과산화수소 주입을 통한 로켓 추력편향제어

이은광(Eunkwang Lee),강홍재(Hongjae Kang),정상우(Sangwoo Jung),권세진(Sejin Kwon) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

추력편향제어 방식 중 하나인 액체주입식 추력편향제어는 밸브의 개폐만으로 측추력을 제공할 수 있기 때문에 응답성이 빠르고 시스템이 간단하다. 사산화질소나 Freon 114-B2 등이 주로 주입액체로 사용되어 왔지만 부식성이 강하거나 불활성인 경우 측비추력이 낮다. 본 연구에서는 기존 주입액체보다 저장성과 측비추력 면에서 뛰어난 과산화수소를 이용하는 액체주입식 추력편향제어를 구현하였다. 추력편향 성능예측과 문헌조사를 토대로 시스템을 설계하고 실험조건을 산정하였다. 연소 시험에 사용된 노즐의 팽창비는 3.9이며, 연소 시험을 통해 추력편향 효과를 관측하였다. 하지만 작은 노즐 팽창비로 인해 충격파에 의한 압력 증가가 측추력으로 작용할 수 있는 면적이 작아 발생된 측추력이 성능예측 값에 미치지 못했다. Liquid injection thrust vector control, one of thrust vectoring mechanism, can rapidly provide side thrust through just valve opening and its system is simple. Generally, nitrogen tetroxide or Freon 114-B2 have been used as injectants, however, they are highly corrosive or have low side specific impulse. In this paper, the liquid injection thrust vector control using hydrogen peroxide which has better storability and higher performance compared to conventional injectants was demonstrated. Based on a performance prediction and paper survey, the system and test conditions were designed. Thrust vectoring effect was observed through the hot-fire test. However, due to the small expansion ratio of the nozzle and the small pressure force acting area, the pressure increase induced by the liquid injection was not sufficiently converted to the side force. Therefore, it resulted in the large difference between the predicted side force and the measured side force.

UAV용 유체역학적 추력편향 노즐의 고 정확도 다분력 시험장치 개발

송명준(Myung-Jun Song),장홍빈(Hong-Been Chang),조용호(Yong-Ho Cho),이열(Yeol Lee) 한국항공우주학회 2013 韓國航空宇宙學會誌 Vol.41 No.2

추력편향 제어기술은 무인기의 고기동성 확보에 있어 필수적이다. 본 연구에서는 동축 코안다 효과를 이용한 초음속 사각노즐 유동의 추력편향 특성을 정량적으로 측정할 수 있는 다분력 시험장치를 개발하였다. 엄밀한 보정 및 자세한 자료분석 과정을 통하여 본 연구에서 개발된 시험장치의 로드셀 상호간섭에 의한 측정오차는 약 5% 미만임이 관찰되었고, 또한 고압 연결튜브에 의한 오차는 거의 무시할 수 있음이 판명되었다. 아울러 개발된 시험장치를 이용하여 본 연구의 동축 코안다 효과를 이용한 사각노즐의 추력편향 특성에 관한 기초적인 실험결과가 얻어졌다. The thrust vector control technique is essential for high maneuverability of unmanned aerial vehicles. In the present study, a multi-component balance was developed to quantitatively evaluate the thrust-vectoring performance of a supersonic rectangular nozzle based on the Coanda coflowing effect. Precise calibration and detailed data analysis were performed during the development. It was found that the cross-talk errors between load cells in the balance were less than 5%, and that the unwanted errors due to high-pressure supply tubes were almost negligible, which contributed to the high accuracy of the present balance design. Some preliminary test results of the thrust-vectoring performance of the present nozzle design were also obtained and analyzed.

추력편향 노즐의 다분력 시험장치 보정에 관한 실험적 연구

송명준,조용호,이열 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

이차 유동의 코안다 효과를 이용한 유체역학적 추력제어 방법의 성능특성을 정량적으로 관찰할 수 있는 다분력 시험장치가 설계되었고, 아울러 이러한 시험장치에서 발생되는 측정오차를 줄일 수 있는 보정 및 자료획득 방법이 제시되었다. 다양한 하중 조건에서 시험장치의 정렬오차 등으로 발생하는 로드셀 신호의 상호간섭 정도가 정량적으로 관찰되었다. 그 결과 독립하중에 대한 최대 측정오차는 약 5% 미만으로 관찰되어, 본 연구에서 설계한 시험장치의 계측 정확도가 우수한 것으로 판정되었다. A multi-component force measurement device was designed to quantitatively evaluate the performance-characteristics of the fluidic thrust vector control utilizing coanda effects of secondary jet. Details of calibration and data analysis procedures to reduce measurement errors in the test device were also described. Cross-talks between load-cell signals introduced by misalignments of the device were examined for various loads. It was shown that the maximum measurement error was less than 5% for independent loads, which proved the good accuracy of measurement of the present test device.

