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1 한국추진공학회 2010 년도춘계학술대회논문집 pp.197~ KSPE Spring Conference 하이브리드로켓의추력제어를위한추력섭동감쇠에관한연구 강완규 * 최재성 * 허환일 ** Suppression of Thrust Oscillation for Thrust Control Applications Wankyu Kang* Jae Sung Choi* Hwanil Huh** ABSTRACT Precise control of oxidizer mass flow rate is important for hybrid rocket thrust control. In this study, oxidizer mass flow rate control system is developed by using stepping motor which is controlled by Labview program. Gox is used for oxidizer and PolyCarbonate, PolyEthylene, and PMMA is used for solid propellant. To suppress thrust oscillation during thrust control experiment, schematics of the experiment is analysised and revised. Results show that thrust oscillation is suppressed successfully. 초 록 정확한산화제유량조절은하이브리드로켓의추력제어에매우중요하다. 산화제유량제어를위해스텝모터와니들밸브를결합하여장치하고 Labview 프로그램으로제어하는산화제유량제어장치를설계하였다. 하이브리드로켓연소실험에사용한산화제는기체산소를사용하였고, 추진제로는 PolyCarbonate, PolyEthylene PMMA를사용하였다. 본연구에서는초기추력제어실험에서발생한추력섭동 (Oscillation) 을감쇠시키기위한연구로추력제어실험에서공급되는산화제배관유속의변화를통해발생되는추력섭동의원인을분석하였으며, 추진제종류에따라달라지는안정적인제어조건을찾기위한연구를수행하였다. Key Words: ( 하이브리드로켓 ), Thrust Control( 추력제어 ), Oxidizer Mass Flow Control ( 산화제유량제어 ), Regression Rate( 후퇴율 ) 1. 서론 * 학생회원, 충남대학교항공우주공학과 ** 종신회원, 충남대학교항공우주공학과연락저자, 하이브리드로켓은고체연료와액체 ( 기체 ) 산화제가이원화되어산화제의유량제어를통해

2 로켓의추력을제어할수있다는장점을가진다 [1,2]. 하이브리드로켓의추력제어를위해공급되는산화제의유량은연소과정에서발생하는 O/F ratio의변화와사용추진제의후퇴율특성, 그리고추력의크기에따라지속적으로변하게되는데안정적인추력제어를위해서는공급산화제의연속적이고정확한유량제어가필요하다. 본연구에서는하이브리드로켓의안정적인추력제어를위한실험으로 50 N급 Lab-scale 하이브리드로켓을이용하여초기추력제어실험 [3] 에서발생한추력 Oscillation현상의원인을분석하였으며, 추진제변화에따른안정적인추력제어실험을위해서산화제유량제어거리의영향에대해분석하였다. 통해제어하였다. Figure 1의산화제유량제어장치 (1) 와하이브리드로켓 (2) 까지의거리는 6.5 m의거리를두고초기실험을수행하였고, 추력제어성능을높이기위해두장치간의거리를줄여실험을수행하였다. 2.2 추력 Oscillation 문제점 Figure 2, 3은추진제 PE와 PC의추력제어초기실험결과이다. 점선으로표시된추력명령을따라추력이변하고있는것을확인할수있다. 하지만추력명령초기에추력이안정적으로유지되지못하고심하게 Oscillation하는것을확인할수있다 [3]. 2. 본론 2.1 산화제유량제어장치하이브리드로켓의추력제어를위한산화제공급시스템은 Fig. 1과같다. 하이브리드로켓추력제어실험에사용한산화제는기체산소 (GO 2) 이고, 고체추진제는세종류로 PE (polyethylene), PC(polycarbonate), PMMA(poly methyl methacrylate) 를사용하였다. 공급산화제의유량을추력명령에맞게제어하기위한산화제유량제어장치는 Needle Valve(N/V) 에 Stepping Motor(S/M) 를결합하여구성하였다 [4]. 유량제어시스템의원리는 S/M 가회전함에따라 N/V의개폐량조절을통해산화제의유동면적을조절하여유량을조절하는것이다. Fig. 2 Thrust Control Test (PE/GO 2) [3] Fig. 1 Configuration of Oxidizer Supply system Fig. 3 Thrust Control Test (PC/GO 2) [3] S/M는 sec간격의추력신호를로드셀로부터 feedback하여추력명령과비교하여제어되며, 추력신호와동일한시간간격으로디지털신호를 추력제어가안정적이지못한원인은단순한 feedback제어의제어성능문제와산화제유량제어장치인 S/M의하드웨어적인한계라고판단하

