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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 文熙璋
- 발행연도
- 2019
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수22
이 논문의 연구 히스토리 (4)
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하이브리드 로켓 추진시스템에서 사용되는 용융성 연료인 파라핀 연료는 녹는점이 낮아 특이한 연소 메커니즘을 가져 높은 후퇴율을 갖는다. 그러나 연료표면에서 생성된 액적들이 연소실 내부에서 완전 연소되지 못하고 노즐 외부로 배출되어 낮은 연소효율을 초래한다는 문제점이 있다.
따라서 본 연구에서는 다음과 같은 3가지 경우에 대해 후연소실의 길이 및 직경을 변화시켜 연소 시험을 수행하여 하이브리드 로켓 추진시스템용 용융성 고체 연료에 대한 연소 특성에 관해 파악하였다.
1. 후연소실 길이 변화에 따른 연소 특성
후연소실의 길이 변화에 따른 연소 특성을 파악하기 위해 직경을 40 mm로 고정하고 길이가 40 mm, 60 mm, 80 mm, 160 mm인 후연소실을 설계 제작하여 연소 시험을 수행하였다. 후연소실의 길이가 80 mm까지 증가함에 따라 후퇴율 및 평균 연소실 압력이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 후연소실의 길이가 증가함에 따라 파라핀 액적들이 연소될 수 있는 잔류 시간이 증가하여 후퇴율 및 평균 연소실 압력이 상승하는 것으로 사료된다. 그러나 길이가 160 mm인 경우에는 내부 유동장에 영향을 미쳐 후퇴율 및 평균 연소실 압력이 감소하는 것으로 사료된다.
특성속도 및 연소 효율에 대해 파악하기 위해 O/F비, , 잔류 시간에 따른 특성속도 및 연소 효율을 파악하였다. 후연소실 길이가 증가할수록 및 잔류 시간이 증가하여 길이가 80 mm 경우가 40 mm인 경우 대비 길이가 2배 증가함에 따라 연소효율이 약 14%의 증가한 것을 확인할 수 있다. 그러나 후연소실 길이가 80 mm인 경우가 최댓값을 갖는 것을 확인할 수 있어 후연소실 길이가 증가함에 따라 후연소실 내 파라핀 연료의 액적들이 연소가 더욱 진행되어 특성속도는 증가하나 연소 효율을 높일 수 있는 후연소실 길이에 대한 한계점이 존재하는 것으로 판단된다.
2. 후연소실 직경 변화에 따른 연소 특성
후연소실의 직경을 변화시킬 경우, 연료와 후연소실 단차에 의한 재순환 영역의 크기가 변하게 된다. 이에 대한 영향을 파악하기 위해 후연소실 길이를 60 mm로 고정하고 직경이 40 mm, 46.2 mm, 60 mm인 후연소실을 설계 제작하여 연소 시험을 수행하였다. 후연소실의 직경이 증가함에도 불구하고 파라핀 연료의 후퇴율 및 평균 연소실 압력의 차이는 미미함을 확인하였다.
O/F비, , 잔류 시간에 따른 특성속도 및 연소 효율에 대하여 파악한 결과, 후연소실의 직경이 증가함에 따라 및 잔류 시간이 증가하나 특성속도 및 연소 효율의 차이는 크지 않음을 확인하였다. 이는 연료와 후연소실 단차에 의한 재순환 영역의 크기는 용융성 연료인 파라핀 연료의 연소 특성에 미치는 영향이 미미하다고 판단된다.
3. 동일 부피 간 후연소실 연소 특성
부피가 동일한 두 후연소실에 대한 연소 특성을 파악하고자 길이 80 mm, 직경 40 mm인 후연소실과 길이 60 mm, 직경 46.2 mm인 후연소실을 설계 제작하여 연소 시험을 수행하였다. 후연소실의 부피가 동일함에도 불구하고 상대적으로 후연소실 길이가 긴 경우의 후퇴율 및 평균 연소실 압력이 큰 것을 확인할 수 있다.
