한국형발사체 발사를 위하여 나로우주센터에 제 2발사대가 구축될 예정이며 연료공급설비 역시 새롭게 설치된다. 한국형발사체 발사대시스템의 연료공급설비는 나로호 발사대의 설계를 기본 바탕으로 하였다. 하지만 한국형발사체는 나로호 또는 시험발사체와는 달리 3단형 발사체이기 때문에 연료 이송펌프 1대로 1, 2, 3단의 발사체 연료 탱크로 연료를 공급해야한다. 유동해석을 통해 충전 시나리오를 선정하는 과정에서 펌프 토출압력의 급격한 상승 문제를 확인하였다. 이는 오리피스타입의 유량제어방식으로 각 단의 충전모드 전환에 따른 유량변화에 대해 리턴유량이 능동적으로 대응할 수 없기 때문에 발생하였다. 이 문제를 해결하기 위해 다양한 경우에 대해 유동해석을 통해 accumulator 설치와 각 단의 충전모드 전환 순서를 적절히 조정함으로써 안정적으로 공급할 수 있음을 확인하였다.

본 논문은 한국형발사체(KSLV-II) 발사대시스템 상세설계 단계 중 수행된 산화제 충전 운용 설계를 검증하고자, 나로호 1차 비행 시험 실증 자료과 해당 설계 모델링 유동 해석 결과를 비교하였다. 나로호 비행 시험에 적용되었던 공급 조건과 충전모드에 따른 유량조절밸브 개도와 구동 절차 조건을 한국형발사체 발사대시스템 상세설계 모델링에 적용하여, 실증 자료와 모델링의 산화제 공급 유량값과 주요 압력값을 비교하였다.

우주 발사체에 사용되는 엄빌리칼 시스템은 지상의 유공압 및 전계장 라인들을 발사체로 연결하여 발사운용 과정에서 발사체 내부로 유공압의 공급 및 발사체와 전기적 연결들을 가능하도록 하다가 발사직전 또는 발사와 동시에 발사체로부터 분리되는 장치이다. 발사운용과정에서는 전기적 및 유공압적으로 확실히 연결되어 기밀 및 체결 성능을 보장하여야 하고 분리시점에는 확실한 분리특성을 보장하여야 한다. 따라서 체결력을 적절하게 선택하여 체결력과 분리성능 두가지를 모두 만족시키도록 하는 것이 엄빌리칼 시스템 설계의 핵심 요소이다. 이와 같은 장치 특성에 따라 엄빌리칼 시스템은 우주발사체 개발 초기부터 현재까지 다양한 형식의 엄빌리칼 장치들이 연구되고 발사체에 적용되어 왔다. 본 논문에서는 현재까지 주로 사용되었던 각 엄빌리칼 시스템들 그 특징과 그 작동개념별로 구분하여 기술하고 향후 한국형 발사체에 적용될 엄빌리칼 시스템의 개요에 대해 소개한다

한국형발사체를 독자개발하기 위한 연구개발이 한국항공우주연구원을 중심으로 2010년 이후 수행 중에 있다. 발사대 장비 중 발사체고정장치는 발사체를 발사패드 위에 수직으로 기립시킨 후 발사체 하부를 고정하여 풍하중 등 외부 하중으로부터 발사체를 견고하게 고정하는 장치로, 발사체 1단 엔진 점화 후 발생된 추력이 발사체의 이륙중량을 초과되어 이륙이 시작하는 발사초기에 다른 지상장비들과 마찬가지로 발사체 이륙에 간섭이 되지 않도록 고정장치를 빠르게 해제 하여야 한다. 파이로밸브는 발사체고정장치를 구성하는 핵심 구성품의 하나로 발사체 단분리 장치 및 위성 분리장치 등에도 적용하는 유사기능부품으로 높은 신뢰도과 빠른 응답특성을 가져야 한다. 본 논문내용을 통해 발사체고정장치용 파이로밸브 개발과정과 한국형발사체에 대한 전반적인 이해의 폭을 넓히고자 한다.

한국형발사체 발사대시스템의 지상기계설비는 수평상태로 총 조립된 발사체를 조립동에서 발사패드로 이송하여 기립 후 안착시키고, 발사체로의 추진제 공급을 위한 공급 및 분리장치를 제공하며 발사체 이륙까지의 기구학적인 동작과 기계적인 운용을 담당하는 설비이다. 본 논문에서는 한국형발사체의 요구조건을 충족시키기 위하여 개발 중인 지상기계설비들의 구성과 기능, 형상 설계 결과를 소개하고, 발사운용절차에 따른 각 장치들의 운용개념을 소개한다.

우주발사체 발사운용은 발사체와 발사대시스템인 발사관제설비, 추진제공급설비 및 지상기계설비간의 유기적 작동을 통해 진행된다. 이때 발사대시스템 계기 구동을 위한 주요전원은 발사관제설비 구성요소인 지상장비전원공급계를 통해 공급된다. 따라서 지상장비전원공급계는 발사운용에 필요한 소요 전력을 안정적으로 공급할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 한국형발사체 발사대시스템 구동을 위한 지상장비전원공급계 개발 현황을 소개한다.

