한국추진공학회지제 15 권제 1 호, pp.55-62, 2011 년 2 월 55 硏究論文 하이브리드로켓의추력제어성능향상에관한연구 최재성 * 강완규 ** 허환일 *** Study of Thrust Control Performance Improvement for Hybrid Rocket Applications Jae Sung Choi* Wankyu Kang** Hwanil Huh*** ABSTRACT In this study, we tried to improve the thrust control performance through the thrust control combustion experiment of the hybrid rocket. We constructed the system which controls the oxidizer flow by combining a needle valve with a stepping motor and controlling the stepping motor drive according to the thrust control command order. Gas oxygen was used as the oxidizer for two different propellants, PE(Polyethylene), PC(Polycarbonate), respectively. To improve the slow response time and the oscillation phenomenon in the beginning stage of the thrust control combustion experiment, we measured and analyzed the change of the flow speed of the propellant pipe. The revised thrust control combustion experiment showed that the thrust was stably controlled with the margin or error from the thrust command within ±1 N. 초 록 본연구에서는하이브리드로켓의추력제어연소실험을통하여추력제어성능향상을위한연구를진행하였다. 추력제어명령에따라니들밸브와결합된스텝모터의구동을제어함으로써산화제유량을조절하는시스템을구축하였다. 하이브리드로켓연소실험에서사용된산화제로는기체산소 (GO 2) 를사용하였으며추진제는 PE(Polyethylene) 와 PC(Polycarbonate) 를사용하였다. 추력제어연소실험초기에발생되었던추력섭동 (Thrust Oscillation) 현상의개선과낮은응답속도의향상을위해연소실험과정에서산화제배관의유속변화를측정하고원인을분석하였다. 이를보완한연소실험을통하여추력명령의 ±1 N 이내에서추력이안정적으로제어되었다. Key Words: Hybrid Rocket( 하이브리드로켓 ), Stepping Motor( 스텝모터 ), Thrust Control( 추력제어 ), Oxidizer Mass Flow Control( 산화제유량제어 ), Thrust Oscillation( 추력섭동 ) 접수일 2010. 12. 8, 수정완료일 2011. 1. 29, 게재확정일 2011. 2. 7 * 학생회원, 충남대학교대학원항공우주공학과 ** 정회원, ( 주 )LIG 풍산프로테크 *** 종신회원, 충남대학교항공우주공학과 교신저자, E-mail: hwanil@cnu.ac.kr 1. 서론 하이브리드로켓추진개념은 70 여년전에
