joystick control algorithm.
Mission opportunities and trajectory characteristics for the future Korean Mars mission have designed and analyzed using KSIV-III(Korea Space Launch Vehicle-III). Korea's first space center, 'NARO space center' is selected as a launch site. For launch opportunities, year 2033 is investigated under considering the date of space center's completion with KSLV series development status. Optimal magnitude of various maneuvers, Trans Mars Injection (TMI) maneuver, Trajectory Correction Maneuver (TCM), Mars Orbit Insertion (MOI) maneuver and Orbit Trim Maneuver(OTM), which are required during the every Mars mission phases are computed with the formulation of nonlinear optimization problems using NPSOL software. Finally, mass budgets for upper stage (launcher for KSIV-III and spacecraft are derived using various optimized maneuver magnitudes. For results, daily launch window from NARO space center for successful Korean Mars mission is avaliable for next 27 minutes starting from Apr. 16. 2033. 12:17:26 (UTC). Maximum spacecraft gross mass which can delivered to Mars is about 206kg, with propellant mass of 109kg and structure mass of 97kg, when on board spacecraft thruster's Isp is assumed to have 290 sec. For upper stage, having structure ratio of 0.15 and Isp value of 280 sec, gross mass is about 1293kg with propellant mass of 1099kg and structure mass of 194kg. However, including 10% margins to computed optimal maneuver values, spacecraft gross mass is reduced to about 148kg with upper stage's mass of 1352kg. This work will give various insights, requiring performances to developing of KSIV-III and spacecraft design for future Korean Mars missions.
Hydroxylammonium nitrate (HAN)-based liquid propellants are attracting attention as environmentally friendly propellants because they are not carcinogens and the combustion gases have little toxicity. The catalyst used to decompose the HAN-based liquid propellant in a thruster must have both low temperature activity and high heat resistance. The objective of this study is to prepare an Ru/alumina/metal foam catalyst by supporting alumina slurry on the surface of NiCrAl metal foam using a washing coating method and then to support a ruthenium precursor thereon. The decomposition activity of a HAN aqueous solution of the Ru/alumina/metal foam catalyst was evaluated. The effect of the number of repetitive coatings of alumina slurry on the physical properties of the alumina/metal foam was analyzed. As the number of alumina wash coatings increased, mesopores with a diameter of about 7 nm were well-developed, thereby increasing the surface area and pore volume. It was optimal to repeat the wash coating alumina on the metal foam 12 times to maximize the surface area and pore volume of the alumina/metal foam. Mesopores were also well developed on the surface of the Ru/alumina/metal foam catalyst. It was found that the metal form itself without the active metal and alumina can promote the decomposition reaction of the HAN aqueous solution. In the case of the Ru/alumina/metal foam-550 catalyst, the decomposition onset temperature was significantly lowered compared with that of the thermal decomposition reaction, and ${\Delta}P$ could be greatly increased in the decomposition of the HAN aqueous solution. However, when the catalyst was calcined at $1,200^{\circ}C$, the catalytic activity was lowered inevitably because the surface area and pore volume of the catalyst were drastically reduced and Ru was sintered. Further research is needed to improve the heat resistance of Ru/alumina/metal foam catalysts.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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