한반도를 둘러싼 세 나라인 일본, 중국, 러시아는 경제력이나 국력 등에서 세계를 주도하는 나라들이다. 이들은 과학기술분야, 특히 우주분야에서 선두를 다투는 국가들이다. 그에 비해 우리는 새로운 발사체 개발이 중반에 들어섰고, 새로운 발사장 구축도 한창인 수준이다. 본 논문에서는 러시아 기술을 근간으로 하고 있는 러시아와 중국의 발사장의 현황을 알아보고, 이를 통하여 한국형발사체 발사대구축 및 향후 기대되는 미래 발사체 구축에 참고로 삼고자 한다.

우주 발사체의 발사 실패 원인 중 가장 대표적인 것이 연소불안정 현상이다. 연소불안정은 연소실 내부의 압력 섭동과 열방출 섭동의 상호작용으로 인하여 연소실 내부의 압력 섭동이 크게 증폭되는 현상을 말하며, 이러한 현상이 심해지게 되면, 엔진의 폭발 또는 비행체의 추락 등이 일어나게 된다. 이러한 연소불안정 현상을 예측하고 회피하기 위해서는 현상의 이해가 반드시 필요하며, 이를 위해 국내외적으로 연소불안정에 대해 수치적, 이론적, 실험적인 접근을 통한 연구가 많이 진행되고 있다.

연소불안정은 로켓엔진과 가스터빈을 포함하는 연소장치의 개발에 있어서 가장 심각한 문제 중의 하나이다. 특히, 연소실에서의 연소와 음향섭동과의 공진에 의해 야기되는 고주파 연소불안정은 하드웨어에 심각한 손상을 초래한다. 왜냐하면 고주파 연소불안정은 높은 압력섭동과 연소실 벽면으로의 과도한 열유속을 동반하기 때문이다. 따라서 연소불안정은 액체로켓엔진 개발에 있어서 반드시 해결되어야 하는 문제 중의 하나이다. 본 논문에서는 액체추진과학로켓(KSR-III) 및 한국형발사체(KSLV-II) 엔진 연소기 개발에 있어서 연소불안정의 경험 사례를 소개한다.

가스터빈 연소기의 연소불안정성을 평가하기 위해 동적모드분해(dynamic mode decomposition, DMD) 기법을 적용하였다. DMD 기법으로 도출된 감쇠계수(damping coefficient)와 FFT 결과를 비교 분석 하였다. 또한 화염전달함수 (flame transfer function, FTF)를 도출하는 실험적 방법에 DMD 기법을 적용하여 분석을 시도하였다. 기존에 제시된 열방출 섭동을 추출하는 방법에서 개선된, OH PLIF 이미지를 이용하여 열방출 섭동을 추출하는 방법을 사용하였다. 분석 결과, 열방출 섭동의 추출 위치에 따라 화염전달함수의 이득(gain)이 변하는 것을 확인하였다.

한국형발사체에 적용되는 액체로켓엔진은 가스발생기 개방형 엔진 사이클을 채택한다. 가스발생기에서 연소 불안정이 발생하면 연소 성능이 변하고 진동, 소음 등의 문제점을 야기하거나 하드웨어의 손상을 초래할 수 있다. 본 연구에서는 액체로켓엔진의 가스발생기를 개발하면서 나타난 연소불안정 경험 사례를 소개하고자 한다.

다양한 연소불안정 모델링 기법이 로켓 및 가스터빈 등 연소시스템에 적용되어 개발, 검증되고 있다. 이 중 본 연구에서는 시스템의 각 요소를 음향 네트워크로 구성하여 질량, 운동량, 에너지 보존 방정식을 푼 다음, 각 요소들의 경계 조건을 대입하여 전체 시스템의 불안정 특성을 해석하는 1D 네트워크 모델의 기초 이론부터 최신 연구 동향을 소개하고자 한다. 특히 화염전달함수(flame transfer function)와 음향전달함수(acoustic transfer function)을 각각 정의하고, 서로의 상호 관계에 대하여 규명하였다.

고주파 연소불안정은 비정상 화염의 열방출율 섭동과 연소실 내부에서 공진되는 음향파의 상호 결합으로 발생하는 열음향 문제로, 다양한 해석적 접근방법이 존재한다. 본 논문에서는 주파수 영역에서 선형음향 가정과 시간지연 이론을 이용한 3차원 FEM Helmholtz solver의 개발 사례를 소개하였으며, 가변길이 희박 예혼합 연소기의 자발 연소불안정 예측과 수동제어기구(배플, 음향공진기)의 설계분석 결과를 제시하였다. 또한 시간 영역에서 시간지연 이론을 이용한 압축성 유동 해석코드를 통해, 고진폭 압력섭동에 의해 야기되는 비선형 음향 특성과 한계사이클 현상을 분석하였다.