56 최재성 강완규 허환일한국추진공학회지 독일의 Leonid Andrussow에의해처음고안되었지만 1960년대까지는고체추진과액체추진에비해서활발한연구가이루어지지못했다 [1]. 이는저장성과간결성을요구하는국방분야에서의고체로켓선택과고추력성능을통한고성능임무능력을요구하는우주개발분야에서의액체로켓선택으로인해비교적많은연구가이루어지지못한것이다. 하지만최근하이브리드로켓은선진국을중심으로많은연구개발이진행되고있다. 하이브리드로켓연구가주목받고있는이유는고체추진기관에서발생할수있는폭발사고가발생하지않는다는안정성을가지고있다. 또한액체로켓보다는비교적간단한구조로산화제유량제어를통한추력제어가가능하고, 필요에따라엔진의소화 / 재점화가가능하며, 친환경적인특성을가지고있다. 이러한장점으로인해우주발사체및무기체계에적용하기위한많은연구가진행되고있다 [2]. 국내에서도조선대학교 [3], KAIST[4], 한국항공대학교 [5], 그리고충남대학교등연구실을중심으로소형하이브리드로켓의연소성능향상을위하여하이브리드로켓추진제의연소특성이나추력성능향상에대한연구와점화기법에관한연구가집중되고있으나하이브리드로켓의장점중에하나인추력제어에대한연구는부족한실정이다. 하이브리드로켓의추력제어를위해공급되는산화제의유량은연소과정에서발생하는지속적으로감소하는 O/F ratio의변화와사용되는추진제의후퇴율특성, 그리고추력명령에의한추력값의크기에따라지속적으로변하게되는데안정적인추력제어를위해서는공급산화제의연속적이고정확한유량제어가필요하다. 본연구는산화제유량제어를통해가능성을확인한연구를통하여높은오차범위와산화제배관의길이로인한추력제어실험의문제점을파악하고, 이를보완하여연소실험을통해안정적으로추력을제어함으로써추력제어성능을향상시킬수있었다. 또한추진제변경을통한추력제어실험을통하여하이브리드로켓의추력제어가능성을확인하는연구를수행하였다. 2.1 하이브리드로켓 2. 실험장치구성 본연구에서산화제는기체산소 (GO 2) 를사용하였고추진제로는높은안정성으로하이브리드연구에많이사용되는 PE(Polyethylene) 를사용하여실험을진행하였다. 그리고안정성을확보한후추진제변화에따른추력제어실험을수행하였다. 실험에사용된기체산화제와고체추진제의물성은 Table 1과같다. 하이브리드로켓은연소실압력 100 psig, 추력 50 N 급하이브리드로켓을설계를하였으며, Fig. 1은하이브리드로켓설계도로산화제와점화원이공급되는예연소실과추진제가위치하는연소실, 노즐이위치하는후방연소실로구성된다. 점화는니들밸브의개폐량을조절하여산화제인기체산소를유입시키고, 부탄가스와혼합하여자동차용점화플러그를이용해점화하였다. 2.2 산화제유량제어장치 하이브리드로켓의추력제어를위한산화제공급시스템은 Fig. 2와같다. 공급산화제의유 Table 1. Propellants and Oxidizer Oxidizer Gas Oxygen (GO 2) 종류 PE PC Fuel 밀도 (kg/m 3 ) 951 1250 Grain length (mm) 180 Port diameter (mm) 25 Fig. 1 Drawings of Hybrid Rocket Motor
제 15 권제 1 호 2011. 2. 하이브리드로켓의추력제어성능향상에관한연구 57 Fig. 2 Stepping Motor and Needle Valve Fig. 4 Schematic of Hybrid Rocket Thrust Control System Fig. 3 Configuration of Oxidizer Supply System 량을추력명령에맞도록제어하기위해서니들밸브 (N/V) 에스텝핑모터 (S/M) 를결합하여구성하였다. 유량제어시스템의원리는 S/M가회전함에따라 N/V의개폐량을조절하고산화제의유동면적을변화시킴으로써유량을조절하였다. 연소실험에앞서유량계를이용하여스텝수에따른유량측정실험을통하여신뢰성을확보하였다 [6]. 스텝핑모터 (S/M) 는 0.005 sec 간격마다로드셀로부터 Feedback 받는추력신호를추력명령과비교하는과정을거쳐명령값의허용오차범위에서제어되며, 추력신호와동일한시간간격으로디지털신호를통하여제어된다. 