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시효 열처리를 통한 액체로켓 엔진용 고강도 스테인리스강의 강도 및 충격인성 변화
이금오,류철성,허성찬,최환석 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11
액체로켓 엔진 경량화 개발을 위해 극저온 고강도-고인성 스테인리스강에 대한 연구를 수행하였다. 시효 열처리 변화에 따른 고강도 스테인리스강의 강도와 충격인성을 비교하기 위해 상온 및 극저온 인장시험과 충격시험을 수행하였다. 또한 각 시효 열처리를 통해 변화되는 재료의 강도를 경도로 예측 가능하도록 브리넬 경도 시험을 수행하였다. 시험 결과, 시효 열처리에 따라 극저온에서 급격하게 충격흡수에너지가 감소하는 경우가 있음을 발견하였으며, 단순한 경도 측정을 통해 강도 및 충격흡수에너지의 예측이 가능함을 파악하였다. A study on high strength and high toughness stainless steel at cryogenic temperature was performed for light weight liquid propellant rocket engine. Tensile tests and impact tests at room temperature and cryogenic temperature have been performed to compare strength and impact energy with variations of aging heat treatment. Brinell hardness tests have been also performed to predict strength of the material aged at different temperatures. The results showed that some aging heat treatments could result in very low impact absorbed energy and the strength or impact absorbed energy could be predictable by the simple measurement of hardness.
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스피닝 공정이 연소기 노즐목 내피 결정립 크기에 미치는 영향
이금오,유철성,최환석,최윤호 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11
연소기 노즐목부를 경량화하여 제작하기 위해 벌징공정이 매우 중요하다. 단조 방식으로 제작된 구리합금 제품의 조직의 결정립 크기가 조대화되어 있고, 균일하지 않아 벌징공정시 파손들이 자주 발생하였다. 이를 해결하기 위해 스피닝 공정을 사용하여 노즐목 구리합금의 평균 결정립 크기를 3.3-4.7 ㎛ 수준까지 미세화하였다. 제작된 노즐목부 스피닝 시제품은 균열이나 네킹없이 성공적으로 벌징이 되어 연소실 제작에 적용할 수 있도록 충분한 성형성을 확보한 것을 확인하였다. Bulging process is very important to manufacture light-weight nozzle throat of thrust chamber. Failures during bulging process were often observed since the grain size of the copper alloy product manufactured by forging process was very large and ununiform. The average grain size of nozzle throat copper alloy was micronized to 3.3-4.7 ㎛ by spinning process to solve the problem. The fabricated spinning prototype of nozzle throat part was successfully bulged without cracking and necking, and it was confirmed to secure sufficient formability necessary for fabricating combustion chamber.
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이금오,유철성,허성찬,최환석 한국추진공학회 2017 한국추진공학회지 Vol.21 No.6
재사용 발사체용으로 개발되는 엔진은 반복 사용 조건에 따른 저사이클 열피로 문제를 고려해야 한다. 본 연구는 연소기 재생냉각채널에 사용되는 구리합금의 피로수명을 인장시험 데이터로부터 예측하기 위하여 기존의 연구자들이 제안하였던 수명예측식을 다양한 종류의 구리합금의 경우에 적용하여 비교하였다. 제안된 수명예측식 중 공통경사법은 구리합금의 수명 예측에서 가장 좋은 결과를 보여 주었 으며, 수정 Mitchell 방법은 OFHC 구리의 수명 예측에서 가장 좋은 결과를 보여주었다. Low-cycle thermal fatigue problem resulting from multiple use of a liquid rocket engine has to be considered for the development of a reusable launch vehicle. In this study, life prediction equations suggested by previous researchers were compared as applied to various copper alloy cases to predict fatigue lives from tensile test data. The present study has revealed that among the presently considered life prediction methods, universal slopes method provides the best life prediction result for the copper alloys, and the modified Mitchell’s method provides the best life prediction result for oxygen free high conductivity (OFHC) copper.
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이금오,유철성,허성찬,최환석 한국추진공학회 2016 한국추진공학회지 Vol.20 No.5
STS 321 stainless steel is generally used for a material of high-temperature and high-pressure system including liquid rocket engine. The constitutive equation for flow stress has been suggested using thermal stress component and athermal stress component based on Kocks dislocation barrier model to predict 321 stainless steel's deformation behavior at elevated temperature. The suggested model predicted well the material deformation behaviors of 321 stainless steel at the wide temperature range from room temperature to 500℃. STS 321 스테인리스강은 액체 로켓 엔진을 비롯한 고온 고압의 시스템의 재료로서 많이 사용된다. 321 스테인리스강의 고온에서의 변형 거동을 예측하기 위해 Kocks의 전위 장벽 모델을 근거로 유동응력에 대한 구성 방정식을 열적 응력 요소와 비열적 응력 요소를 사용하여 제안하였다. 제안한 모델은 321 스테인리스강의 상온부터 500℃의 넓은 온도 영역에서 재료의 변형 거동들을 잘 예측하였다.
