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하이브리드 로켓 연소실험에서의 고주파수 진동과 저주파수 연소불안정
채희상(Heesang Chae),이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2018 韓國航空宇宙學會誌 Vol.46 No.12
하이브리드 로켓에서 고주파수 대역의 압력진동(p’)과 열 방출 진동(q’)이 양의 결합이 저주파수 연소불안정 발생에 필수조건임을 검증하기 위한 실험연구를 수행하였다. 후연소실길이와 연소 당량비를 변수로 설정하여 p’ 진폭과 p’, q’의 위상차를 조절하였으며 저주파수 연소불안정의 억제 여부를 판단하였다. 실험 결과에 의하면, 후연소실 길이가 증가하여도 p’, q’의 위상차는 π/2 이하로 연소불안정 발생조건을 유지하지만 p’, q’의 결합강도인 RI(Rayleigh index)의 주기적 증폭이 약화되면서 연소불안정이 억제됐다. 또한 특정한 당량비에서 연소불안정이 발생하므로 순간 당량비를 변화시켜 p’, q’의 결합을 음의 결합으로 천이시켜 연소 안정화가 이루어짐을 확인하였다. 따라서 고주파수 p’, q’이 양의 결합과 RI의 주기적인 증폭으로 연결될 때 저주파수 연소불안정이 나타나는 발생 메커니즘의 중간 경로도 확인하였다. Experimental studies have been conducted to verify that the positive coupling between pressure oscillation (p) and combustion oscillation (q) of high frequency range is a prerequisite for the initiation of low frequency instability in hybrid rocket combustion. The post-chamber length and combustion equivalence ratio were selected as critical parameters to control the phase difference between p and q, and p amplitude in relation to the suppression of LFI. In the results, even if the post-chamber length increases, the phase difference between p and q maintains below pi/2, which is a necessary condition for the LFI development, but the amplification of RI (Rayleigh index) was substantially decreased leading to a stable combustion. In addition, results confirmed that combustion stability is achieved by changing the momentary equivalence ratio and/or by suppressing the positive coupling status of p and q. Thus, the periodic amplification of RI was identified as the middle path of the mechanism of occurrence of LFI.
산화제 공급압력이 감소하는 환경에서 하이브리드 로켓 추력제어
채동훈(Donghoon Chae),채희상(Heesang Chae),이창진(Changjin Lee) 한국항공우주학회 2022 韓國航空宇宙學會誌 Vol.50 No.5
우주탐사 임무를 수행하기 위해서는 탐사선에 수직이착륙 기능이 필수적으로 탑재되어야 한다. 수직이착륙을 위해서는 탐사선의 엔진이 적절한 추력제어 정확도와 짧은 응답시간을 가져야 한다. 하이브리드 로켓은 이러한 조건을 만족할 수 있는 높은 수준의 추력제어 능력을 갖고 있다. 이 연구는 개발한 하이브리드 로켓 엔진의 추력제어 성능이 수직이착륙에 적절한지 검증하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위해 가압장치 없이 공급압력이 감소하는 산화제 공급시스템을 적용한 엔진을 사용하여 약 10초 내외의 임무를 수행하고자 하였고, 공급압력 감소가 추력제어 정확도와 응답시간에 미치는 영향을 확인하였다. 실험결과에 의하면 적절한 감소율과 초기 압력 수준이 추력제어 정확도와 응답시간에 중요한 영향을 미치는 인자로 확인되었으며 고도제어 시뮬레이션을 통해 추력제어 성능을 검증했다. The vertical take-off and vertical landing (VTVL) function is essential to carry out exploration missions on the moon or Mars. For this, the engine of the exploration vehicle must have appropriate thrust control accuracy and response time. The hybrid rocket engine (HRE) is known to have a high level of thrust control capability that can satisfy these conditions. This study aims to first verify whether the thrust control performance of the developed HRE is suitable for VTVL. To this end, an oxidizer supply system that does not use a pressurization device was adopted, aiming for a mission time of about 10 seconds. In this study, the thrust control characteristics appearing under various supply pressure decreasing conditions were identified through experiments. Appropriate tank and charging conditions were set from the experimental results. In addition, the results of previous studies and current study’s test were compared to confirm whether the developed HRE had adequate control performance for VTVL, and finally, the thrust control performance was verified through altitude control simulation.