한국형발사체(KSLV-II) 개발과 함께 지구정지궤도 발사를 위해 비추력이 높은 다단연소사이클 로켓 엔진 개발이 한국항공우주연구원에서 진행되고 있다. 다단연소사이클 로켓엔진은 한국형발사체 엔진과 달리 가스발생기를 사용하는 개방형 엔진이 아니며, 크게 예연소기, 터보펌프, 주연소기로 구성되어 있 폐쇄형 엔진이다. 기술검증시제 개발용 모델(TDM0)을 조립하여 나로우주센터의 7톤급 엔진 연소시험 설비에서 연소시험이 진행되고 있으며, 기술검증시제 모델의 연소시험은 성공적으로 수행되었다. 현재 엔진 형상의 TDM1 모델 조립과 연소시험을 위한 준비과정이 진행 중이다.

나로우주센터에 구축/개발된 3단 엔진 연소시험설비에서 다단연소사이클 액체 로켓엔진의 시험을 수행하였다. 수류시험과 점화시험, 연소시험이 이루어졌으며 예연소기의 연소압력 제어를 위한 TTR의 개도를 $143^{\circ}$에서 $185^{\circ}$ 까지 변화시키며 시험을 수행하였다. 시험 결과 엔진의 주요성능과 TTR 개도에 의한 수력학적 변화를 확인하였지만 연소압력의 제어성 확인을 위한 결과는 얻지 못하였다. 향후 본 논문의 연구에서 도출된 개선점을 보완한 예연소기 압력제어 연구가 이루어질 것이다.

고성능 상단엔진 개발을 위한 9톤급 다단연소사이클 엔진의 선행연구가 진행 중에 있다. 다단연소사이클 엔진 기술검증시제(TDM0)를 제작을 완료하여, 나로우주센터 엔진 연소시험설비에서 예연소기와 터보펌프로 구성된 파워팩 연소시험과 주 연소기까지 장착된 엔진 연소시험을 차례로 수행하였다. 다단연소사이클 엔진 유공압 라인의 진공화 과정과 연소시험에서 나타난 터보펌프의 및 유공압 라인의 특성을 간략히 기술한다.

한국형발사체 1단 엔진 개발을 위한 엔진시스템 시험으로 액체산소-케로신을 추진제로 하는 75 톤급 액체로켓엔진의 연소 시험이 수행되었다. 한국형발사체 1단용 75 톤급 엔진시스템을 이용한 개발 연소시험 현황을 연소기, 터보펌프, 가스발생기, 파이로 구성품 및 공급계 부품을 포함하는 엔진시스템 연소 시험 결과를 포함하여 소개한다. 액체산소-케로신 추진제 엔진시스템의 시동 및 점화, 정상 구간 작동, 종료가 안정적으로 수행되었으며, 엔진 연소 시험 중 엔진 추력 제어 시스템의 검증 시험도 성공적으로 수행되었다. 75 톤급 엔진 연소시험 결과는 한국형발사체 1단용 엔진시스템 설계 검증 및 성능 평가에 활용될 예정이다.

9톤급 다단연소 사이클 엔진 개발을 위한 기술검증시제(TDM0) 파워팩 연소시험이 나로우주센터 3단 엔진 시험설비에서 수행되었다. 기술검증시제 파워팩 모델은 주연소기를 제외한 예연소기와 터보펌프, 추진제 공급시스템으로 구성되어 있다. 파워팩 연소시험에서는 파워팩 구성품들간의 연계 작동성을 확인하였으며, 엔진 시스템 시험을 위한 파워팩의 주요 성능 변수들을 평가하였다.

정지궤도용 우주발사체에는 고성능 상단엔진이 필수적이며 높은 비추력을 가지는 다단연소사이클 엔진이 적합하다. 터보펌프, 예연소기, 연소기, 공급계 시스템으로 구성된 9톤급 다단연소사이클 엔진 시스템의 기술검증시제를 제작하여 나로우주센터 3단 엔진 연소시험설비에서 3초 지상연소시험을 수행하였다. 엔진 시스템의 시동, 점화, 연소 및 종료가 정상적으로 수행되었으며 주요 성능 변수를 평가하였다.

고공엔진시험설비에서 지상 시험 조건의 시험 가능 여부와 설비 안전 문제를 점검하고자 로켓 엔진 유동을 해석하였다. 진공 챔버를 개방한 상태에서 냉각수를 초음속 디퓨저로 분사하면서 엔진이 작동하는 상황이며, 2차원 축대칭과 플룸, 공기, 냉각수의 3원 혼합물로 가정하였다. 해석 결과 냉각수 유량 200 kg/sec까지 지상 조건 시험이 가능하였다. 그러나 시동 초기 플룸의 역류로 인해 진공 챔버가 고온에 노출되고, 동시에 냉각수 역류로 인해 진공 챔버 내부가 오염되었다. 따라서 충분한 단열 대책과 오염 회피를 위한 작업이 선행되어야 한다.