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한국형발사체 엔진을 위한 고강도 스테인리스강 개발 결과
이금오,류철성,최환석 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11
한국형발사체 엔진 개발을 위해 고강도-고인성 스테인리스강을 개발하였으며, 상온 및 극저온 인장시험과 상온 및 극저온 충격시험을 수행하여 러시아 고강도 스테인리스강과 비교하였다. 제작된 고강도 스테인리스강은 러시아 재료에 비해 항복강도가 80~100 ㎫ 정도 낮았으며, 충격흡수 에너지는 비슷하거나 더 높은 경향을 나타내었다. 개발된 스테인리스강은 Inconel 718, A286, S31803, S31603등의 소재와 비교하였을 때 매우 좋은 강도 및 충격흡수 에너지를 가지고 있어서 향후 한국형발사체 엔진의 경량화에 기여할 것이다. High strength and high toughness stainless steel was developed for KSLV-Ⅱ engines and it was compared with Russian high strength stainless steel through the tensile tests and impact tests at room temperature and cryogenic temperature. The developed high-strength stainless steel had a 80~100 ㎫ lower yield strength and similar or higher impact energy compared with the comparable Russian stainless steel. The developed stainless steel has better strength and impact energy compared with Inconel 718, A286, S31803 or S31603 and it will contribute to the light weight design of KSLV-Ⅱ engines.
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연소기, 가스발생기 제작용 재료의 기계적, 열적 강도 비교
이금오,류철성,최환석 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11
연소기와 가스발생기의 헤드부와 연소실부에 사용될 수 있는 구조재료들인 STS 316L, STS 321, STS 329J1, STS 630, Inconel 718의 강도와 열 물성치 특징을 각각 비교하였다. Inconel 718과 STS 630은 강도가 매우 크지만 충격 인성치가 매우 낮아 연소기 김벌지지형 헤드부로는 사용하기 어려운 것으로 나타났다. 열팽창 비교 결과 오스테나이트 강종의 열변형이 가장 많이 발생되며, 마르텐사이트 강종이 가장 열변형이 적었다. 77 K의 극저온과 873 K의 고온에서 열응력을 계산한 결과, Inconel 718과 같은 고강도 재료는 완전 구속 조건에서 극저온 항복은 발생하지 않았지만, 873 K의 고온에서는 모든 재료들이 완전 구속 조건일 때 열변형에 의해 항복이 발생되었다. The strength and thermal properties of structure materials such as STS 316L, STS 321, STS 329J1, STS 630, Inconel 718 has been compared respectively. The strengths of Inconel 718 and STS 630 were very high but the impact energies were low for usage of the gimbal-supported head of thrust chamber. The largest thermally-expanded materials were austenite stainless steels and the smallest were martensitic stainless steels by the results of thermal expansion comparisons. The calculated thermal stress at very low-temperature of 77 K and at high-temperature of 873 K showed the high strength materials like Inconel 718 did not yield at low-temperature on the perfectly-restricted condition, however all the materials yielded at 873 K on the perfectly-restricted condition.
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이금오 한국추진공학회 2019 한국추진공학회지 Vol.23 No.6
SpaceX는 현재 Falcon 9 v1.2 Block 5의 성공적인 발사 및 회수로 세계 발사 시장을 주도하고 있다. SpaceX는 케로신 가스 발생기 엔진인 Merlin 엔진을 개발하였고, Falcon 1에서 Falcon Heavy까지 엔진을 지속적으로 업그레이드하여 탑재 중량을 증가시켰다. SpaceX는 초기에 많은 실패를 겪었지만 NASA의 도움으로 많은 위기를 극복하고 발사체를 개발할 수 있었다. 또한 재사용 발사체를 성공적으로 개발하여 운용비용을 크게 절감했다. 한국의 후속 발사체도 이러한 SpaceX의 개발 전략을 참고하여 개발할 필요가 있다. SpaceX is currently leading the global launch market with the successful launch and recovery of Falcon 9 v1.2 Block 5. SpaceX developed Merlin engine, a kerosene gas generator engine, and continuously upgraded the engine from Falcon 1 to Falcon Heavy to increase payload weight. SpaceX suffered a lot of failures early on, but with the help of NASA, it was possible to overcome many crises and develop vehicles. In addition, it successfully developed reusable vehicles, which drastically reduced operating costs. Subsequent launch vehicles in Korea also need to be developed with reference to SpaceX’s development strategy.
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