미소 추력 측정 장치 개발 및 성능 검증

이정현(Jeonghyeon Lee),신지철(Jichul Shin) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

이 연구는 마이크로 뉴턴 단위의 추력을 측적하기 위해 미소 추력 측정 장비를 개발하고 그 성능을 검증하는 실험을 수행하였다. 작은 추력을 측정하기 위한 측정 방법은 두 가지 경우가 있는데 하나는 비틀림 균형 추력 스탠드(Torsional Balance Thrust Stand)이고 다른 하나는 진자 균형 추력 스탠드(Pendulum Balance Thrust Stand)이다. 본 연구에서는 비틀림 균형 추력 스탠드를 사용하여 마이크로 뉴턴(Micro-Newton) 단위의 미소 추력을 측정하였다. 이 실험의 측정 시스템에서 큰 특징은 한 쌍의 피벗 스프링(Pivot Spring)을 사용하여 추력 시스템의 비틀림 균형을 이루고 레이저 거리 측정 센서(Laser Displacement Sensor)를 통하여 밸런스 팔(Balance Arm)의 이동 변위를 측정하고, 정전기력을 사용하여 전체 시스템의 정밀한 보정과 추가적인 제동효과를 이루어 내었다. 이후 좀 더 정교한 추력 시스템을 위해 추가적인 측정 방법을 보강하면 오차를 줄이고 미소 추력을 낼 수 있는 플라즈마 추력 장치를 사용하여 추력 장치의 추력을 측정 할 수 있을 것이다. We present our research on the developed of Micro-Newton Torsional Balance stand of Thrust Measurement System. There torsional balance thrust stand and pendulum balance stand for low thrust measurement. In this study, We select the torsional balance thrust stand to measure the Micro-Newtons unit of thrust. A major feature in the measurement system forms a torsional balance with the pivot spring of the pair via a laser distance measurement sensor (LDS) measuring the angular displacement of the balance arm. Since it will be possible to measure the thrust of the thrust device with additional measurement method plasma thrusters which can produce a reduction smiling thrust error to reinforce the for more sophisticated thrust system.

회전익 무인항공기 블레이드의 추력 성능 검증을 위한 추력 측정 실험기 설계

윤재현(Jaehyun Yoon),이종수(Jongsoo Lee) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.6

본 연구는 풍동 실험을 통하지 않더라도 추력을 측정할 수 있는 추력 측정 실험기를 제작하였다. 추력 측정기는 정역학적 모멘트 힘의 평형 방정식을 통해 설계하였다. 추력 측정 실험기의 성능 검증을 위해 단순한 형상의 블레이드를 헬리콥터 공학이론인 깃요소이론을 통해 계산한 추력의 값과 비교하여 두 값이 일치함을 확인하였다. 추력에 영향을 주는 4인자 3수준의 직교배열표를 이용하여, 9가지 형상변화의 블레이드를 SLA 방식인 3D 프린터를 통해 출력하였다. 전산유체 해석프로그램인 ANSYSFLUENT를 통해 추력의 값을 도출하였으며, 제작한 추력 측정 실험기를 통해 추력을 측정한 결과 전산유체해석의 추력 값과 추력 측정 실험기를 통해 측정한 추력의 값이 일치함을 확인할 수 있었다. In this study, a thrust tester capable of measuring thrust was designed without having to employ a wind tunnel test. The thrust tester was designed using the equilibrium equation of the moment force. To minimize the dimensional error of the manufacturing process, a laser cutting machine was utilized. To verify the performance, the thrust values derived from the proposed thrust tester, blade element theory and computational fluid dynamics(CFD) were compared based on the simple blade shape. Results showed that the thrust values derived from the three methods were similar. Using a 4-factor, 3-level orthogonal array table to influence the thrust, we output blades with nine shape changes to an SLA-type 3D printer. The thrust was obtained through ANSYS-FLUENT, which is a CFD program and the manufactured thrust tester was then used to measure the thrust. Experimental results revealed that the simpler the blade shape, the more consistent it is. However, as the shape of the blade changes, different values are generated but which tend to be consistent with shape-change tendencies.

