핀틀 추력기는 고체 추진기관 내부에 핀틀이라는 구조물을 설치하고 구동기를 통해 병진 운동 시킴으로써 기하학적 노즐 목의 면적을 조절하게 된다. 노즐 목의 면적이 변화하게 되면 연소실 압력이 변화하게 되고, 이는 고체 추진제의 후퇴율을 변화시켜 추력기 전체의 압력과 추력을 변화시키게 된다.

핀틀 추력기는 고체 추진기관이 추력을 조절하기 어렵다는 단점을 극복할 수 있는 유용한 추력 조절 기법들 중 하나이지만, 핀틀의 움직임으로 인한 비정상 상태 특성이 발생된다는 점은 해결해야 할 과제이다. 순간적인 핀틀의 움직임으로 인하여 압력과 추력이 순간 급격히 상승하거나 감소하는 비정상 상태 특성이 발생하는데 이를 최소화 하는 것이 핀틀 추력기 설계에 있어 중요한 요소이다.

본 논문에서는 핀틀 추력기의 비정상 상태에서 발생되는 over/under shoot 현상을 최소화하고 빠른 수렴성을 가지는 압력 제어 기법에 관한 공압 기초 실험을 수행하였다. 이를 위하여 3 lube, 20 bara 급의 공압 탱크를 활용하여 압축공기 공급 시스템을 구성하였으며, 추력기와 핀틀을 설계/제작하였다. 또한 실험의 정확도를 높이기 위한 핀틀 구조물의 진동과 축 이탈 문제를 해결하기 위하여 추력기 내부에 구동기를 장착하고 보조 구조물과 리니어부쉬를 설치하였다.

또한 핀틀 위치를 정확히 측정하고 예측하기 위한 방법으로 변위 센서를 활용하였다. 매 실험을 시작하기 전 핀틀 위치를 측정함으로써 실험의 신뢰성을 높였다. 보정된 변위 센서를 활용하여 구동기 명령 스탭 수에 대한 구동 거리를 측정하여 계수로 활용하였다. 이 계수는 실험 중 변화하게 되는 핀틀 위치를 실시간으로 예측하는데 기준으로 사용되었다.

본 실험 연구에서는 총 4가지 제어 기법에 대한 실험을 진행하였으며, 크게 위치 제어와 압력 제어 기법으로 나누어 진행하였다.

제어 기법에 대한 실험을 진행하기에 앞서, 위치 제어를 하기 위해 필요한 비선형 방정식을 만들기 위한 정상 상태 실험을 우선 수행하였다. 각각의 핀틀 위치에 대하여 동일 조건으로 실험을 진행하고 추력과 압력의 평균값을 계산하였다. 이를 통하여 핀틀 위치별 압력의 그래프를 그렸으며, origin 프로그램을 이용하여 비선형 방정식을 도출하였다.

위치 제어 기법은 사용자가 설정한 명령 압력 값으로 수렴하기 위한 방법으로 비선형 방정식을 이용하여 명령 압력 값에 해당하는 핀틀 위치를 계산해내고 이를 통하여 구동기에 명령을 내리게 된다. 따라서 위치 제어 기법은 압력 피드백 방식와 비교하여 연소실 압력 센서의 출력값을 활용하지 않고 온전히 비선형 방정식에 의존하여 명령을 수행하게 된다. 반면 압력 제어 기법은 연소실 압력 센서로부터 출력되는 값을 기준으로 하여 구동기에 전진, 후진, 정지 명령을 내리게 되는 방식이다. 때문에 위치 제어에서 사용되는 명령 방식과는 다르며 온전히 압력 센서의 출력 값에 의존하여 명령을 수행하게 된다.

정상 상태 및 비정상 상태 공압 실험 수행 결과를 요약하면 아래와 같다.

1. 핀틀(pintle)의 형상에 따라 정상 상태 특성이 서로 다르게 나타나게 된다. 오목(concave)한 형상의 경우 핀틀이 전진함에 따라 노즐 목 면적(nozzle throat area)의 감소율이 낮게 시작되지만 최대 전진 구간에서는 가장 큰 감소율을 나타내는 것을 확인할 수 있었다. 볼록(convex)한 형상의 경우 핀틀이 전진함에 따라 노즐 목 면적의 감소율이 선형적으로 크게 나타났다. 핀틀 추력기를 설계함에 있어서 가장 작은 스트로크 구간을 가지면서도 가장 큰 추력비를 가져야 한다는 것을 바탕으로 분석하여보자면, 볼록한 형상을 가지는 핀틀 형상이 가장 적합하다는 결론을 얻을 수 있었다.