추력편향 노즐의 정량적 성능특성 관찰을 위한 시험장치 설계

송명준(Myung-Jun Song),윤상훈(Sang-Hun Yoon),조용호(Yong-Ho Cho),이열(Yeol Lee) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

노즐 출구에서 유출되는 이차제트의 코안다 효과를 이용하는 유체역학적 추력편향제어 방법은 초음속 제트의 효율적인 추력편향을 위한 새로운 방법이다. 그동안 진행된 유동가시화 결과에서 관련 기술의 장단점이 관찰된 바 있으나 그 결과가 정성적인 한계가 있었다. 따라서 이차제트의 코안다 효과를 이용한 추력편향제어의 성능특성에 관한 정량적 관찰 연구가 진행되었으며, 이를 통한 시험장치 설계, 보정 및 자료획득 연구결과가 제시되었다. The fluidic thrust vector control using co-flowing coanda effect of secondary jet at the nozzle exit is a new concept for efficient thrust vectoring of supersonic jet exhausts. Flow visualization of the flow fields in previous studies have shown some pros and cons of the technique, however, most of the observations were somewhat limited as qualitative data. The present study was designed to evaluate the quantitative performance-characteristics of the thrust-vectoring technique utilizing coanda effects of the secondary jet. Details of design of the test device and calibration/data reduction procedure are provided.

측판이 음속 제트의 코안다 효과에 미치는 영향에 관한 실험적 연구

박상훈(Sanghoon Park),장홍빈(Hongbeen Chang),이열(Yeol Lee) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회지 Vol.20 No.2

An experimental study for the characteristics of the thrust-vectoring of a sonic jet utilizing the coanda flap installed at a rectangular nozzle exit is performed. Two side plates are installed at both sides of the flap to decrease the three dimensional effects of the jet on the flap surface. Schlieren flow visualizations and quantitative measurements of the deflection angle of thrusting vector show that the side plates are able to delay the separation of the jet at the downstream of the flap surface. Substantial increase in the deflection angle of the jet as high as 72˚ and small thrust loss as low as 7% are obtained by the present thrust-vectoring technique using the side plates.

유체역학적 추력편향제어의 성능개선에 관한 수치해석적 연구

윤상훈(Sang-Hun Yoon),전동현(Dong-Hyun Jun),송명준(Myung-Jun Song),조용호(Yong-Ho Cho),이열(Yeol Lee) 대한기계학회 2011 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2011 No.4

부유동을 초음속 주유동 흐름과 같은 방향으로 분사하는 동축류 방식의 추력편향 제어기법에 대한 연구를 수치해석적으로 수행하였다. 다양한 노즐출구 높이, 코안다 플랩 반경, 그리고 계단식 플랩에 대해서 주유동의 코안다 효과에 의한 추력편향 성능을 관찰하였다. 본 연구의 수치해석 결과는 동일한 경계조건에서 얻어진 유동가시화 및 압력측정 결과와 비교되어 좋은 일치로 보였다. 코안다 플랩 반경 변화와 계단식 플랩은 코안다 효과를 향상시키고, 이를 통하여 추력편향 제어의 성능도 개선될 수 있음이 관찰되었다. Thrust vectoring control by injecting jet over a curved wall to control co-f1owing supersonic main jet direction was investigated by numerical simulations. For various nozzle heights and coanda wall radii, and for setting a base step at the nozzle exit, the performance-characteristics of coanda flows were observed. The present numerical results were validated by comparing with Schlieren flow visualizations and wall pressure measurements obtained for the identical boundary conditions, and it showed a good agreement. It was also noticed that changes in coanda wall radius and addition of base step could enhance the coanda effect, and thus the performance of the present co-flowing thrust vectoring control technique.

초음속 노즐 내 액체주입 조건에 따른 하이브리드 로켓 추력편향 특성

이은광(Eunkwang Lee),윤용태(Yongtae Yun),권세진(Sejin Kwon) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

하이브리드 로켓 산화제를 이용해 액체주입식 추력편향제어를 구현할 경우 시스템 통합이 용이하며, 간단한 시스템이라는 하이브리드 로켓의 특성에 부합하는 추력편향제어 시스템을 구성할 수 있다. 본 연구에서는 과산화수소 폴리에틸렌 하이브리드 로켓을 이용하여 액체 주입 조건에 따른 추력편향제어 특성을 고찰하였다. 선행 연구에서 나타난 액체주입식 추력편향제어 시스템의 낮은 성능을 개선하기 위해 과산화수소 농도를 높이고 주입 위치의 유동 마하수를 증가시켰다. 90 wt.% 과산화수소 대신 95 wt.% 과산화수소를 사용하는 경우 측 비추력이 약 26 초 향상되었다. 또한 유동 마하수가 추력편향 성능에 직접적인 영향을 미침을 확인하였으며, 다양한 주입 위치 및 주입 유량 조건에서 추력편향 특성을 관찰한 결과 초음속 부 X/L = 0.46 지점에서 주입했을 때 주입 유량 대비 가장 큰 측 추력이 발생하였다. Thrust vector control system using the hybrid rocket oxidizer as an injectant provides integrational benefits with the hybrid rocket system. In this research, to improve the LITVC performance, which was reported by the previous research, higher concentration of hydrogen peroxide was used and the flow Mach number at the injection point was increased. When the 95 wt.% hydrogen peroxide was injected at the same condition with the 90 wt.% hydrogen peroxide injection case, the side specific impulse was increased about 26 s. It was identified that the flow Mach number at the injection location has a substantial influence on the LITVC performance. Moreover, injection characteristics were investigated in terms of the injection locations and injectant mass flow rates.