정격풍속 이하에서 풍력터빈의 윈드쉬어 추력 동하중 개발

임채욱(Chae-Wook Lim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.4

풍력터빈이 ㎿급으로 대형화되면서 블레이드의 길이가 40미터 이상으로 길어지게 되어, 로터 블레이드가 회전할 때 블레이드에 발생하는 비대칭하중이 증가하게 되었다. 윈드쉬어, 타워 섀도우, 난류풍속 같은 요소들은 블레이드에 이런 비대칭하중 발생에 영향을 미친다. 본 논문은 원드쉬어로 인해 블레이드에 발생하는 추력변동에 의한 동하중을 추력계수를 이용하여 모델링하는 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 “윈드쉬어 추력변동 계수”를 정의 및 도입하고, 2㎿ 육상용 풍력터빈을 대상으로 정격이하의 풍속에서 윈드쉬어 추력변동 계수값을 구하여 분석한다. 구해진 “윈드쉬어 추력변동 계수”와 추력계수를 이용하여 Matlab/Simulink에서 윈드쉬어 동하중 모델을 구현하고, 윈드쉬어에 의해 세 블레이드에 작용하는 추력변동을 추력계수와 “윈드쉬어 추력변동 계수”를 동시에 이용하여 표현할 수 있음을 보인다. As wind turbines are getting larger in size with multi-㎿ capacity, the blades are getting longer, over 40 m, and hence the asymmetric loads produced during the rotation of the rotor blades are increasing. Some factors such as wind shear, tower shadow, and turbulence have an effect on the asymmetric loads on the blades. This paper focuses on a method of modeling the dynamic load acting on a blade because of thrust variation under wind shear. A method that uses thrust coefficient is presented. For this purpose, “wind shear coefficient of thrust variation” is defined and introduced. Further, we calculate the values of the “wind shear coefficient of thrust variation” for a 2 ㎿ on-shore wind turbine, and analyze them for speeds below the rated wind speed. Then, we implement a dynamic model that represents the thrust variation under wind shear on a blade, using MATLAB/Simulink. It is shown that it is possible to express thrust variations on three blades under wind shear by using both thrust coefficient and “wind shear coefficient of thrust variation.”

추력 히스테리시스를 동반하는 하이브리드 로켓의 PI 추력제어

문준석,이창진 한국항공우주학회 2024 韓國航空宇宙學會誌 Vol.52 No.2

하이브리드 로켓에서 발생하는 추력 히스테리시스를 완화하기 위한 PI 추력제어를 시도했다. PI 제어기 설계를 위해 근 궤적 방법을 이용하여 적절한 게인 값의 범위를 설정하고 자체 개발한 하이브리드 로켓 시뮬레이션 프로그램을 사용하여 응답의 오버 슛의 발생, 상승시간과 초기 응답의 지연 등을 확인하며 게인 값을 결정했다. 또한, 추력 실험을 수행하여 PI 제어기가 추력 히스테리시스의 완화와 추력의 정밀 제어에 미치는 영향을 최종적으로 확인했다. 응답의 오버 슛 발생을 감소시키고 상승시간 지연을 줄이기 위한 실험의 결과, 다른 경우에 비해 응답 오차가 50% 정도 감소했다. 그러나 PI 제어기로 과도 특성을 모두 고려할 수 없으므로 보다 정밀한 추력 제어를 달성하려면 추력 히스테리시스에 대한 비선형 모델과 선형 제어를 결합하는 피드 포워드(feed forward) 제어 방법이 필요하다[12]. PI thrust control was attempted to alleviate thrust hysteresis observed in hybrid rocket combustion. A proper range of gain values was firstly selected using the root locus method for PI controller design, and final values were determined by checking the occurrence of overshoot, rise time, and delay in the response curve using an in-house hybrid rocket simulation program. In addition, thrust tests were conducted to confirm the effect of PI controllers on the mitigation of thrust hysteresis and precise thrust control. Combustion tests confirmed that the occurrence of overshot of responses and rise time delays were significantly reduced by 50% in response error compared to other cases. However, PI controllers cannot be effective in alleviating all these transient characteristics, a feed forward control method that combines the application of a nonlinear model to thrust hysteresis and linear control is needed to improve the precision of thrust control.

