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권순 남궁
5 years ago
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1 저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우, 이저작물에적용된이용허락조건을명확하게나타내어야합니다. 저작권자로부터별도의허가를받으면이러한조건들은적용되지않습니다. 저작권법에따른이용자의권리는위의내용에의하여영향을받지않습니다. 이것은이용허락규약 (Legal Code) 을이해하기쉽게요약한것입니다. Disclaimer

2 유전알고리즘을이용한액체로켓엔진의 설계변수최적화프로그램개발

5 초록

9 그림 1. 액체로켓엔진통합최적설계프로그램 REDTOP-pro 구동화면 2 그림 2. 액체로켓엔진의설계과정 3 그림 3. 액체로켓엔진통합최적설계프로그램의구조 5 그림 4. 최적화프로그램의구조 7 그림 5. 가스발생기사이클의구성 15 그림 6. 가스발생기사이클의 N2 다이어그램 16 그림 7. 가스발생기사이클의에너지발란스알고리즘 17 그림 8. 단계식연소사이클의구성 19 그림 9. 단계식연소사이클의 N2 다이어그램 20 그림 10. 단계식연소사이클의에너지발란스알고리즘 21 그림 11. 유전알고리즘의흐름도 30 그림 12. 유전알고리즘의표현형과유전자형 31 그림 13. 세대에따른최적개체보존과정 37 그림 14. 1점교배와복수점 (2점) 교배과정 38 그림 15. 균일교배를통한개체의생성과정 39 그림 16. 일반적인돌연변이의생성과정 40 그림 17. 테스트함수 1의 3차원그래프와등고선그래프 47 그림 18. BCGA Test function 1의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 47 그림 19. RCGA Test function 1의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 47 그림 20. 테스트함수 2의 3차원그래프와등고선그래프 48 그림 21. BCGA Test function 2의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 48 그림 22. RCGA Test function 2의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 48 그림 23. 테스트함수 3의 3차원그래프와등고선그래프 49 그림 24. BCGA Test function 3의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 49 그림 25. RCGA Test function 3의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 49 그림 26. 테스트함수 4의 3차원그래프와등고선그래프 50 그림 27. BCGA Test function 4의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 50 그림 28. RCGA Test function 4의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 50 그림 29. 테스트함수 5의 3차원그래프와등고선그래프 51 그림 30. BCGA Test function 5의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 51

10 그림 31. RCGA Test function 5의세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 51 그림 32. 주추력실과가스발생기의질유량의최적점수렴 (RCGA) 57 그림 33. 주추력실과가스발생기의질유량의최적점수렴 (RCGA) 57 그림 34. 가스발생기사이클의세대별설계변수값 ( 위 ) 와 ( 아래 )(RCGA) 57 그림 35. 연소실압력변화에따른비추력그래프 (RCGA) 59 그림 36. 주추력실과가스발생기의질유량, 연소실압력의최적점수렴 (RCGA) 60 그림 37. 가스발생기사이클의세대별목적함수최적값 ( 위 ) 과평균값 ( 아래 ) (RCGA) 60 그림 38. 가스발생기사이클의세대별설계변수 (RCGA) 60 그림 39. 주추력실과가스발생기의질유량, 연소실압력의최적점수렴 (BCGA) 62 그림 40. 단계식연소사이클의세대별목적함수최적값 ( 위 ) 과평균값 ( 아래 ) 64 그림 41. 단계식연소사이클의설계변수 의수렴과정 (RCGA) 64

11 표 1. 가스발생기사이클실행결과 22 표 2. 단계식연소사이클실행결과 25 표 3. 유전알고리즘검증에사용된테스트함수 32 표 4. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 1의최적값 47 표 5. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 2의최적값 48 표 6. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 3의최적값 49 표 7. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 4의최적값 50 표 8. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 5의최적값 51 표 9. Side constraints - 가스발생기사이클 54 표 10. Side constraints - 단계식연소사이클 55 표 11. 가스발생기사이클엔진해석에서의입력값 56 표 12. 설계변수 (Design variable) 에대한결과 (RCGA) 57 표 13. 주추력실과가스발생기의질유량구성 (RCGA) 58 표 14. Performance variable에대한결과 (RCGA) 59 표 15. 주추력실과가스발생기의질유량구성 (RCGA) 61 표 16. Performance variable에대한결과 (RCGA) 61 표 17. 주추력실과가스발생기의질유량구성 (BCGA) 62 표 18. Performance variable에대한결과 (BCGA) 62 표 19. 주추력실과가스발생기의질유량구성 (BCGA) 63 표 20. Performance variable에대한결과 (BCGA)) 63 표 21. 단계식연소사이클엔진해석에서의입력값 64 표 22. 단계식연소사이클의최적화결과에따른질유량배분및성능 65

