저차원 모델을 활용한 소형 액체 로켓 추진 시스템 성능 분석 = Performance Analysis of Small Liquid Rocket Propulsion Systems Using Low-Order Modeling

국문 초록 (Abstract)

액체로켓 추진 시스템의 개발을 위해서는 시스템 수준의 상호작용 분석과 적절한 제어전략을 수립하는 것은 필수적이다. 그러나 설계 단계에서 이를 수행하기 위해 CFD와 같은 고차원 시뮬레이션 도구를 사용하는 경우, 구성 요소의 성능 분석은 가능하나 높은 계산 비용을 요구하므로 시스템 수준에서의 분석은 매우 어렵다. 이를 해결하기 위해 저차원 모델링을 통한 방법이 수행될 수 있으며, 이는 보다 효율적인 방식으로 구성 요소 간의 과도 특성과 반복 계산을 통한 통계적 결과를 산출할 수 있다. 이러한 장점을 바탕으로 본 연구에서는 저차원 모델링을 통해 액체산소/액체메탄을 사용하는 3톤급 가스발생기 사이클 엔진을 모사해 엔진 구성품의 확률적 작동 편차에 따른 성능 변동 분석과 액체산소 탱크 자가증기가압 시스템의 가압제 제어 전략을 비교 분석하였다.

먼저, 엔진 구성품의 확률적 작동 편차에 따른 성능 변동을 분석하기 위해 몬테-카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 펌프 전양정, 터보펌프 효율, 터빈 노즐 및 추력 노즐 목 직경 등의 주요 입력 변수에 확률적 분포를 부여하고, 1차원 엔진 수치 모델을 반복 계산하여 주연소기 압력, 주연소기 혼합비, 터빈입구온도, 노즐 추력 등의 출력 변수 변동을 평가하였다. 이를 통해 입력 변수와 출력 변수 간의 상관관계를 도출하고, Root Sum Square (RSS) 해석법과 비교함으로써 본 분석법의 효율성과 신뢰성을 검증하였다.

다음으로, 액체 산소 탱크 자가증기가압 시스템의 제어 전략 비교를 위해 비례-적분 (PI), 바이패스 히스테리시스 (BP), 삼중 밸브 히스테리시스 (TV) 제어 모델을 구성하여 탱크 압력 및 온도 응답, 밸브 작동 신호, 제어 복잡성을 비교하였다. 수치 해석 결과, BP 전략은 구조적 단순성과 제어 안정성 면에서 가장 우수한 성능을 보였으며, TV 전략은 가장 정밀한 압력 제어를 달성하였으나 잦은 밸브 작동으로 인한 신뢰성 저하 가능성이 확인되었다.

이와 같이 저차원 수치 모델 기반의 확률적·결정론적 해석을 통해 액체로켓 추진 시스템의 설계 및 운용 단계에서 활용 가능성을 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For the development of a liquid rocket propulsion system, it is essential to conduct system-level interaction analysis and establish appropriate control strategies. However, when employing high-dimensional simulation tools such as CFD to perform this during the design stage, while component performance analysis is feasible, the high computational cost involved makes system-level analysis extremely difficult. To address this, a method involving low-dimensional modeling may be employed, which can produce the transient characteristics between components and the results of iterative calculations in a more efficient manner. Building upon these advantages, this study utilized low-dimensional modeling to simulate a 3-ton class gas generator cycle engine employing liquid oxygen/liquid methane. It analyzed performance variations resulting from probabilistic operational deviations in the engine components and comparatively evaluated pressurant control strategies for the liquid oxygen tank autogenous pressurization system.

First, we conduct a Monte-Carlo simulation to analyze performance variation according to the probabilistic operation deviation of engine components. Probabilistic distributions were assigned to key input variables such as pump total dynamic head, turbopump efficiency, turbine nozzle throat diameter, and thrust nozzle throat diameter. Iterative calculations were performed using a one-dimensional engine numerical model to evaluate variations in output variables, including main chamber pressure, main chamber mixture ratio, turbine inlet temperature, and nozzle thrust. This enabled the derivation of the correlation between input and output variables, and by comparing it with the Root Sum Square (RSS) analysis method, the efficiency and reliability of this analytical method were verified.

Next, to compare control strategies for the liquid oxygen tank autogenous pressurization system, proportional-integral (PI), bypass hysteresis (BP), and triple valve hysteresis (TV) control models were configured to compare tank ullage pressure and temperature responses, valve actuation signals, and control complexity. Analysis revealed that the BP strategy demonstrated the most outstanding performance in terms of structural simplicity and control stability. The TV strategy achieved the most precise pressure control, but it was identified that frequent valve operation could potentially compromise reliability.

In this manner, the potential for application in the design and operational stages of liquid rocket propulsion systems has been demonstrated through probabilistic and deterministic analysis based on low-dimensional numerical models.

목차 (Table of Contents)

• I. 서론 1
• 1.1 액체로켓 개요 1
• 1.2 액체로켓엔진 추진 시스템 3
• 1.2.1 추진제 공급 시스템 3
• 1.2.2 엔진 사이클 5
• 1.2.3 가스발생기 사이클 7
• 1.3 추진제 가압 시스템 9
• 1.3.1 자가 증기 가압 11
• 1.3.2 가압 제어 시스템 13
• 1.4 논문의 목적 및 구성 15
• II. 수학적 배경 17
• 2.1 저차원 수치 모델링 (Low-order numerical modeling) 17
• 2.1.1 모델링 차원에 따른 분류 18
• 2.1.2 수치 해석 기법에 따른 분류 19
• 2.1.3 순차적 모듈러 방식 (Sequential Modular method) 21
• 2.2 EcosimPro–FluidaPro 23
• 2.2.1 FLUID_PROP 24
• 2.2.2 단일 유체의 열역학적 물성 계산 25
• 2.2.3 혼합물의 열역학적 물성 계산 27
• 2.2.4 FLUIDAPRO 30
• III. 가스발생기 사이클 액체 로켓 엔진의 구성품 작동 편차에 따른 성능 분석 44
• 3.1 액체 로켓 엔진의 성능 분산 44
• 3.2 시스템 모델링 및 분석 프레임워크 45
• 3.2.1 가스발생기 사이클 모델링 45
• 3.2.2 몬테-카를로 시뮬레이션 (Monte-Carlo simulation) 48
• 3.2.3 타 해석 방법과의 비교 52
• 3.2.4 피어슨 상관계수 (Pearson correlation coefficient) 52
• 3.3 결과 분석 53
• 3.3.1 엔진 시동 특성 및 과도 특성 53
• 3.3.2 분산 해석 결과 55
• 3.4 소결 62
• IV. 가스발생기 사이클 액체 로켓의 추진제 탱크 자가증기가압 시스템 성능 분석 65
• 4.1 자가증기가압 제어 전략의 동특성 비교 및 성능 평가 65
• 4.2 시스템 모델링 및 분석 프레임 워크 67
• 4.2.1 액체 산소 탱크 자가증기가압 시스템 모델링 67
• 4.2.2 가압제 제어 전략 71
• 4.3 결과 분석 74
• 4.3.1 자가증기가압 성능 75
• 4.3.2 복잡성 및 신뢰성 79
• 4.3.3 가압제 유량 제어 81
• 4.4 소결 83
• V. 결론 87
• VI. 학위논문 관련 연구 실적 89
• VII. 참고문헌 91
• ABSTRACT 99