본 논문에서는 하이브리드 로켓의 자동점화를 위한 다단 방식의 촉매점화시스템에 관한 연구를 수행하였다. 다단 촉매점화기의 열분해 성능을 평가하기 위해 1단 점화기에 촉매를 충전하여 예열 후, 1단 점화기와 2단 점화기에 각각 저유량과 고유량을 공급하여 실험을 진행하였다. 이때 저유량의 $N_2O$가스를 분해하여 생성된 고온의 가스로 고유량의 $N_2O$가스를 분해하였다. 실험 결과 기존 점화기보다 점화 시간이 감소되었다. 또한 1단 점화기에서 분해된 가스를 이용하여 2단 점화기에 공급된 고유량 $N_2O$가스의 분해 가능성을 확인하였다.

로켓 등급의 고농도 과산화수소는 촉매 분해를 통해 높은 온도의 산소와 수증기를 발생하며, 이와 같은 성질을 이용하여 우주 추진 기술로 사용된 바 있다. 본 연구에서는 과산화수소의 촉매 분해를 이용한 수중 추진 시스템 관련 문헌 조사 및 개념 설계를 진행했다. 과산화수소 분해 가스를 분사하는 분사기 설계의 경우 로켓 노즐 설계 방식과 유사하게 진행했으며, 두 종류의 형태로 엔진 설계를 진행했다. 환형의 형태의 가스 분사기를 갖는 엔진을 제작하여 수중 환경에서 작동 시험을 수행했으며, 엔진 노즐 출구의 면적에 따른 성능 변화를 관찰했다. 향후 중앙에서 가스를 분사하는 방식의 엔진을 제작하여 성능 평가를 수행할 예정이다.

수중추진을 위한 고체추진제로 알루미늄 분말의 수반응성을 높이기 위하여 $NaBH_4$를 첨가하였다. 알루미늄 분말은 $NaBH_4$의 첨가량에 따라 다른 연소특성을 보였다. $NaBH_4$를 첨가하였을 때 끓는점보다 훨씬 낮은 온도에서도 물과 반응하여 연소되었다. 본 연구에서 $NaBH_4$는 Al 분말과 증기 반응을 촉진시키는 효과적인 첨가제임을 확인하였다.

고체 로켓추진기관을 이용한 자연공동형 수중운동체를 수중주행 시험하였다. 수중운동체의 속도 및 주행거리를 측정하고, 수중운동체 표면에 압력센서를 설치하여 초공동이 발달됨에 따라 표면 압력이 어떻게 변화하는지를 조사하였으며, 수중카메라를 설치하여 시험시 수중운동체에 초공동이 발생하여 진행하는 과정을 기록하였으며, 이를 이차원 비점성 이론해석법에 근거한 CNU-SuperCT 프로그램을 사용하여 계산한 시뮬레이션 결과와 비교하였다. CNU-SuperCT 프로그램은 수중운동체의 조종면을 포함하지 않고 계산한 것을 고려하면, 시뮬레이션 결과와 측정결과가 잘 맞는다고 판단되며, 수중촬영결과도 이와 동일한 결과를 보인다.

한반도의 근해는 다양한 해양변화가 있으며, 작전을 수행하는 해군함정, 함재기, 해상운용 비행기, 공군의 전투기, 해안에 위치한 공항 및 비행장 등이 영향을 받는다. 특히 해양환경의 직접적인 영향인 염분은 가스터빈엔진과 같이 고온/고속으로 운용되는 장비에 연료의 황성분과 화학적 변화로 고온부식(Hot Corrosion)이 발생시킨다. 한계값으로 정의 할 수 없지만 염분에 의한 부식은 디미스터(공기흡입구) 높이가 7m 이하일 경우 해상에서 유입되는 염분이 증가하여 부식이 급격하게 증가하였다. 또한 서해보다 동해에서 작전임무를 수행하는 무기체계는 염분도, 풍량, 파고에 의해 비산되는 염분이 상대적으로 많아 부식율이 17% 증가함을 확인하였다. 해상에서 가스터빈엔진을 운용하는 해상무기체계는 염분유입을 최소화하기 위해 해상으로부터 13m이상에서 운용되어야 급격한 고온부식을 최소화 될 것으로 본다.

하이브리드 로켓 추진장치에서 유량제어밸브는 HR 모터조립체로 유입되는 $N_2O$ 산화제의 유량을 변경하여 추력을 증가시키거나 감소시키는 역할을 수행한다. 본 논문에서는 응답속도를 약 1초 이내, 토크 $36N{\cdot}m$의 요구사항에 맞춰 유량제어밸브를 설계 및 제작하였다. 그리고 나서 0~10V의 아날로그 신호를 인가하였을 때 밸브가 열고 닫히는 상황을 구현하기 위해 액추에이터에 데이터 값을 입력하였다. 마지막으로 연소시험을 통해 유량제어밸브의 성능을 확인하였다.

무기체계에 첨단기술이 접목되고 연구개발에 많은 비용이 듦으로써 소요군은 수명주기 전 단계에서 무기체계의 높은 신뢰도를 요구하고 있다. 하지만 국방 무기체계의 신뢰도에 대한 연구는 관심부족 또는 자료수집의 제한으로 실증적인 연구가 제한되고 있다. 본 연구에서는 무기체계 운용자인 함정, 작전 및 정비지원 부대(작전사, 군수사, 정비창, 업체)들을 직접 방문하여 수집한 경험을 바탕으로 야전운용제원 수집 프로세스를 제안하였으며, 이를 활용하여 해성 유도탄 발사체계의 운용 MTBF를 도출하여 개발 시 목표값과 비교 분석하였다.