2.4 제어프로그램구성 Figure 5와같이 LabView를이용하여하이브리드로켓의추력제어뿐만아니라산화제, 부탄, 점화기를수동 / 자동으로제어하고실험을통해얻어지는데이터를획득할수있도록프로그래밍하였다. 프로그램을통한유량의제어방법은실제추력과명령추력의오차에따라서스텝모터의스텝이조절되며니들밸브의개폐정도를조절할수있게하였다. 또한시간에따른추력명령을주어입력된시간에자동으로추력명령이변하는것은물론연소시작부터연소종료후연소실퍼지 (Purge) 까지자동으로실행되도록프로그램을구성하였다. 또한비상시사고에대처하기위해자동으로구성된프로그램을수동으로바꾸어컨트롤할수있게대비해놓았다. 2.3 실험장치구성전체적인실험장치는 Fig. 4와같으며하이브리드로켓의추력을측정하는추력측정장치와산화제유량을제어하기위한유량제어장치, 점화를위해사용되어지는부탄가스공급장치와연소종료후의퍼지를위한질소퍼지시스템으로구성되어있으며, 실험데이터를측정하기위한측정장치로구성되어있다. Fig. 5 Hybrid Rocket Control Programs
58 최재성 강완규 허환일한국추진공학회지 3. 하이브리드추력제어실험 3.1 1차추력제어실험 1차연소실험은하이브리드로켓의추력조절가능성을확인하는목적으로연소실험을실시하였다. Fig. 6은기체산소를 300 psig 로가압하여공급하였으며사전에입력된추력명령에따라서유량을자동으로조절하여얻은실험결과이다. 유량을자동으로조절하는첫실험이기때문에프로그램의오작동문제를고려하여추력의허용오차범위를 5 N 으로설정하고실험을수행하였다. 추력제어는 20 N - 10 N - 20 N - 0 N 으로설정하고실험을수행하였다. Figure 6에서점선으로표시된추력명령을따라서추력의허용오차범위 5 N 범위에서추력이변하는것을확인하였다. 그러나오차허용범위가너무커서추력을일정하게유지하지못하였고반응속도가상당히느린것을확인할수있다. 2차추력제어실험에는 1차추력제어실험에서보다연소시간을좀더늘려총 50초간추력명령을통해연소될수있도록하였고정해진추력명령에서의오차범위 1 N 에서실험을수행하였다. 추력은 30 N - 15 N - 30 N - 50 N - 0 N 으로설정하고제어하였다. 또한추진제를 PC로변경하여추력제어실험을실시함으로추진제의변경에도산화제유량제어를통한추력제어의가능성을검증하는실험을실시하였다. 추력제어실험결과 Fig. 7, 8과같은결과를얻을수있었으며 1차추력제어실험에비하여작은허용오차범위로인하여추력명령에보다정확히수렴되는것을확인할수있으며또한추력명령에도달하는반응속도도빨라졌음을확인할수있었다. 하지만초기점화단계에서추력값이크게올라가는현상과명령추력값 3.2 2차추력제어실험 1차추력제어실험을통해스텝모터와니들밸브를이용하여산화제유량을조절함으로써추력조절의가능성을확인하였다. 추력제어성능의향상을위해 1차추력제어실험에서의문제점을파악하여사용되어진산화제공급배관의직경을넓히고불필요한배관부품을제거하여압력손실을최소화하였다. Fig. 7 2nd Thrust Control Test (PE/GO 2) Fig. 6 1st Thrust Control Test (PE/GO 2) [7] Fig. 8 2nd Thrust Control Test (PC/GO2) [8]
제 15 권제 1 호 2011. 2. 하이브리드로켓의추력제어성능향상에관한연구 59 에도달하면서추력섭동현상이비교적크게발생되는문제점을확인할수있었다. 추진제를 PC로변경한실험에서도역시 PE를사용한실험과유사한결과를나타내는것을확인할수있었다. 3.3 3차추력제어실험 3.3.1 추력섭동 (Oscillation) 현상의개선 2차추력제어실험결과추력데이터에서발생하는추력섭동현상의양상을각추력명령구간에서살펴보면추력명령이 30 N 의구간에서의양상과 15 N 의구간에서의추력섭동현상의진폭이더커졌음을확인할수있다. 또한초기점화를위한 1 N 의점화유량제어구간내에서가장큰폭의추력섭동현상이발생하였다. 