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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

김혜인 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수
이형진
발행연도
2023
저작권
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수9

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

극저비속도 원심펌프를 적용한 소형 액체로켓엔진 공급시스템 M&S 모델 개발
김혜인 항공우주공학과 2023.01 학위논문

2021

소형 액체로켓엔진용 저비속도 펌프 설계
김혜인 ,  허환일 ,  이형진 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2021.07 학술대회자료

초록· 키워드

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인공위성과 우주비행체 등 우주에서 장시간 체류하는 우주시스템에 적용되는 반동제어시스템(Reaction Control System, RCS)나 액체원지점엔진(Liquid Apogee Engine, LAE) 등의 수백 N 급의 소형 액체로켓엔진은 필수적인 기술이다. 특히, 이 엔진들은 펄스 작동, 재시동 혹은 추력을 변경 등 과도현상에 대한 성능 예측이 필요하다. 또한, 이러한 소형 액체로켓엔진의 펌프는 저유량, 고양정의 특징을 가지고 있어 극저비속도 원심펌프의 적용이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 소형 액체로켓 엔진용 극저비속도 원심펌프 설계기법을 확보하고 이를 검증하였다. 게다가 설계 초기에 빠른 결과를 도출할 수 있는 설계기법 개발을 위해 다양한 경험식을 이용하였다. 개발한 설계기법으로 수백 N 수준의 초소형 액체로켓 엔진용 극저비속도 원심펌프를 설계하고, 전산해석을 통해 펌프의 성능과 특히 기존의 펌프 설계법인 Stepanoff 방법과의 비교를 통해 설계기법의 타당성과 우수성을 검증하였다. 블레이드 곡률을 결정할 때 원호의 개수를 고려하는 원호법을 적용하여 원심펌프를 설계하고 성능을 비교하였다. 그리고 설계한 펌프를 제작하고, 실험적으로 성능을 확인하여 개발한 설계기법의 타당성을 검증하였다. 또한, 본 연구에서는 설계기법으로 제작된 극저비속도 원심펌프를 적용한 소형 액체로켓엔진 공급시스템의 M&S 모델을 개발하고자 하였다. 구성품 별 모델링을 수행하고, 모델링 기법을 검증하기 위해 제작한 펌프를 적용하여 공급시스템 모사 장치를 구성하였다. 모사 장치를 통한 공급시스템의 동적 현상과 M&S 모델로 얻어진 시뮬레이션 결과를 비교하여 모델링 기법을 검증하였다. 본 연구를 통해 소형 액체로켓엔진의 구성품인 극저비속도 원심펌프의 설계와 과도현상을 모사할 수 있는 추진제 공급시스템의 모델링과 모사 실험 장치를 통해 소형 액체로켓엔진의 개발에 도움이 될 것으로 예상된다.
#극저비속도 원심펌프 #설계기법 #소형 액체로켓엔진 #추진제 공급시스템 #모델링 #시뮬레이션 #수류시험

목차

제 1 장. 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행연구 5
1.3 연구목표 8
제 2 장. 극저비속도 원심펌프 설계 10
2.1 극저비속도 원심펌프 설계기법 개발 10
2.1.1 극저비속도 원심펌프 설계 조건 10
2.1.2 극저비속도 원심펌프 설계 절차 12
2.1.3 극저비속도 원심펌프 설계 방법 14
2.1.3.1 펌프 효율 결정 14
2.1.3.2 임펠러 출구 제원 결정 15
2.1.3.3 임펠러 입구 제원 결정 16
2.1.3.4 블레이드 제원 결정 17
2.1.3.5 볼류트 제원 결정 20
2.1.3.6 캐비테이션 방지 방법 22
2.1.4 극저비속도 원심펌프 설계 결과 23
2.2 극저비속도 원심펌프 설계기법 검증 방법 25
2.2.1 CFD 해석 기법 25
2.2.2 극저비속도 원심펌프 제작 28
2.2.2.1 제작성을 고려한 펌프 설계 28
2.2.2.2 펌프 제작 30
2.2.2.3 실험 장치 구성 32
제 3 장. 공급시스템 동적 M&S 기법 35
3.1 구성품 별 모델링 35
3.1.1 탱크 모델링 35
3.1.2 파이프 모델링 37
3.1.3 펌프 모델링 40
3.1.4 밸브 모델링 42
3.2 통합 시스템 구성 44
3.2.1 통합 시스템의 구체적인 구성 44
3.2.2 시뮬레이션 계산 방법 45
3.3 모델링 솔버 46
3.4 공급시스템 M&S 검증을 위한 실험 방법 47
제 4 장. 시뮬레이션 및 실험 결과 48
4.1 극저비속도 원심펌프 설계기법 검증 48
4.1.1 설계 펌프 CFD 해석 결과 48
4.1.1.1 설계 펌프 성능 평가 48
4.1.1.2 설계 코드의 성능 평가 52
4.1.1.2.1 Stepanoff 기법과의 비교 53
4.1.1.2.2 블레이드 곡률에 따른 성능 차이 58
4.1.2 설계 펌프 성능 실험 결과 61
4.2 공급시스템 동적 M&S 기법 검증 63
4.2.1 구성품 별 성능곡선 도출 63
4.2.1.1 펌프 성능곡선 63
4.2.1.2 밸브 유량계수 곡선 64
4.2.2 실험 및 시뮬레이션 비교 65
4.2.2.1 밸브 개도 제어 65
4.2.2.2 펌프 회전수 제어 66
4.2.2.3 동적 M&S 기법 결과 분석 67
제 5 장. 결론 68
제 6 장. 참고 문헌 70

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