3 여원인분석을하였다. 하지만추력제어실험에서각추진제에따라발생하는 Oscillation양상이다른것을확인하였다. 따라서각추진제에따라안정적인추력제어를위한제어조건이있을것으로판단하였고, 추진제에따라 Oscillation이다르게나타나는원인을추진제의연소특성과연관하여분석하였다. 추력 Oscillation의양상을보면특정한패턴이없이요동치는것처럼보인다. 하지만각추진제별로동일한추력명령구간인 30 N의추력명령구간의두지점을교차하여분석한결과추력이 Oscillation하는변화폭과간격이같음을알수있었다. 또한 15 N의추력명령구간에서는 Oscillation폭이더커졌으며초기점화를위한 1 N 점화유량명령에서최대폭의 Oscillation 현상이발생하였다. 추력이높을때보다낮을때 Oscillation현상이커지는것을확인하고원인을분석한결과낮은추력에서의공급산화제의유량이작아짐에따라배관내산화제유속변화에의한유량제어장치의디지털신호제어간격인 sec동안산화제가이동하는거리의변화가 Oscillation현상의원인임을알수있었다. 2.3 원인분석 - 배관유속변화의고찰하이브리드로켓의추력실험과정에서터빈유량계 (TFM) 를통한산화제의유량을측정하였다. 측정된유량 ( ) 는배관단면적 ( ) 로나누어배관유속 ( ) 을계산하였다. (1) 유속계산시산화제온도와배관압력손실에의한영향은 0.01% 이내로그영향을무시하였다. Figure 4는추진제 PE의추력제어실험에서산화제유량데이터를통해계산된산화제배관속도이다. 평균속도를 Oscillation하는추력명령구간에서유량의평균을계산하면최저유속은 m/s이고최대유속은 m/s이다. 즉 15 N 추력명령인최저산화제유량구간에서는 157 m/s의유속으로산화제가배관을지나고, 최대의추력명령인 50 N에서는 230 m/s의유속이생긴다. 산화제유량을통해계산된최저유속에유량제어장치인 S/M의제어간격인 sec의시간을곱하면안정된추력을제어하기위한유량제어장치와하이브리드로켓사이의거리인최대산화제공급배관길이가나온다. 추진제마다추력제어실험의안정성을확보하기위해서는유량제어장치와하이브리드로켓을최대산화제공급배관길이보다가깝게설치해야한다고판단된다. Table 1에추진제별추력제어실험을통해얻은유속변화폭과최대산화제공급배관길이 ( max ) 를정리하였다. Table 1. Oxidizer Supply Conditions by Fuel Change Fuel Oxidizer Supply Velocity max PE 157.2~230.4m/sec 0.78 m PC 170~270 m/sec 0.65 m PMMA 275~375 m/sec 1.40 m Fig. 4 GO 2 Supply Velocity Change (GO 2/PE) 추력제어개선실험 Table 1의결과를바탕으로최대산화제공급배관길이 ( 산화제유량제어장치와하이브리드로켓사이의거리 ) 보다가까운 0.62 m로하이브리드로켓과산화제유량제어장치를설치하고, 그외의실험조건 ( 산화제가압, 제어명령등 ) 은 Fig 2, 3의실험과동일하게한상태에서추진제

