고도보정 노즐의 기술 및 특허 동향

최준섭(Junsub Choi),문태석(Taeseok Moon),최종인(Jongin Choi),박상현(Sanghyeon Park),김한솔(Hansol Kim),허환일(Hwanil Huh) 한국항공우주학회 2018 韓國航空宇宙學會誌 Vol.46 No.8

고도보정 노즐은 모든 고도에서 최적의 성능을 발휘할 수 있도록 고안된 노즐이다. 발사체의 비추력을 향상시키기 위한 방법으로는 연소실만의 특성인 특성배기속도를 향상시키는 방법과 노즐만의 특성인 추력계수를 향상시키는 방법이 있다. 고도보정 노즐은 동일한 연소기에서 노즐의 성능 개선을 통해 발사체의 성능향상을 가능하게 한다. 고도보정 노즐에 대한 연구는 독일 DLR에서 활발하게 진행되고 있으며, 미국, 러시아, 영국, 호주, 일본 등 항공우주선진국에서도 진행되고 있다. 본 논문에서는 고도보정 노즐에 대한 기술 현황 및 특허 동향에 대해 조사하였다. 이를 바탕으로 고도보정 노즐의 기술흐름을 파악하고 발사체 성능향상 연구에 기초자료로 활용하고자 한다. The altitude compensation nozzle is a nozzle designed for optimum performance at all altitudes. A method of improving the specific impulse of the space launch vehicle is a method of improving the characteristic exhaust velocity which is a characteristic of the combustion chamber and a method of improving the thrust coefficient which is a characteristic of the nozzle. The altitude compensation nozzle enables improvement of the performance of the space launch vehicle by improving the nozzle performance for the same combustor. Research on altitude compensation nozzles has been actively carried out in the DLR in Germany and is being carried out in advanced countries such as the US, Russia, UK, Australia and Japan. In this paper, the technology trends and patent trends of altitude compensation nozzles are investigated and summarized. Based on this, the technical trends of altitude compensation nozzles is grasped and utilized as basic data for the study on the performance improvement of a launch vehicle.

MATLAB을 활용한 고도보정용 ED 노즐의 일차원 해석 연구

최준섭(Junsub Choi),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

본 연구는 ED 노즐의 성능을 예측하기 위한 방법으로 MATLAB을 활용하여 1-D 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과를 전산수치해석 결과와 비교하였다. 세 가지 압력비 조건에서 시뮬레이션과 전산수치 해석결과는 비슷한 경향성을 보이고 있지만, 일차원 시뮬레이션 결과가 1~2% 크게 예측되었다. 비정상 상태인 핀틀의 전진과 후진에서는 내부형 핀틀추력기와 비슷한 양상을 보였다. One-dimensional analysis was performed for an ED nozzle by using MATLAB and its results were compared with CFD results. For three different NPR conditions, both simulations showed similar results but one-dimensional simulation resulted in 1~2% higher thrusts. For unsteady states such as forward and backward movements of a pintle, one-dimensional simulation showed similar results compared to those of internal pintle thruster case.

고도 보정용 듀얼 벨 노즐 개발 동향과 기술 분석

최준섭(Junsub Choi),허환일(Hwanil Huh) 한국항공우주학회 2015 韓國航空宇宙學會誌 Vol.43 No.5

듀얼 벨 노즐은 일반적인 벨 형상 노즐의 문제점인 저고도에서의 과대팽창, 고고도에서의 과소팽창을 감소시키며, 이로 인해 손실되는 비추력을 최소화 할 수 있는 노즐이다. 미국의 Rocketdyne사에서는 확장 노즐의 형상에 따른 추력특성을 분석하였고, NASA에서는 고도에 따른 연소실험을 수행하였다. 유럽은 DLR을 중심으로 굴곡각, 노즐 길이, 팽창비 등에 따른 연구를 진행하고 있으며, 러시아의 MAI에서는 팽창부에 슬롯을 추가하여 추력손실을 줄일 수 있는 연구가 진행되고 있다. 아시아에서는 일본, 인도 등에서 연구가 진행되고 있고, 일본의 미쓰비시사에서 슬롯 노즐과 유사한 개념의 기술을 특허로 등록하였다. 본 논문에서는 고도 보정이 가능한 노즐로써 듀얼 벨 노즐의 개념 및 성능과 국외 연구 개발 현황을 정리하였다. 국내에서도 경제성 있는 우주개발을 위해 듀얼 벨 노즐에 대한 연구가 필요하다. Dual-bell nozzle can overcome the performance losses of the conventional bell-shaped nozzles which induced by off-design operations with either over-expanded or under-expanded exhaust flow and minimize the losses of the specific impulse. In United States, Rocketdyne analyzed thrust characteristics according to the shape of the expansion nozzle and NASA conducted hot firing tests with various altitudes. DLR, which is one of the research institute of the Europe, is carrying out research for the different cases of inflection angle, nozzle length and expansion ratio. MAI of Russia applied the slot nozzle to the expansion region in order to reduce the performance losses. In Asia, both the Japan and the India are researching on the dual-bell nozzle and Mitsubishi cooperation of the Japan registered its patent. In this paper, concepts and performance of dual-bell nozzle, which can compensate altitude, are investigated and trends of current research are summarized. It is necessary for Korea to research on the dual-bell nozzle for lucrative space development.