수직형 추력측정장치를 이용한 액체로켓엔진 추력측정에 관한 실험적 연구

김중일(Joongil Kim),장지훈(Jihoon Jang),전준수(Junsu Jeon),김태완(Taewan Kim),고영성(Youngsung Ko),김선진(Sunjin Kim) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

본 논문에서는 정확한 추력측정을 위해 추력측정장치의 시스템 저항 및 선형성 등을 파악하는 추력단계별 시험을 수행하였으며, 과산화수소/케로신을 추진제로 하는 액체로켓엔진의 수직형 연소시험설비에서의 연소시험을 통해 추력을 측정하였다. 측정된 추력은 추력해석을 바탕으로 보정하였고 연소실 압력 및 유량 데이터를 바탕으로 계산된 이론추력과 비교한 결과 약 6.7%의 차이를 보여 추력 단계별 시험을 이용하여 측정된 추력을 보정하는 방법이 엔진의 정확한 추력을 측정하는 데 적합함을 확인하였다. In this study, thrust step test was performed to identify system resistance and linearity of a vertical thrust measurement system(TMS) for accurate thrust measurement. Combustion tests were performed to measure the thrust of a liquid rocket engine using hydrogen peroxide and kerosene as propellants by the vertical TMS. The measured thrust was calibrated based on thrust analysis and theoretical thrust was calculated by combustion chamber pressure and mass flow rate showed 6.7% difference. It is confirmed that the thrust measurement method using the thrust step test was appropriate to accurate thrust measurement of LRE.

추력측정장치의 신뢰도 향상 방안에 관한 연구

강동혁(Donghyuk Kang),주성민(Seongmin Joo),김종규(Jong-gyu Kim),최환석(Hwan-Seok Choi) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

추력은 연소기 개발시험 시 연소 성능을 확인하기 위한 매우 중요한 항목이다. 따라서 정확한 추력을 측정하는 것은 매우 중요하다. 정확한 추력을 측정하기 위해 추력측정장치 시스템 특성, 저항 및 선형성 등을 파악하기 위해 단계적으로 교정 시험을 수행하였다. 추력 교정식으로 산출된 추력과 이론 추력과 비교하여 약 6.9%~8.6%의 오차를 확인하였고, 연소기의 정확한 추력을 측정하기 위해서는 추진제 배관이 연결된 상태에서의 교정이 필요함을 확인하였다. Thrust is one of the crucial performance parameter of a combustion chamber in the combustion chamber development test. So it is very important to measure an accurate thrust. Thrust calibration test was performed to identify the system characteristics, resistance and linearity of a vertical thrust measurement system(TMS) for accurate thrust measurement. It has been found 6.9% ~ 8.6% errors between the measured thrust by TMS calibration equations and theoretical thrust. It has been confirmed that the TMS calibration is necessary to be performed with the propellant lines connected to the combustion chamber for accurate thrust measurement.

볼트의 체결 강성이 추력 시험대에 미치는 영향

이규준(Kyujoon Lee),정치훈(Chihoon Jung),안동찬(Dongchan Ahn) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회지 Vol.21 No.1

본 논문은 볼트 체결 강성이 추력 시험대에 미치는 영향을 연구한 것이다. 추력 시험대는 추진기관의 추력 성능을 평가하는 장비로 추력, 피치력, 요력(3 분력) 작용선에 대응하는 3 분력 계측선간의 평행도와 3 분력 계측선의 상호 직각도가 다분력 추력시험대의 성능을 좌우한다. 따라서 시험대의 초기형상을 작동 상태에서 유지시키는 것이 추력 시험대의 핵심 기능이다. 본 논문에서는 추력 시험대의 볼트 체결과 로드셀 트레인의 나사 체결의 공차 정확도가 추력 시험대에 미치는 현상을 규명하고 이를 극복하는 방안을 제시하였다. This paper is studied on the effect of the bolt joint stiffness on the Thrust Measurement Stand(TMS). TMS is a test stand for thrust performance of the propulsion system, which depends on two factors: The 1<SUP>st</SUP> is the parallel degree between directions of the thrust vector and action lines of the corresponding measuring load cells for the vector, and the 2<SUP>nd</SUP> is the orthogonality between action lines of the measuring load cells. Therefore, it is essential to maintain the original shape of the TMS under operating conditions. In this paper, it is examined how the geometric tolerance of the bolt joints and threads of the load cell trains affect the performance of the TMS. Also, some techniques to overcome related problems are proposed.

