직접모사법을 이용한 정지궤도위성 액체원지점엔진의 배기가스 거동연구 = A Study on Exhaust Plume of Liquid Apogee Engine for Geostationary Satellite Using DSMC

국문 초록 (Abstract)

정지궤도위성은 천이궤도에서 정지궤도로 진입하기 위해 필요한 추력을 액체원지점엔진을 사용하여 얻는다. 하지만 액체원지점엔진을 사용할 때는 35,000 Km 고도가 넘는 고진공환경에서 사용함에 따라 엔진에서 나오는 배기가스(Plume)는 고진공영역을 만나 팽창하여 정지궤도위성의 표면이나 태양전지판으로 흐르는 후방유동을 만든다. 후방유동은 정지궤도위성의 수명절감, 표면오염, 열 하중 등의 치명적인 오류를 만들 수 있으므로 정지궤도위성에 사용되는 액체원지점엔진에 대한 배기가스해석은 필요하다.
본 연구에서는 고진공영역에서 사용되는 정지궤도위성 400 N급 이원추진시스템 액체원지점엔진에 대한 배기가스해석을 직접모사법을 사용하여 해석하였다. 모노메틸하이드라진과 사산화이질소를 추진제로 사용하는 액체원지점엔진을 선택하여 화학평형상수를 사용하여 화학반응을 계산하여 몰분율과 단열화염온도를 계산하였다. 그 다음 액체원지점엔진의 배기가스를 해석하기 위해 먼저 연속체 영역인 액체원지점엔진 내부유동해석을 Navier-Stokes 기반에 상용소프트웨어를 사용하여 해석하였다. 내부유동해석 출구 결과를 사용하여 분자들의 충돌이 적은 희박영역을 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo)을 사용하여 해석하였다. 직접모사법의 해석은 2차원해석과 정지궤도형상과 태양전지판을 고려한 3차원해석을 진행하였다. 추가적으로 액체원지점엔진의 대한 복사열전달에 관한 해석을 진행하여 액체원지점엔진의 배기가스가 태양전지판의 미치는 영향을 해석하였다.
해석결과로 연속체영역에 대한 액체원지점엔진의 내부유동 결과와 2차원 직접모사법을 통해 액체원지점엔진의 배기가스가 후방유동을 발생시켜 정지궤도위성 표면과 태양전지판까지 충분히 팽창되는 것을 확인하였고 3차원 직접모사법 계산을 통하여 압력, 온도, 밀도와 같은 배기가스 거동을 파악할 수 있었다. 직접모사법의 결과를 사용하여 액체원지점엔진 배기가스가 태양전지판에 열 하중과 수밀도를 예측하였고 복사열전달계산으로 배기가스가 가지는 복사열전달률과 액체원지점엔진과 태양전지판표면사이의 복사교환을 예측하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The geostationary satellite uses a liquid apogee engine to obtain the thrust to enter a stationary orbit. However, since the liquid apogee engine are used in high vacuum environments of more than 35,00km, the plume from the engine makes backflow into the surface of geostationary satellite or the solar panels. Since the backflow can produce fatal errors such as reducing the mission life of geostationary satellite, surface contamination and thermal load. So, the liquid apogee engine plume behavior study for geostationary satellites is necessary.
In this study, we were analyzed plume behavior of 400 N grade bipropellant liquid apogee engine for geostationary satellite in a vacuum condition using numerical method. For efficiency, a continuum regime was calculated by using the CFD(Computational Fluid Dynamics) method base on the Navier-Stokes equation, while a rarefied regime was analyzed by using DSMC(Direct Simulation Monte Carlo) method base on the Boltzmann equation. The plume regime was analyzed 2-dimensional and 3-dimensional geostationary satellite configuration considering solar panels. In addition, the radiative heat transfer for the liquid apogee engine was analyzed, and the exhaust plume of liquid apogee engine analyzed the effect of solar panels.
As a result, the internal flow of the liquid apogee engine and the results of 2-dimensional DSMS method were confirmed to make a backflow. And we confirmed that the backflow was expanded to the geostationary satellite surface and the solar panels. As the 3-dimensional results, the distribution of the flow properties, such as a density, a temperature and a separation of several chemical species were investigated. Using the 3-dimensional DSMC results, we predicted the thermal load and density on the solar panels, calculated the radiative heat transfer rate of the plume and the radiation exchange between the liquid apogee engine and solar panel surface.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 정지궤도위성용 이원추진시스템 및 액체원지점엔진 4
• 1.3 국내외 연구 동향 8
• 1.4 연구 내용 및 방법 10
• 제 2 장 전산열유체해석 역학 11
• 2.1 유체모델링 11
• 2.2 MMH/NTO 화학평형반응 13
• 2.3 직접모사법 15
• 2.3.1 볼츠만방정식(Boltzmann Equation) 15
• 2.3.2 직접모사법 16
• 2.4 복사열전달 20
• 제 3 장 정지궤도위성용 액체원지점엔진의 배기가스해석 26
• 3.1 해석모델 26
• 3.2 액체원지점엔진의 내부 열유동 해석 28
• 3.2.1 해석 조건 및 방법 28
• 3.2.2 해석 결과 30
• 3.3 액체원지점엔진의 2차원 배기가스 해석 32
• 3.3.1 해석 조건 및 방법 32
• 3.3.2 해석 결과 37
• 3.4 액체원지점엔진의 3차원 배기가스 해석 45
• 3.4.1 해석 조건 및 방법 45
• 3.4.2 해석 결과 48
• 3.5 액체원지점엔진의 복사열전달 해석 58
• 3.5.1 기체복사열전달 계산 방법 및 결과 58
• 3.5.2 표면복사열전달 계산 방법 및 결과 62
• 제 4 장 결 론 65
• 참 고 문 헌 67
• ABSTRACT 71