노즐 목 외부형 핀틀추력기의 추력특성에 대한 수치해석 연구

최준섭(Junsub Choi),김동연(Dongyeon Kim),허환일(Hwanil Huh) 한국항공우주학회 2015 韓國航空宇宙學會誌 Vol.43 No.12

외부형 핀틀추력기의 핀틀 행정거리, 고도, 보어유무가 핀틀추력기 성능에 미치는 영향에 대해서 전산수치해석을 수행하였다. 유동은 핀틀 행정거리에 관계없이 항상 과소팽창하는 결과를 보였다. 핀틀추력기의 주요 성능 지표 중 추력조절측면에서는 우수한 성능을 보였지만, 핀틀 지지대 윗면에서 발생한 충격파로 인해 공력하중이 증가하였다. 지상에서 고도 20 km로 상승하면 노즐 출구 속도, 마하수, 추력 등이 증가하였으며, 공력하중 또한 증가하였다. 보어의 존재는 공력하중을 5.9% 증가시켜 핀틀의 구동력을 위해서는 보어가 없는 형상이 유리하다고 판단된다. Numerical computations were performed to investigate the effects of pintle stroke, altitude, and bore on the performance of an external pintle thruster. Results show that under-expansion flow occurs always, independent of pintle stroke. An external pintle thruster shows good performance in that it is capable of good amount of thrust control, while aerodynamic loads are increased due to shock waves on the pintle support. When altitude is increased to 20 km, the nozzle exit velocity, Mach number, thrust as well as aerodynamic loads are increased. Bore increases aerodynamic load 5.9%, and therefore pintle shape without bore is preferred for lower aerodynamic load of a pintle in order to actuate the pintle.

노즐 목 내부형 핀틀추력기의 추력 및 공력하중 특성

최준섭(Junsub Choi),김동연(Dongyeon Kim),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회지 Vol.21 No.3

Numerical computations are performed to investigate the effect of pintle stroke on the performance of an internal pintle thruster. Results show that the thrust control ratio was less than 2% and the aerodynamic load ratio was 22% as the pintle stroke increased. The flow past the nozzle throat rapidly expanding because of the shape of the pintle, and a shock wave was generated. Particularly, at the pintle stroke distance of 4 and 5 mm, the shock wave hit the wall of the nozzle, results in peeling bubbles. Depending on the altitude, the thrust increased and the aerodynamic load decreased, but the difference was as small as 1.5%. In the presence of the bore, the reduction of the pintle tip area resulted in a decrease in aerodynamic load.

팽창비가 고정된 듀얼 벨 노즐의 천이특성에 대한 수치해석 연구

최준섭(Junsub Choi),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회지 Vol.21 No.3

Dual bell nozzle is a type of altitude compensation nozzle, which is a nozzle that minimize the losses of the specific impulse at the off-design point of a typical bell nozzle. In this paper, numerical computations are performed to understand the transition characteristics of dual bell nozzles with fixed expansion ratios. The major design variables are the length of extension and the angle of inflection. As the length of the extension increased, the transition altitude and transition duration increased and the reduction of the thrust coefficient decreased. As the angle of inflection increased, the transition altitude and transition duration decreased and the reduction of the thrust coefficient increased.

고도 보정을 위한 E-D 노즐의 기술 분석

최준섭(Junsub Choi),황희성(Heuiseong Hwang),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

E-D 노즐은 배기가스의 압력과 외부압력의 상호작용을 통해 고도를 보정하는 노즐이다. E-D 노즐과 관련하여 미국의 TRW에서 특허를 등록하였고, 호주, 영국, 독일 등에서 수치해석 및 실험적 연구가 진행 중이다. 본 논문에서는 E-D 노즐에 대한 국외 기술을 분석하였고, 이를 바탕으로 E-D 노즐 설계 및 수치해석을 수행하였다. 그 결과 노즐 압력비가 증가함에 따라 추력성능이 증가하는 것을 확인하였다. E-D nozzle is an altitude compensation nozzle through the interaction between the nozzle exhaust pressure and the atmosphere pressure. E-D nozzle patent is registered by the TRW of the United States and numerical/experimental studies is conducted by the Australia, the United Kingdom, and Germany. In this paper, the technology regarding E-D nozzle is analyzed and both the E-D nozzle design and numerical study are carried out. As a result, it is confirmed that the more nozzle pressure ratio increase, the more thrust performance increase.

고도보정용 E-D 노즐의 유동해석을 위한 난류모델 평가

최준섭(Junsub Choi),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

소형발사체 개발 및 최신 기술 동향

최준섭(Junsub Choi),허환일(Hwanil Huh),기원근(Wonkeun Ki) 한국추진공학회 2020 한국추진공학회지 Vol.24 No.5

Recently, a new space era has evolved in which commercial companies’ led space development has begun. In this era, commercial companies actively participate in space development as the size of the small satellite market and small launch vehicle market is expanding. Through space development, developed countries are making efforts to reduce development, production, and operation costs to secure the competitiveness of small launch vehicles. In this study, the development trend of small launch vehicles and required technologies for space development were analyzed and summarized. Thus, research and development is urgently needed so that spin-on technologies, such as electric pumps and additive manufacturing, can be utilized for space development.

노즐 압력비에 따른 E-D 노즐의 정상상태 수치해석

최준섭(Junsub Choi),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2021 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2021 No.11