초고속 수상정의 추진 기관으로써 추력 조절 및 수중 운용이 가능한 하이브리드 추진 기관을 개발하였다. Ground Test Motor를 설계 및 제작하여 지상 시험을 통해 추진 기관의 성능을 검증하였으며, Underwater Woring Motor를 설계, 제작하여 지상 시험 및 수중 추진 시험을 수행하였다. 수중 운용을 위하여 2단계 점화 방식을 채택하였고, 점화 직전까지 수밀이 가능하도록 노즐 끝단에 파열판을 장착하였다. 최종 선정된 이중 파열판을 장착한 수중 추진 시험에서 성공적인 점화 및 추진이 이루어짐을 확인하였다.

HTPB 추진제는 자연 저장 기간 동안 내부 시효성 물질들에 의한 물리 화학적 반응으로 인해 서서히 노화가 진행된다. 각기 다른 시간-온도 조건에서 이들 시효성 물질의 가속 노화 시험을 통해 자연 상태에서의 노화 특성을 모사할 수 있다. 본 논문에서는 장기 저장 기간 동안 느리게 진행되는 HTPB 추진제의 물리 화학적 반응에 의한 노화 특성을 HFC(Micro-Heat Flow Calorimeter)로 분석 평가하여 수행한 HTPB 추진제의 신개념 수명 예측 기술에 대하여 고찰하였다.

종래에는 등분산 가정을 기반으로 가속열화시험 데이터로부터 저장수명을 예측하는 방식이 일반적이었다. 그러나, 실제로는 대부분의 탄약류의 특성치 데이터는 시간의 경과에 따라 산포가 증가한다. 따라서, 본 연구에서는 등분산과 이분산을 가정한 경우에 저장수명 예측 결과의 차이를 확인하고 향후 이분산 가정을 기반으로 데이터 분석을 수행함이 타당함을 제안한다.

유도탄은 일반적으로 양산 후 바로 사용하는 것이 아니라 장기간 저장을 거친 후 사용되므로 운용 신뢰도가 아니라 저장 신뢰도가 매우 중요하다. 본 연구에서는 가속노화시험을 통해 유도탄의 엔진 조립체 및 부품에 대한 저장 신뢰도를 평가하는 방법을 제시한다. 엔진 조립체의 시험은 실제 저장 시간과 등가한 가속 시험조건에서 시험을 수행한 후 각 부품의 노화 상태를 확인한다. 반면, 부품에 대해서는 가속 시험조건에서 주기적으로 성능노화특성을 측정하여 고장시간을 예측한 후 여러 가속 조건의 시험데이터와 가속모델을 이용하여 사용조건의 수명을 결정하는 시험을 수행한다.

고무탄성체가 연료와 접촉하면 저분자량의 고무성분이나 첨가제 등이 연료에 의해 용출되면서 고무의 물성을 변화시키고 연료의 물성에도 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 고무탄성체 중 밀봉재로 사용되는 고무 오링이 연료와 장기간 접촉하고 있을 때 고무 오링의 수명을 예측하기 위해 접촉 연료의 부피와 온도, 저장시간에 따라 고무 오링의 물성치로 무게, 부피, 두께, 경도, 인장강도, 신장율 및 영구압축줄음율 측정하여 변화정도를 측정하였다. 또한 연료의 GC분석을 통해 순도변화를 분석하고 총발열량을 측정하여 고무 접촉에 의한 연료의 열화정도를 측정하였다. 이러한 측정결과는 수명을 예측하기 위한 기본 자료로 사용할 예정이다.

유도탄 수명 연장은 유도탄의 교체 비용을 절감할 수 있고 전력을 유지할 수 있으며, 시효성 품목의 수명 평가와 유도탄의 정비와 구성품의 성능 개량으로 구성된다. 그러므로 수명 연장 기술은 체계 개발과 동시에 개발하여 지속적으로 발전시켜야 하며, 많은 분야의 전문 기술과 오랜 기간의 경험과 데이터베이스가 결합된 융합 기술이다.

X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) 분석법을 이용하여 FKM O-ring의 대기중에서의 노화 메카니즘을 관찰하였다. FKM O-ring은 선경 3.53mm, 내경 91.67mm인 오링을 시편으로 사용하였다. 노화 후 FKM O-ring의 oxygen 원소의 농도가 20.39%로 증가하였으며, fluorine 원소는 각각 8.29%로 감소하는 경향을 나타내었다. 이를 통하여 산소에 의한 산화 반응이 FKM O-ring의 주요 노화 반응으로 나타났다. C1s와 F1s 피크 분석 결과, FKM O-ring의 주쇄중 C-F 결합에서 산화 반응이 주로 진행되는 것으로 나타났다. 또한 O1s 피크 분석 결과, 산화 반응을 통하여 C-OH, C=O, 그리고 O=C-O 구조를 형성하며, 주로 카르복실기가 생성되는 것으로 나타났다.