O/F비, , 잔류 시간에 따른 특성속도 및 연소 효율에 대하여 파악한 결과, 특성속도의 값의 차이는 크지 않음을 확인하였다. 그러나 특성속도 연소 효율은 상대적으로 후연소실 길이가 긴 경우가 더 높음을 확인할 수 있다. 따라서 하이브리드 로켓 추진시스템에서 용융성 연료인 파라핀 연료의 연소 특성은 후연소실의 직경 보다는 길이의 영향을 더욱 받는 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 후연소실 길이 및 직경 변화에 따른 용융성 연료인 파라핀 연료에 연소 특성을 파악하여 후연소실의 길이의 영향이 직경에 비해 크다는 것을 확인하였다. 그러나 본 연구의 연소 시험은 Lab-scale 연소 시험이므로 후연소실 직경 변화에 따른 영향이 적은 것으로 판단되며 스케일이 큰 대형 하이브리드 로켓 추진시스템에서는 직경에 대한 영향 또한 무시 못 할 것으로 사료된다.
따라서 본 연구에서는 다음과 같은 3가지 경우에 대해 후연소실의 길이 및 직경을 변화시켜 연소 시험을 수행하여 하이브리드 로켓 추진시스템용 용융성 고체 연료에 대한 연소 특성에 관해 파악하였다.
1. 후연소실 길이 변화에 따른 연소 특성
후연소실의 길이 변화에 따른 연소 특성을 파악하기 위해 직경을 40 mm로 고정하고 길이가 40 mm, 60 mm, 80 mm, 160 mm인 후연소실을 설계 제작하여 연소 시험을 수행하였다. 후연소실의 길이가 80 mm까지 증가함에 따라 후퇴율 및 평균 연소실 압력이 증가하는 것을 확인하였다. 이는 후연소실의 길이가 증가함에 따라 파라핀 액적들이 연소될 수 있는 잔류 시간이 증가하여 후퇴율 및 평균 연소실 압력이 상승하는 것으로 사료된다. 그러나 길이가 160 mm인 경우에는 내부 유동장에 영향을 미쳐 후퇴율 및 평균 연소실 압력이 감소하는 것으로 사료된다.
특성속도 및 연소 효율에 대해 파악하기 위해 O/F비, , 잔류 시간에 따른 특성속도 및 연소 효율을 파악하였다. 후연소실 길이가 증가할수록 및 잔류 시간이 증가하여 길이가 80 mm 경우가 40 mm인 경우 대비 길이가 2배 증가함에 따라 연소효율이 약 14%의 증가한 것을 확인할 수 있다. 그러나 후연소실 길이가 80 mm인 경우가 최댓값을 갖는 것을 확인할 수 있어 후연소실 길이가 증가함에 따라 후연소실 내 파라핀 연료의 액적들이 연소가 더욱 진행되어 특성속도는 증가하나 연소 효율을 높일 수 있는 후연소실 길이에 대한 한계점이 존재하는 것으로 판단된다.
2. 후연소실 직경 변화에 따른 연소 특성
후연소실의 직경을 변화시킬 경우, 연료와 후연소실 단차에 의한 재순환 영역의 크기가 변하게 된다. 이에 대한 영향을 파악하기 위해 후연소실 길이를 60 mm로 고정하고 직경이 40 mm, 46.2 mm, 60 mm인 후연소실을 설계 제작하여 연소 시험을 수행하였다. 후연소실의 직경이 증가함에도 불구하고 파라핀 연료의 후퇴율 및 평균 연소실 압력의 차이는 미미함을 확인하였다.
O/F비, , 잔류 시간에 따른 특성속도 및 연소 효율에 대하여 파악한 결과, 후연소실의 직경이 증가함에 따라 및 잔류 시간이 증가하나 특성속도 및 연소 효율의 차이는 크지 않음을 확인하였다. 이는 연료와 후연소실 단차에 의한 재순환 영역의 크기는 용융성 연료인 파라핀 연료의 연소 특성에 미치는 영향이 미미하다고 판단된다.
3. 동일 부피 간 후연소실 연소 특성
부피가 동일한 두 후연소실에 대한 연소 특성을 파악하고자 길이 80 mm, 직경 40 mm인 후연소실과 길이 60 mm, 직경 46.2 mm인 후연소실을 설계 제작하여 연소 시험을 수행하였다. 후연소실의 부피가 동일함에도 불구하고 상대적으로 후연소실 길이가 긴 경우의 후퇴율 및 평균 연소실 압력이 큰 것을 확인할 수 있다.
O/F비, , 잔류 시간에 따른 특성속도 및 연소 효율에 대하여 파악한 결과, 특성속도의 값의 차이는 크지 않음을 확인하였다. 그러나 특성속도 연소 효율은 상대적으로 후연소실 길이가 긴 경우가 더 높음을 확인할 수 있다. 따라서 하이브리드 로켓 추진시스템에서 용융성 연료인 파라핀 연료의 연소 특성은 후연소실의 직경 보다는 길이의 영향을 더욱 받는 것으로 판단된다.