12 1

13 2

14 그림 2. 액체로켓엔진의설계과정 3

15 4

16 5

17 6

18 7

19 8

20 9

21 10

22 Pr Pr 11

23 12

24 13

25 14

26 15

27 그림 6. 16

28 17

29 18

30 19

31 H O H 20

32 그림 10. 단계식연소사이클의에너지발란스알고리즘 21

33 표 1. 가스발생기사이클실행결과 [ 가스발생기사이 클 ] 참고자료값계산값단위오차 엔진시스템 추력 3,336 3,336 kn Isp s 7.79 % 산화제 : 액체산소 "LO2" 산화제질유량 kg 7.74 % 산화제밀도 1, ,143.4 kg/m3 연료 : RP-1 "RP1" 연료질유량 kg 7.38 % 연료밀도 kg/m3 추력실모듈 추력 3, ,322.8 kn Isp s 8.46 % 인젝터끝단압력 MPa 노즐전압력 MPa 산화제질유량 kg/s 9.37 % 연료질유량 kg/s 3.31 % 22

34 [ 가스발생기사이클 ] 참고자료값 계산값 단위 오차 OF비 c* 효율 c* 1, ,761.5 m/s 2.10 % Cf 효율 Cf % 축소비 확장비 노즐목면적 m % 공급계부품모듈산화제압력강하 인젝터 MPa 토러스돔 MPa 라인 MPa 메인벨브 MPa 가스발생기 입구 MPa 라인 MPa 오리피스 MPa 벨브 MPa 인젝터 MPa 공급계부품모듈연료압력강하 인젝터 MPa 자켓, 메니폴더 MPa 라인 MPa 메인벨브 MPa 보정오리피스 MPa 가스발생기 입구 MPa 라인 MPa 오리피스 MPa 벨브 MPa 23

35 [ 가스발생기사이클 ] 참고자료값 계산값 단위 오차 인젝터 MPa 산화제펌프모듈 펌프입구압력 MPa 펌프출구압력 MPa 질유량 kg/s 3.29 % 파워 MW 4.55 % 효율 RPM rpm 연료펌프모듈 펌프입구압력 MPa 펌프출구압력 MPa 질유량 kg/s 7.35 % 파워 MW 4.90 % 효율 RPM 7,000 7,000 rpm 터빈모듈 입구압력 MPa 입구온도 1, , K 압력비 질유량 kg/s 파워 MW % 효율 RPM 7,000 7,000 rpm 토크 2, , mn 기타여유파워 MW 가스발생기모듈 산화제질유량 kg/s 연료질유량 kg/s OF비 인젝터끝단압력 MPa 연소압력강하 MPa 24

36 표 2. 단계식연소사이클실행결과 [ 단계식연소사이클 ] SSME 계산값 단위 오차 엔진시스템 산화제 : 액체산소 "LO2" 산화제질유량 kg/s 5.95 % 산화제밀도 1,141 1,141 kg/m3 연료 : 액체수소 "LH2" 연료질유량 kg/s 5.96 % 연료밀도 kg/m3 OF비 추력실모듈 추력 (SLS) 1,817 1,817 kn Isp(SLS) s 2.51 % 추력 (vac) 2,279 2,235 kn 1.96 % Isp(vac) s 4.66 % 연소실압력 MPa Cf(SLS) % 확장비 노즐목면적 m % 공급계부품모듈산화제압력강하 주추력실방향 MPa 예연소기방향 MPa 공급계부품모듈연료압력강하 주추력실방향 MPa 25

37 [ 단계식연소사이클 ] SSME 계산값 단위 오차 예연소기방향 MPa 산화제펌프모듈 1 펌프입구압력 MPa 펌프출구압력 MPa 질유량 kg/s 5.84 % 파워 MW 효율 산화제펌프모듈 2 펌프입구압력 MPa 펌프출구압력 MPa 질유량 kg/s 6.43 % 파워 MW 효율 연료펌프모듈 펌프입구압력 MPa 펌프출구압력 MPa 질유량 kg/s 5.96 % 파워 MW 효율 터빈모듈 입구압력 MPa 입구온도 K 압력비 질유량 kg/s 6.44 % 파워 MW 효율 예연소기모듈 산화제질유량 kg/s 6.45 % 연료질유량 kg/s 6.43 % OF비 예연소기연소압력 MPa 26