비례제어밸브를 이용한 초음속 제트의 추력편향 제어

이명연(MyungYeon Lee),이열(Yeol Lee) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.1

비례제어밸브를 이용한 초음속 추력편향제어의 특성을 관찰하기 위한 실험적 연구가 진행되었다. 노즐압력비에 따라 세 가지 서로 다른 추력편향 제어특성이 나타나고, 밸브작동에 따른 강한 이력현상이 관찰되었다. 아울러 이차챔버의 압력이 추력편향에 영향을 주는 주요 인자 중의 하나임이 확인되었다. 이에 이력현상을 회피하고 밸브제어에 따른 안정된 추력편향을 구현하기 위하여 이차챔버의 압력계수를 이용한 제어 알고리즘이 적용되었다. 그 결과 비례제어밸브를 통하여 최대 추력편향각 20° 범위에서 안정적인 추력편향제어가 구현 가능함이 확인되었다. An experimental study is performed to observe the characteristics of the thrust vectoring control (TVC) of the supersonic jet using proportional control valves. It is observed that three different TVC characteristics exist as the nozzle pressure ratio varies. Strong hysteresis phenomena are also observed during the valve control for a certain range of the nozzle pressure ratio. It is also noticed that the secondary chamber pressure is one of the influencing parameters for the TVC. Therefore, a control algorithm utilizing the secondary chamber pressure coefficient as a predictor is applied to achieve the stable TVC avoiding the hysteresis. Consequently, the stable TVC with the maximum deflection angle of about 20-degree has been realized using the proportional control valves.

동축류의 코안다 효과를 이용한 초음속 제트의 추력편향제어에 관한 실험적 연구

윤상훈(Sang-Hun Yoon),전동현(Dong-Hyun Jun),허준영(Jun-Young Heo),성홍계(Hong-Gye Sung),이열(Yeol Lee) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.11

이차원 초음속 코안다 유동의 특성에 관한 실험적 연구가 진행되었다. 다양한 슬롯높이대 코안다 벽의 곡률반경 비 및 표면거칠기, 그리고 제트의 전압 변화에 대하여 충격파 구조 및 이력현상과 같은 코안다 유동의 특성이 유동가시화를 통하여 관찰되었다. 그 결과 초음속 코안다 제트의 이력현상은 코안다 표면거칠기의 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한 강한 압축성 주제트의 추력편향제어를 위하여 이러한 동축류 코안다 유동이 적용되었고, 이 경우 유체역학적 추력제어의 성능은 코안다 플랩의 곡률반경에 대한 슬롯높이의 비 뿐만 아니라 주제트의 전압에 큰 영향을 받음이 확인되었다. The characteristics of two-dimensional supersonic coanda flow was experimentally investigated. For various ratios of slot height to coanda wall’s radius of curvature, surface roughnesses, and jet stagnation pressures, the characteristics of the supersonic coanda flow such as shock structures and hysteresis were observed by flow visualization. It was found that the characteristics of hysteresis of the coanda jet was related to the surface roughness of the coanda wall. The study was further extended for application of the tangentially injected coanda jet to control co-flowing highly compressible main jet direction. It was noticed that the stagnation pressure of the main jet as well as the ratio of the slot height to coanda wall’s radius of curvature wall was an influencing factor in the performance of the fluidic thrust vectoring method.

UAV용 추력편향 노즐의 정량적 특성에 관한 실험적 연구

박상훈(Sang-Hoon Park),이열(Yeol Lee) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.9

이차유동을 이용한 초음속 동축류 추력편향 제어기법에 대한 실험적 연구가 진행되었다. 쉴리렌 유동가시화 및 로드셀을 이용한 고정확도의 다분력 시험장치를 통하여 이차원 초음속(마하수 2.0) 유동의 추력편향 특성이 관찰되었다. 추력편향각은 부유동의 압력이 점차 커지면서 일시 감소 후 다시 증가하는 V-자형 추세를 보이고 있음이 관찰되었다. 추력편향 유동의 성능을 나타내는 성능계수들의 분석이 이루어졌으며, 보다 높은 성능지표를 나타내는 본 시스템의 운용조건이 제시되었다. Experimental study for supersonic co-flowing fluidic thrust vectoring control utilizing the secondary flow is performed. The characteristics of the thrust vectoring of two dimensional supersonic flow (Mach 2.0) are studied by Schlieren flow visualization and highly-accurate multi-component force measurements using the load cells. It is observed that the thrust deflection angle initially decreases and increases again forming a V-shaped variation as the pressure of the secondary flow increases. Characteristics of the performance coefficients of the system are also studied, and the detailed operating conditions for higher performance of the technique are suggested.