본 연구를 통해 후연소실 길이 및 직경 변화에 따른 용융성 연료인 파라핀 연료에 연소 특성을 파악하여 후연소실의 길이의 영향이 직경에 비해 크다는 것을 확인하였다. 그러나 본 연구의 연소 시험은 Lab-scale 연소 시험이므로 후연소실 직경 변화에 따른 영향이 적은 것으로 판단되며 스케일이 큰 대형 하이브리드 로켓 추진시스템에서는 직경에 대한 영향 또한 무시 못 할 것으로 사료된다.
목차
제1장 서론(Introduction)1.1 연구 배경(Research Background and Motivation) 11.2 하이브리드 로켓 추진시스템의 연구 동향(Research Trends of Hybrid Rocket Propulsion System) 41.3 연구 목적(Research Objectives) 7제2장 이론적 배경(Theoretical Backgrounds)2.1 하이브리드 로켓 추진시스템의 연소 특성(Hybrid Combustion Characteristics) 102.2 파라핀 연료의 연소 특성(Combustion Characteristics of Paraffin Wax) 142.3 잔류 시간(Residence Time) 16제3장 연료 선정 및 후연소실 형상 설계(Selection of Fuel and Design of Post-chamber Configuration)3.1 연료용 파라핀 선정(Selection of Paraffin Wax for Fuel) 183.2 후연소실 형상 설계(Design of Post-chamber Configuration) 213.2.1 길이 변화에 따른 후연소실 형상(Configuration of Post-chamber by Length) 213.2.2 직경 변화에 따른 후연소실 형상(Configuration of Post-chamber by Diameter) 223.2.3 동일 부피 간 후연소실 형상(Configuration of Post-chamber between Identical Volume) 24제4장 실험 장비 및 실험조건(Test Equipment and Test Conditions)4.1 실험 장비(Test Equipment) 264.1.1 하이브리드 로켓 연소시험 설비(Hybrid Rocket Combustion Test System) 264.1.2 산화제 공급 시스템(Oxidizer Supply System) 274.1.3 점화 시스템(Ignition System) 284.1.4 데이터 획득 및 제어 시스템(Data acquisition system) 284.1.5 연소기 시스템(Combustion System) 294.2 연소시험 조건(Test Conditions of Combustion) 30제5장 후연소실 형상에 따른 연소특성 분석(Combustion Characteristics by Configuration of Post-chamber)5.1 후퇴율 비교(Comparison of Regression Rate) 315.1.1 후연소실 길이 변화에 따른 후퇴율 비교(Comparison of Regression Rate by Length of Post-chamber) 325.1.2 후연소실 직경 변화에 따른 후퇴율 비교(Comparison of Regression Rate by Diameter of Post-chamber) 345.1.3 후연소실 동일 부피 간 후퇴율 비교(Comparison of Regression Rate between Identical Volume of Post-chamber) 365.2 평균 후연소실 압력비교(Comparison of Averaged Pressure of Post-chamber) 385.2.1 후연소실 길이 변화에 따른 평균 연소실 압력 비교(Comparison of Averaged Pressure by Length of Post-chamber) 385.2.2 후연소실 직경 변화에 따른 평균 후연소실 압력비교(Comparison of Averaged Pressure by Diameter of Post-chamber) 395.2.3후연소실 동일 부피 간 평균 후연소실 압력비교(Comparison of Averaged Pressure between Identical Volume of Post-chamber) 405.3 후연소실 길이 변화에 따른 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by Length of Post-chamber) 415.3.1 O/F에 따른 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by O/F ratio) 425.3.2 L*에 따른 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by L*) 445.3.3 잔류 시간에 따른 특성배기속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by Residence Time) 465.4 후연소실 직경 변화에 따른 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by Diameter of Post-chamber) 485.4.1 O/F비에 따른 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by O/F ratio) 485.4.2 L*에 따른 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by L*) 505.4.3 잔류 시간에 따른 특성배기속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by Residence Time) 525.5 후연소실 동일 부피 간 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency between Identical Volume of Post-chamber) 545.5.1 O/F비에 따른 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by O/F ratio) 545.5.2 L*에 따른 특성속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by L*) 565.5.3 잔류 시간에 따른 특성배기속도 및 연소효율 비교(Comparison of Characteristic Velocity and Combustion Efficiency by Residence Time) 58제6장결론(Conclusion) 60참고문헌 63SUMMARY 67
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