이러한원인을파악하기위하여추력제어실험과정에서터빈유량계 (TFM) 를통하여산화제의유량을측정하였다. 측정된유량 (Q p) 은배관단면적 (A p) 으로나누어배관유속 (V p) 을계산하였으며유속계산시산화제온도와배관압력손실에의한영향은무시할수있으므로그영향은배제하였다. (1) Figure 9는추진제 PE를사용한하이브리드로켓의산화제유량을측정한결과로부터배관속의유속을계산한것이다. 각구간에서의평균유속을살펴보면추력명령이가장작은 15 N 일때의유속은 157 m/s 이며가장큰추력명령인 50 N일때에의유속은 230 m/s로배관을흐르게되는것을알수있다. 이러한유속을통하여산화제제어장치인 S/M의제어간격인 0.005 sec (1/200 sec) 의시간을곱하면안정된추력을제어하기위한산화제배관의길이를구할수있다. 이러한산화제배관의길이를 Fig. 10에나타내었다. 그래프분석을통해안정된추력을제어하기위해서는최소유속을나타내는 15 N 구간의배관길이 0.78 m 보다산화제제어장치와하이브리드로켓과의거리가더가까워야한다. Fig. 9 GO2 Supply Velocity Change (PE/GO2) [9] Fig. 10 GO2 Supply Distance (PE/GO2) 하지만기존의연소실험에서는산화제제어장치와하이브리드로켓과의거리가안전상의문제로인하여배관의길이를더길게구성하였다. 이로인해낮은추력에서공급되는산화제유량제어장치의디지털신호제어의간격인 0.005 sec 동안산화제가연소실까지이동되지못하여추력명령값에해당하는산화제공급유량의조절이원활이이루어지지않아추력명령값의초기에추력섭동현상이심하게이루어지며시간이지나면서추력명령에수렴되는것이다. 위의결과를이용하여추진제 PC를사용하였을때의산화제유량측정을통하여유속을계산하여보고산화제의배관길이를 Fig. 11, 12 에나타내었다. 이결과를통해안정된추력제어를확보하기위해서는추진제 PE에사용된배관길이보다더짧은 0.65 m 이내여야한다는것을확인할수
60 최재성 강완규 허환일한국추진공학회지 Fig. 11 GO2 Supply Velocity Change (PC/GO2) Fig. 13 3rd Thrust Control Test (PE/GO2) [9] Fig. 12 GO2 Supply Distance (PC/GO2) 있다. 동일한추력값을발생하기위한 O/F ratio의차이로인한유속의차이가발생하기때문에추진제종류에따라요구되는최소산화제배관이길이가다르며이를 Table 2에정리하였다. Table 2. Oxidizer Supply Conditions by Fuel Change [9] Fuel Oxidizer Supply Velocity max PE 157.2~230.4m/sec 0.78 m PC 170~270 m/sec 0.65 m 3.3.2 추력제어실험앞선결과를바탕으로산화제유량제어장치와하이브리드로켓과의거리를최소한의산화제공급배관길이인 0.65 m 보다가까운 0.62 m로변경하여제어실험을실시하였으며그외의실험조건인산화제가압압력과추력제어명령값은동일한조건으로실험을진행하였다. Figure 13은추진제 PE를사용하였을때추력제어실험을실시한결과로 2차추력제어실험의결과인 Fig. 7에비하여초기추력명령에서추력섭동현상이발생하지않는것을볼수있다. 또한추력명령에대한응답속도역시빨라진모습을볼수있다. 이러한결과는안정적인추력제어에서필요한최소한의산화제공급배관길이인 0.78 m 보다가까운 0.62 m 에서실험을실시하였기때문이다. 추력명령에따른정확한산화제유량이스텝모터에의해조절되어공급된것을확인할수있다. 또한초기점화에서발생되었던추력섭동현상도점화를위한 1 N 의점화유량명령에따라산화제가공급되는양이감소하면서점화시발생했던불안정한연소현상도보완된것을볼수있다. Figure 14는추진제 PC를사용하였을때의추력제어실험결과이다. Fig. 13의추진제 PE를사용한경우와같이 2차추력제어실험 (Fig. 8) 에비해추력섭동현상이대폭감소한것을볼수있다. 하지만저추력구간인 15 N 에서는연소후반에큰추력섭동현상이발생하였다. 이는안정적인추력제어를위한최소산화제배관길이인 0.65 m 와거의동일한거리를두고실험을하였기때문에하이브리드로켓으로유입되는산화제유량의도달이유량제어장치의제어