열적 특성은 에너지 물질 분야에서 중요한 특성 중 하나로, 에너지 물질 분해 시 분해열을 방출하기 때문에 DSC(시차 주사 열량계, Differential Scanning Calorimetry)를 자주 사용하고 있다. 승온속도를 달리한 DSC 측정의 경우, 용융과 같은 열역학적 변화로 인해 물질의 열적 측정에 방해를 준다. 또한 kg 단위로 예측하기 때문에 mg 단위 때와는 다른 공간상의 열 변화의 변수가 생긴다. 이번 연구에서는 이 문제점을 해결하는 방안으로, 등온 조건으로 한 DSC(Differential Scanning Calorimetry) 기초 데이터로 ATKS thermokinetic 프로그램을 이용하여 열적 노화 특성을 예측한다. 그리고 g 단위로 측정하는 ARC(Accelerating Rate Calorimetry)의 데이터를 이용하여 열적 노화 특성을 예측하고 결과를 비교 할 것이다.

항공기 엔진 지상 성능시험을 위한 15만 파운드 급 Test 설비를 구축하기 위해 Test Cell Type, Cell Flow, Cell Bypass Ratio, Approach Velocity, Cell Depression, Front Cell Distortion, Noise 및 Vibration 등의 주요 설계 목표를 설정 하였고, 설비 완공 후 최종 성능검사를 통해 목표 값을 충족하는 성능 데이터를 획득할 수 있었다.

미국과 유럽은 대형 항공기 산업을 선도하고 있으며, 아시아-태평양 지역에서는 물동량이 증가하면서 운송산업과 정비산업이 크게 발전할 것으로 전망된다. 또한, 일본과 중국은 중소형 항공기 분야에서 설계 제작국에 진입하였으며, 후발국가의 정비산업도 경쟁이 더욱 가속되고 있다. 향후 10년간 세계의 항공기 정비산업은 연평균 3.4%로 성장하고, 엔진 정비산업은 7%씩 성장할 것으로 전망된다. 본 논문을 통하여 고부가가치를 창출할 수 있는 기술집약형 항공엔진 정비산업 육성 방안을 제시하고자 한다.

항공기 엔진과 보조동력장치는 안전성에 기반하여 감항성 기준과 인증절차에 따라 반드시 인증을 받도록 규정하고 있다. 항공기 엔진은 형식증명을 통하여 설계와 제작에 대한 적합성을 입증하여야 하며, 보조동력장치의 경우는 기술표준품 표준서에서 요구하고 있는 최소성능표준(Minimum Performance Standards)에 대하여 설계와 생산에 대한 적합성을 입증하여야 한다. 우리나라는 항공기 엔진에 대한 항공기기술기준으로 Part 33을 제정하고 있으나, 보조동력장치에 대한 인증 기준은 고시되지 않은 상태이다. 항공기 엔진과 보조동력장치의 개발과 인증체계 구축은 우리나라 항공 산업을 한단계 향상시킬 수 있는 계기가 될 것이다. 이에 본 논문에서는 항공기 엔진 및 보조동력장치에 대한 인증 현황을 통하여 개선 방안을 제시하고자 한다.

보조동력장치(Auxiliary Power Unit: APU)는 항공기에 장착되어 주엔진의 지상 및 공중 시동을 위한 에너지를 공급하고 항공기의 비상 및 보조 전원을 공급하는 역할을 하는 소형 가스터빈엔진이다. 항공기용 APU는 구조가 간단하고 소형이지만 유인 항공기에 장착되기 때문에 높은 신뢰성이 요구되므로 인증 절차를 통하여 그 신뢰성을 입증하여야 한다. 한국항공우주연구원은 2007년부터 2012년까지 한화 테크윈과 함께 축적된 국내 연구개발 역량 및 경험을 바탕으로 헬리콥터용 APU의 설계/해석, 제작 및 조립, 개발시험 및 인증시험을 평가를 성공적으로 완료하였다. 본 논문에서는 헬리콥터용 보조동력장치의 개발 및 인증 과정에 대하여 정리하였다.

소형민수헬기(LCH, Light Civil Helicopter) 개발사업을 통해 개발된 엔진은 민수 인증(형식 증명) 획득 후 소형무장헬기(LAH, Light Armed Helicopter)용으로 활용될 예정이다. 따라서 민수 인증 엔진의 군용 엔진 적용의 적합성 분석을 위한 기초자료로의 활용을 위해 미연방항공청(FAA)의 형식 증명 규격 FAR Part 33과 유럽항공안전기구(EASA)의 CS-E를 비교 분석하였다. 이 분석 자료는 향후 군용 항공기 추진 시스템의 감항성 입증을 위해 필요한 민수 엔진 형식 증명 기준 적합성 입증 자료의 추적성 분석을 위해 사용되었다.