볼트의 체결 강성이 추력 시험대에 미치는 영향

이규준(Kyujoon Lee),정치훈(Chihoon Jung),안동찬(Dongchan Ahn) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

본 논문은 볼트 체결 강성이 추력 시험대에 미치는 영향을 연구한 것이다. 추력 시험대는 추진기관의 추력 성능을 평가하는 장비로 추력, 피치력, 요력(3 분력) 작용선에 대응하는 3 분력 계측선간의 평행도와 3 분력 계측선의 상호 직각도가 다분력 추력시험대의 성능을 좌우한다. 따라서 시험대의 초기형상을 작동 상태에서 유지시키는 것이 추력 시험대의 핵심 기능이다. 본 논문에서는 추력 시험대의 볼트 체결과 로드셀 트레인의 나사 체결의 공차 정확도가 추력 시험대에 미치는 현상을 규명하고 이를 극복하는 방안을 제시하였다. This paper is studied on the effect of the bolt joint stiffness on the Thrust Measurement Stand(TMS). TMS is a test stand for thrust performance of the propulsion system, which depends on two factors: The 1<SUP>st</SUP> is the parallel degree between directions of the thrust vector and action lines of the corresponding measuring load cells for the vector, and the 2<SUP>nd</SUP> is the orthogonality between action lines of the measuring load cells. Therefore, it is essential to maintain the original shape of the TMS under operating conditions. In this paper, it is examined how the geometric tolerance of the bolt joints and threads of the load cell trains affect the performance of the TMS. Also, some techniques to overcome related problems are provided.

저추력 액체로켓엔진의 추력 측정 장치에 대한 연구

이동형(Donghyeong Lee),이양석(Yangsuk Lee),고영성(Youngsung Ko),김유(Yoo Kim),김선진(Sunjin Kim) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.11

액체로켓엔진의 성능 검증에 있어서 가장 큰 비중을 차지하는 것 중 하나는 정확한 추력 측정이다. 본 연구에서는 기존의 추력 측정 장치를 보완한 저추력 액체로켓엔진의 추력 측정 장치를 개발하여 작은 추력을 발생하는 로켓엔진의 보다 정확한 추력 측정을 가능하도록 하였다. 또한, 추력 측정 장치의 추력 측정 평가 시 고려되는 주요 인자들에 대한 연구를 수행하여 추력 측정 장치의 신뢰도 평가에 관한 기법 및 절차 수립의 기반을 마련하였다. It is very difficult to measure an accurate thrust for the performance test of liquid rocket engine. Liquid rocket engine is attached to the propellant feed system, control valve and many other safety systems. Without considering these effects, thrust data measured from the firing test is not reliable and meaningless. In this research, the modified thrust measurement system, which includes both all these side effects is developed for the verification of low thrust liquid rocket engine performance. In addition, reliability appraisal technique is studied to secure the reliability of thrust measurement system.

스플릿라인 TVC 시스템을 적용한 핀틀 추력조절 노즐의 유동해석 및 추력 성능 예측

조하나 한국추진공학회 2022 한국추진공학회지 Vol.26 No.3

In this study, analysis of the flow characteristics of pintle-controlled nozzle with split-line TVC system and the thrust performance prediction was performed. The numerical computation was verified by comparing the thrust coefficient derived from the analysis results with the experimental data. By applying the same numerical analysis technique, the flow characteristics of nozzle were confirmed according to operating altitude, pintle stroke position and TVC angle with the 1/10 scale. As the TVC angle increased, thrust loss occurred and the tendency of AF was different depending on the position of the pintle stroke. Based on the analysis results, the relation of thrust coefficient was derived by applying the response surface methods. The thrust performance model with a slight difference of 1.2% on average from the analysis result was generated. 본 연구에서는 스플릿라인 TVC를 적용한 핀틀 추력조절 노즐에 대한 유동해석을 수행하고 추력 성능을 예측하였다. 해석 결과로 도출된 추력계수를 시험결과와 비교하여 수치해석 결과를 검증하였으며, 동일한 수치해석 기법을 적용하여 주요 성능 변수인 운용고도, 핀틀 스트로크 위치, TVC 각도에 따른 1/10 크기의 노즐의 유동특성을 확인하였다. TVC 각도가 증가할수록 추력손실이 발생하였고, 핀틀 스트로크 위치에 따라 AF의 경향성이 달랐다. 해석결과를 기반으로 반응표면법을 적용하여 추력계수에 대한 관계식을 도출하였고, 해석 결과와 평균 1.2% 수준의 근소한 차이를 가지는 추력 성능 모델을 생성하였다.