제 15 권제 1 호 2011. 2. 하이브리드로켓의추력제어성능향상에관한연구 61 4. 결론 Fig. 14 3rd Thrust Control Test (PC/GO2) [9] 시간간격동안안정적으로유입되지못하여추력섭동현상이발생한것이다. 가장안정적인추력제어가이루어진추진제 PE를이용하여추력제어명령값을작게하여연소실험을진행하였다. 기존의추력제어명령값을조정하여 30 N - 32 N - 34 N - 32 N - 30 N - 0 N으로추력간격을 2 N 간격으로설정하여실시하였으며그외의실험조건은동일하게진행하였다. Fig. 15는그에따른실험결과를나타낸것으로앞서진행되었던결과와같이추력섭동현상이발생하지않고작은변화폭의추력제어명령에맞추어안정적인제어가정확히이루어진것을확인할수있었다. 본연구에서는산화제유량조절을통한하이브리드로켓의추력제어성능향상에대한연구를진행하였다. 추력제어실험에서의추력명령초기에발생한추력섭동현상과낮은응답속도대한문제점을발견하였다. 이러한원인은추력명령에따른산화제배관의유속변화로인하여하이브리드로켓으로유입되는산화제유량의도달이유량제어장치의제어시간간격동안안정적으로유입되지못한다고분석을하였다. 이를보완하기위하여각추력명령구간에따른유속을계산하여그에따른안정적인추력제어를위한산화제배관의길이를계산하였으며실질적으로연소실험에적용하였다. 그결과응답속도의향상및추력명령의 ±1 N 이내에서추력이안정적으로추력제어가이루어졌다. 후기 이논문은 2010년정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원으로한국연구재단의기초연구사업지원을받아수행된것임 (2010-0017045) 참고문헌 Fig. 15 Thrust Control Test by Command (30-32 - 34-32 - 30-0 N) 1. 권민찬, 허환일, 하이브리드로켓의개념소개및연구개발동향분석 Ⅰ- 대형프로젝트및기업, 한국항공우주학회지, 제30권 3호, 2002, pp.146-154 2. 권민찬, 허환일, 하이브리드로켓의개념소개및연구개발동향분석 Ⅱ- 대학및아마추어, 한국항공우주학회지, 제30권 3호, 2002, pp.155-163 3. 용승주, 김태규, N 2O 촉매분해를이용한하이브리드로켓자연점화연구, 한국추진공학회춘계학술발표회논문집, 2010, pp.202-205
62 최재성 강완규 허환일한국추진공학회지 4. 안성용, 진정근, 정은상, 권세진, 과산화수소촉매분해를이용한하이브리드로켓자연점화, 한국추진공학회추계학술대회논문집, 2009, pp.499-506 5. 김학철, 김수종, 전두성, 우경진, 이정표, 문회장, 성홍계, 이진곤 용융성다이아프램을이용한하이브리드로켓의연소특성연구, 한국추진공학회추계학술대회논문집, 2010, pp.474-478 6. 오화영, 문성환, 허환일, HTPB/GO 2 하이브리드로켓의산화제유량제어, 한국추진공학회추계학술대회논문집, 2004, pp.251-254 7. 이용우, 강완규, 허환일, GO 2/PE 하이브리드로켓의추력제어를위한시스템설계및기초실험, 한국추진공학회지, 제14권, 제1호, 2010, pp.40-47 8. 강완규, 허환일, GOx/PC 하이브리드로켓의추력제어환경에서후퇴거리예측, 한국추진공학회추계학술대회논문집, 2009, pp.526-529 9. 강완규, 최재성, 허환일. 하이브리드로켓의추력제어를위한추력섭동감쇄에관한연구, 한국추진공학회춘계학술대회논문집, 2010, pp.197-201