본 논문은 군용항공기의 감항인증을 위한 표준감항인증기준 및 추진체 기술기준에 대한 연구 내용이다. 본 논문에서는 군용항공기의 감항인증 제도 소개, 민간항공기 감항인증과의 차이점 및 특징, 표준감항인증기준을 소개하고 추진체 주요 기술기준 내용, 그리고 기준 적용 사례들을 연구하였다.

우리나라 민간 소형 비행기 동력장치의 감항기준은 KAS Part 23(소형 비행기)과 Part 33(엔진)에서 규정하고 있다. 이 기준은 미연방항공청(FAA)의 FAR Part 23 및 Part 33과 유럽항공안전청(EASA)의 CS-23 및 CS-E와 동등한 체계를 갖는다. FAA와 EASA는 소형 비행기의 감항기준을 전면 개정하였다. 설계 방식과 적합성 입증방법을 지정한 규범적 규정에서 안전한 성능을 달성하도록 목표를 지정하는 성능기반형 규정으로 전환한 것이다. 이러한 개념적 전환에 따라 동력장치 감항기준 또한 기존의 요건에서 대폭 변경되었다. 이에 따라 FAA의 동력장치 인증요건 개정 사항을 살펴보고 우리나라의 감항기준 개정 방향을 고찰하였다.

액체로켓엔진 고장에서 시동과정이 30% 이상을 차지하며 특히, 우주왕복선 주 엔진(Space Shuttel Main Engine, SSME)은 2%의 밸브위치 오차 또는 0.1초의 시간오차와 같은 작은 변화에도 급격하게 변화하는 매우 민감한 시스템으로 시동과정의 모델링이 중요하다. 하지만, 시동과정에서 비선형 질량 유량과 열전달 특성 때문에 많은 어려움이 발생한다. 본 논문에서는 이를 해결하기 위하여 부분적인 전산유체해석(Computational Fluid Dynamics, CFD) 방법을 사용하였으며 본 논문에서는 구성품의 모델링을 수행하여 정상상태에서 확인을 하였다.

본 논문은 75톤급 액체로켓엔진의 상태진단을 위해 칼만 필터를 이용한 고장진단 연구를 수행하였다. 칼만 필터 설계를 위해 75톤급 액체로켓엔진 비선형 시뮬레이션 모델을 공칭 작동점에서 선형화하였으며, 정상 모델의 상태량 변수 4가지를 이용하여 측정값과 추정값 비교를 통해 칼만 필터의 성능을 확인하였다. 이를 이용한 고장진단 알고리즘의 성능을 확인하기 위하여 터보펌프 고장을 모사하였으며 정상 모델의 잔차 변화를 비교하여 칼만 필터를 이용한 고장진단이 가능함을 확인하였다.

본 논문은 복합화력 발전용 가스터빈 고온부품을 관리하기 위해 개발된 S/W의 구성 및 기능에 대하여 소개한다. 고온부품의 경우 수리 및 재생, 교체 빈도가 높아 효율적인 관리를 통해 운용 경제성을 크게 높일 수 있다. 또한 개발된 프로그램은 윈도우형 인터페이스를 제공하여 사용자가 보다 쉽게 사용할 수 있으며 프로그램의 확장을 통해 전체 계통 부품으로 확대 적용이 가능하다.

항공기 엔진 등 연소기의 표면온도는 연소성능과 관련된 중요한 측정인자 중의 하나이나 통상적인 온도측정 기술로는 연소화염이나 진동, 분진 등의 열악환경으로 인해 측정오차가 매우 큰 측정량이다. 이를 해결하기 위한 기술로 형광체의 온도에 따른 감쇠광의 파장변화 혹은 감쇠시간 변화를 이용하여 실시간으로 연소기 표면온도를 측정할 수 있는 기술이 개발되었다. 본 연구에서는 스크렘젯 연소기 내부 표면온도르르 in-situ 상태에서 측정할 수 있는 기술을 개발하기 위한 일환으로 355 nm 파장의 레이저로 여기된 Dy:YAG 형광체의 온도에 따른 분광특성을 최대 $800^{\circ}C$까지 측정하였고, 전기로 내에서 교정된 열전대를 이용하여 형광온도계의 교정곡선을 구하였다.

초음속 스크램제트 연소기는 약 2000K 이상의 고온과 빠른 유속을 가지는 연소 환경에 노출되며 현재 inconel 등의 고온 금속 소재를 적용하고 있다. 이러한 금속소재는 1000K 이상의 고온 환경에서 물성 저하 현상이 크게 나타나 장시간 및 재사용이 불가능하다. 이에 본 연구에서는 차세대 고온 내열 소재로 주목 받는 섬유강화 세라믹 복합소재를 스크램제트 연소기에 적용하기 위한 연구를 수행 하였으며, 연소효율 향상을 위해 고온의 연료를 분사할 수 있는 재생냉각형 연소기 제조를 위한 기초 기술을 개발 하였다.