2. 핀틀 추력기의 성능은 핀틀의 형상에 따라 정도의 차이가 발생되지만, 노즐 목 면적을 기준으로 추력 및 압력 특성을 살펴보면 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 이는 핀틀의 형상이 동적 특성에는 큰 영향을 미치는 요소로 작용하지만, 정적 특성에는 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있다. 때문에 이러한 특성은 핀틀 추력기를 설계함에 있어서 핀틀의 형상보다는 노즐 목 면적의 변화에 초점을 맞추어 설계를 진행하는 것이 적절하다고 하겠다.

3. 비정상 상태 실험을 수행한 결과, 위치 제어 기법이 수렴성에서 좋지 못한 결과를 얻었다. 이에 따라 위치 제어 기법에 추가로 보정할 수 있는 로직(logic)을 적용하였으며, 그 결과 0.1 bar의 작은 허용 오차 조건에서도 명령 값에 정확히 수렴하는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 보정용 제어 로직을 적용하게 되면 압력과 추력값의 진동 문제가 발생되기 때문에 사용하지 않는 것이 진동 문제를 해결하기 위한 가장 좋은 방법이라고 할 수 있다. 현재의 실험 장치 내에서는 핀틀의 스트로크를 정확하게 측정하는데 한계가 있기 때문에 추후 스트로크 측정에서의 정밀성을 높인다면 순수한 위치 제어 기법 만으로도 빠른 응답시간을 가지는 제어 기법을 찾아낼 수 있을 것으로 판단된다.

4. 압력 피드백 기법에서는 허용 오차에 따라 진동 문제가 심하게 발생하여 수렴성이 매우 낮아지는 것을 볼 수 있었다. 현재는 PD, PID와 같은 제어기를 적용하지 못하였기 때문에, 압력 피드백 기법에 대한 일반적 결론을 내릴 수는 없으며 추후 장비의 보완이 이루어진 이후에 추가 실험을 통한 제어 실험이 이루어져야 한다.

다만 본 연구를 수행함에 있어서 한계점이 분명히 존재하며, 그러한 한계점이 명확히 이해되는 상황에서는 본 연구의 내용이 활용 가치를 가질 수 있다고 판단된다. 추후 구동기의 구동 속도 등을 제어할 수 있는 장비 등이 갖추어 진다면 더욱 세밀하고 다양한 제어 기법에 대한 연구를 지속할 수 있을 것으로 사료되며, 핀틀 추력기의 중요한 연구 분야인 제어 기법에 관한 연구에서 좋은 결실을 얻을 수 있을 것이라 생각된다. 더불어 앞서 쵸킹 조건의 오류절에서 언급하였던 내용들을 기본으로하여 압력 강하의 요인들을 제거하고 오리피스 전단에 충분한 압력을 공급할 수 있는 공급 장치로 개선을 한다면 내/외부형 핀틀 실험을 진행하는데 있어 일정한 공급 유량 조건으로 더 넓은 신뢰 범위를 가지며 결과 값을 얻어낼 수 있을 것이라 판단된다.

Pintle thruster is one of useful thrust control methods for solid rocket motor, but its unsteady state from movement of pintle should be solved. Because of momentary movements of pintle, there is unsteady state of dramatic increase or regression of pressure and thrust. To minimize this side effect is an important element of pintle thruster design.

For this study, a basic pneumatic experiment about pressure control to minimize over/under shoot phenomena in unsteady state of pintle thruster and to have fast convergence was conducted. Experiments using 4 control methods were conducted by categorizing into position control and pressure control.

The experimental results are as follows:

1. When it is concave, as pintle moves forwards, reduction rate of area of nozzle throat starts at low point. But in maximum forwarding point, it has biggest value of decrease. If it is convex, pintle moves forwards, reduction rate is linearly high. For designing pintle thruster, by analyzing based on that there should be the smallest pintle stroke but the biggest thrust, convex form of pintle is most appropriate.

2. Performance of pintle thruster depends on shape of pintle but for nozzle throat area and pressure show similar results. From this, shape of pintle has important parameter on dynamic characteristics but it barely affects on static ones. Therefore, when designing pintle thruster, changes of area of nozzle throat should be focused.

3. From experiment in unsteady state, position control method does not show positive results in convergence. Accordingly, logic for additional correction to position control is applied and then the result is convergent in command value in such small tolerance of 0.1 bar. However, when applying control logic for correcting, it affects on vibration of pressure and thrust and it is the best way not to use it. In current experimental device, there is limit in measuring stroke of pintle accurately. If preciseness in measuring stroke is higher, with position control only, control method of quicker reaction may be discovered.

4. For pressure control, depending on tolerance, vibration problem happens and convergence is very low. Currently, it is not available to apply controller such as PD or PID and general conclusion for pressure control cannot be discussed. Additional control experiment should be conducted after supplement of more devices.

There are definitely some limits in this experiment and with circumstance to understand it, this study has meanings.