4 PE와 PC의추력제어실험을수행하였다. 실험결과는 Fig. 5, 6에서보이는것처럼 Oscillation 현상이발생하지않았고, 추력명령에대한반응속도가빨라진모습을볼수있다. Fig. 5의 PE 추력제어실험결과는계산된 PE의최대산화제공급배관길이인 0.78 m보다가까운 0.62 m거리에서실험하였기때문에매우안정적인것을볼수있다. 하지만 Fig. 6의 PC 추력제어결과는계산된거리인 0.65 m와거의동일한거리를두고실험했기때문에저추력제어명령에서연소후반 O/F ratio가감소하면서불안정해지는모습을보였다. 이브리드로켓사이의거리계산의정확성을판단하기위해추진제 PMMA는최대유속과최저유속의중간인 310 m/s에서의산화제공급거리인 1.56 m에서실험을진행하였다. 그이유는 30 N 이상의추력제어에서는높은배관유속에의해스텝모터의제어시간동안산화제가배관내를이동하는거리가 1.56 m 이상이고 15 N 추력제어에서는배관유속이낮아져산화제이동거리가 1.56 m보다짧아당초예상했던 Oscillation 현상이발생하는것을확인하기위해서이다. 실험결과는 Fig. 7과같이 Oscillation 예상구간인 15 N추력명령에서만추력 Oscillation이발생하였다. Fig. 5 Enhanced Thrust Control Test PE/GO 2 Fig. 7 Enhanced Thrust Control Test PMMA/GO 2 Fig. 6 Enhanced Thrust Control Test PC/GO 2 안정적인추력제어를위한유량제어장치와하 2.5 후퇴율분석각추진제의연소특성인후퇴율 (regression rate) 특성을분석하기위해추력제어범위에서공급산화제의유량을변경하여후퇴율측정실험을하였다. 산화제질유량을연소전후의포트평균면적으로나눈평균산화제질량유속을통해후퇴율을계산하였다. 추력제어실험에서추진제의후퇴율특성의중요성은추진제에따른추력제어범위와시간을고려하기위해서중요하다 [5, 6]. 또한후퇴율과 O/F ratio와의관계를통해추력제어상황에서공급산화제의유량을예측할수있기때문에추진제에따른후퇴율실험식을계산하였다. 각추진제의후퇴율실험식의계산결과는 Fig. 8과 Eq. 2, 3, 4에정리하였다

5 실험을통해제어안정성을확인하였다. 후 기 이논문은 2009년정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의지원을받아수행된연구임 ( ). 참고문헌 Fig. 8 Regression Rate of solid fuels 3. 결론 본연구에서는하이브리드로켓의추력제어의초기실험에서발생한추력 Oscillation현상의원인을분석하였다. 추력 Oscillation현상의원인은추력제어과정에서지속적으로변하게되는산화제유량이배관유속의변화를발생시켜유량제어장치의제어시간간격동안산화제가안정적으로공급되는거리가변하기때문이라는것을확인하였다. 또한고체추진제의종류에따라후퇴율특성과 O/F ratio 가달라져배관유속은지속적으로달라지는것을파악하여안정적인추력제어를위한산화제유량제어장치와하이브리드연소기사이의배관길이를살펴보고 (2) (3) (4) 1. 권민찬, 허환일, 하이브리드로켓의개념소개및연구개발동향분석 Ⅰ - 대형프로젝트및기업, 한국항공우주학회지, 제30권 3 호, 2002, pp 권민찬, 허환일, 하이브리드로켓의개념소개및연구개발동향분석 Ⅱ - 대학및아마추어, 한국항공우주학회지, 제30권 3호, 2002, pp 윤동익, 강완규, 이용우, 이종률, 허환일, 하이브리드로켓의추력제어기법에대한기초연구, 제31회한국추진공학회학술대회, 이용우, 강완규, 헌환일, GO2/PE 하이브리드로켓의추력제어를위한시스템설계및기초실험, 한국항공우주학회지, 제14권제1 호, 2010, pp 강완규, 허환일, GO x/pc 하이브리드로켓의추력제어환경에서후퇴거리예측, 제 33회한국추진공학회학술대회, 강완규, 최재성, 허환일, GO x/pc, GO x/pe 하이브리드로켓의추력제어실험, 한국항공우주학회춘계학술대회,

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