38 27

39 28

40 29

41 그림 11. 유전알고리즘의 흐름도 (Flow Chart) 30

42 < Phenotype > Real Number < Genotype > Chromosome No. of Independent Variable Gene 그림 12. 유전알고리즘의표현형과유전자형 31

43 X 32

44 X 33

45 34

46 35

47 36

48 < t Generation> < t+1 Generation> < t+1 Generation> 그림 13. 세대에따른최적개체의보존과정 37

49 그림 점교배와복수점 (2 점 ) 교배과정 38

50 P P Mask New 그림 15. 균일교배를통한개체의생성과정 39

51 그림 16. 일반적인돌연변이의생성과정 40

52 적응형돌연변이 (Adaptive Mutation) 41

53 42

54 m ax 43

55 44

56 45

57 표 3. 유전알고리즘검증에사용된테스트함수 No. Test Function Range 1, 2 sin 3 4 cos, 5 sin sin 46

58 그림 17. 테스트함수 1 의 3 차원그래프와등고선그래프 그림 18. BCGA Test function 1 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 그림 19. RCGA Test function 1 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 표 4. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 1 의최적값 x 1, x 2 optimized global value BCGA 0,0 0 RCGA 0,0 0 47

59 그림 20. 테스트함수 2 의 3 차원그래프와등고선그래프 그림 21. BCGA Test function 2 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 그림 22. RCGA Test function 2 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 표 5. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 2 의최적값 x 1, x 2 48 optimized global value BCGA 0.989, RCGA 1, 1 0

60 그림 23. 테스트함수 3 의 3 차원그래프와등고선그래프 그림 24. BCGA Test function 3 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 그림 25. RCGA Test function 3 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 표 6. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 1 의최적값 x 1, x 2 optimized global value BCGA 1.050, RCGA ,

61 그림 26. 테스트함수 4 의 3 차원그래프와등고선그래프 그림 27. BCGA Test function 4 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 그림 28. RCGA Test function 4 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 표 7. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 1 의최적값 x 1, x 2 optimized global value BCGA RCGA 50

62 그림 29. 테스트함수 5 의 3 차원그래프와등고선그래프 그림 30. BCGA Test function 5 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 그림 31. RCGA Test function 5 의 세대별목적함수수렴과정 ( 위 ) 과해 ( 아래 ) 표 8. 유전알고리즘를통해얻어진테스트함수 1 의최적값 x 1, x 2 optimized global value BCGA , RCGA

63 T T req sec 주연소실질유량 sec 가스발생기질유량 sec 연소실압력 요구추력조건 에너지발란스조건 52

64 53

65 표 9. Side constraints - 가스발생기사이클 T T req 의질유량비율 요구추력조건 에너지발란스조건 54

66 표 10. Side constraints - 단계식연소사이클 55

67 표 11. 가스발생기사이클엔진해석에서의입력값 56

68 그림 32. 주추력실과가스발생기의질유량의최적점수렴 그림 33. 가스발생기사이클의세대별 목적함수의세대별최적값 ( 위 ) 과 평균값 ( 아래 )(RCGA) 그림 34. 가스발생기사이클의세대별 설계변수값 ( 위 ) 와 ( 아래 ) 57

69 표 12. 설계변수 ( 표 58

70 표 14. 그림 35. 연소실압력변화에따른비추력그래프 59

71 그림 36. 주추력실과가스발생기의질유량, 연소실압력의최적점수렴 (RCGA) 그림 37. 가스발생기사이클의세대별 목적함수최적값 ( 위 ) 과평균값 ( 아래 ) 그림 38. 가스발생기사이클의세대별 설계변수 60

72 표

73 그림 39. 주추력실과가스발생기의질유량, 연소실압력의최적점수렴 (BCGA) 표 17. 표

74 표

75 표 21. 단계식연소사이클엔진해석에서의입력값 그림 40 단계식연소사이클의세대별 목적함수최적값 ( 위 ) 과평균값 ( 아래 ) 그림 41 단계식연소사이클의설계변수 의수렴과정 엔진에서산화제와연료의질유량분율이 0.19 에서 로변하였다. 이에따라펌 프와터빈, 예연소기로유입되는질유량에변화가생기게되었다. 또한비추력은기존 64

76 의 SLS 상태에서의 SSME 엔진이갖는 371 에서 383 으로상승하게되었다. 결과는아 래표 22 와같다. 표 22. 단계식연소사이클의최적화결과에따른질유량배분및성능 65

77 66

78 67

79 68

80 69

81 70

저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할

저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우,