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Sloshing을 고려한 액체 추진제 로켓의 모델링 및 자동조종장치 설계에 관한 연구
명철호,송용규 한국항공대학교 1998 論文集 Vol.36 No.-
액체 추진제 로켓에 있어서 조종안정성에 미치는 영향을 해석하기 위하여 추력 5톤급의 과학관측 로켓의 기본적인 제원을 중심으로 강체운동, 공력, Sloshing 등을 고려하여 추력방향제어를 하는 자동조종장치를 설계하였다. 유체 Sloshing은 고정된 질량과 진동하는 질량으로 나누어서 생각할 수 있고, 진동하는 질량이 진자-감쇠기로 연결되어 있는 기구학적 모델로 생각할 수 있다. 로켓은 시간에 따라서 고도와 속도, 질량 등이 변하므로 시간을 일정 간격으로 나누어 비례-미분-적분 제어 이득을 조절함으로써 자동조종장치를 설계하고 전산모의 실험을 실시하였다. Sloshing의 극점과 영점을 S-영역의 허수축상에 쌍으로 나타나며, 극점이 영점보다 위에 있으면 안정하다는 것을 알았다. 따라서 로켓이 안정하기 위해서는 진자 중심의 위치가 로켓 무게중심보다 뒤에 있어야 하는데, 본 모델의 전산모의실험 결과 진자 중심의 위치가 초기에 무게중심 전방에 있다가 곧바로 후방으로 이동함에 따라 시스템 전체의 양상이 바뀌게 되고 그에 따른 PD이득을 한번 조절함으로써 안정한 상태를 끝까지 유지하는 것으로 나타났다. 또한 Sloshing 과 발음각의 영향을 모두 고려하고 초기 발사각을 80도로 주었을 때에는 정상상태 오차가 발생함에 따라 이를 보상하기 위해서 PI이득을 조절함으로써 정상상태 오차가 없어졌다. In this work modeling and design of an autopilot for liquid propelleant rocket with sloshing effect is considered. In the modeling the aerodynamic forces and sloshing of the liquid fuel as well as rigid body dynamics are included. The design parameters for controller are varied due to mass, altitude, and velocity changes. Also the center of sloshing mass is changed aft as time goes. Therefore a PID controller is constructed with gain schedule technique based on time slices. The simulation results show that the proposed controller makes the rocket attitude follow the command in areasonable way.