스크램제트 엔진 개발의 일환으로 injector에 대한 연구를 수행하였다. 실험에는 Barbotage injector를 사용하였다. Injector의 분무 특성을 확인하기 위해 물을 주 연료로 공급하였고 액체의 미립화를 위하여 질소를 공급하였다. 실험 설비는 한국항공우주연구원의 분무 시험 장치와 PDPA를 사용하였다. 실험 결과 기체 압력 변화와 분무 거리가 미립화되는 정도에 큰 영향을 끼치는 것을 알 수 있었다.

가스터빈 엔진의 구성품 개발단계에서 블레이드의 Aeromechanics 시험은 블레이드 진동설계와 구조 안정성 검증 프로세스 사이에서 중요한 연결 고리를 제공한다. 이 전제에 근거하여 본 연구에서는 NSMS(Non-Intrusive Stress Measuring Systems)를 축류 압축기 구성품 시험리그에 적용하여 Tip Timing 센서가 장착된 단에서 모든 블레이드의 정적/동적 변위를 시험적으로 측정하였다. 진동 특성 분석을 통해 블레이드 고주기 손상을 유발할 수 있는 피로임계위치(Fatigue Critical Location)에서의 진동 응력을 평가하였으며, 공력가진에 의한 비동기 진동응답 및 개별 블레이드 Mistuning 패턴을 제시하였다.

가스터빈 시동 시 터빈휠은 급격한 온도 변화와 원심하중을 받게 된다. 터빈휠 온도와 응력은 빠르게 증가하게 되며, 적용되는 시점과 정도가 서로 다를 수 있다. 온도 및 원심력 적용 속도 차이에 따른 수명 변화를 연구하기 위해서 열-기계피로 유한요소해석을 수행하였다. 시동 시 터빈휠 속도가 천천히 증가하고, 중단 시 천천히 감속하면 상대적으로 수명이 길어진다. 만약 속도 감소가 냉각속도보다 빠르면 오히려 수명이 증가한다.

Mar-M-247 합금은 고온에서의 우수한 강도로 Ni기 초내열합금 중 항공용 가스터빈 부품에 가장 널리 사용되는 소재 중 하나이다. Mar-M-247을 이용하여 터빈 노즐, 터빈 블레이드와 같이 Hot section 용으로 제작되는 부품은 복잡한 형상 등의 이유로 접합 공정을 적용하고 있다. 본 연구에서는 Mar-M-247 합금의 액상확산접합부에 대한 고온 특성 거동을 고찰하고자 하였다. 이에, $1,121^{\circ}C$에서 7분간 확산접합을 실시하여 고온 강도 변화를 관찰하였다. 시험 결과, 접합 시편은 $649^{\circ}C$에서 모재 대비 약 70%, $825^{\circ}C$에서 약 60%, $1,000^{\circ}C$에서 약 45%의 강도치를 나타내었다. 접합시간에 따른 강도 변화를 관찰한 결과, 720분 접합한 시편은 $649^{\circ}C$에서 모재와 유사한 강도치를 나타내었으며, 이는 One-body 부품에 가까운 일체형 확산 접합이 이루어진 것으로 판단된다.

Prefilming air blast 연료노즐의 다상유동 해석을 수행하였다. 연료가 미립화되는 과정을 관찰하였으며 liquid film의 두께와 속도를 계산하였다. Slot에서 분사된 연료는 prefilmer surface에서 얇은 액막을 형성한 후 연료노즐 lip에서 액적으로 분열되었다. 또한 계산된 liquid film의 두께와 속도를 경계조건으로 하여 반응유동장 해석을 수행하였다. 분사된 액적은 venturi throat를 지나면서 기화되었고 연료노즐 하류에 반응영역이 형성되어 안정적으로 보염이 이루어졌다.

본 논문에서는 항공 가스 터빈용 연소기 개발을 위한 단일 연소기 섹터 시험 결과에 대한 논의하였다. 연소기로 공급되는 전체 공기 중 주 연소 영역으로 공급되는 공기비율을 변화 시키면서 배출물 농도, 라이너 표면 온도 분포 및 연소기 출구 온도 패턴 등의 연소 성능 변화를 연구하였다. 주 연소 공기량이 증가함에 따라 CO와 NOx 배출 농도가 증가하는 경향이 있었으며, 연소기 출구 패턴은 개선되는 것으로 나타났다. 희석 공기공을 회전시켜 배치하는 경우 연소기 출구 온도 패턴의 변화가 민감하게 변하는 것을 확인하였다. 이러한 연구 결과는 연소기의 효율, 내구성 및 배출물 감소 성능을 고려한 연소기 라이너 설계 최적화 과정의 기초 자료로 활용할 예정이다.

고속추진체계의 시험평가에는 많은 비용과 시간이 필요하므로 시험자료의 양은 항상 부족하고, 설사 있더라도 지상시험 환경이 실제 비행조건과 일치하는 경우가 드물다. 이러한 이유로 설계자들은 설계결과에 대한 불확실성을 정량적인 확률로 제시하는데 어려움을 가지고 있다. 본 논문에서는 Evidence 기법을 이용하여, 시험자료 대신 개발자들의 경험과 공학적인 지식을 바탕으로 불확실성을 모델링하는 방법을 연구하였다. 연소효율은 이중연소램제트 엔진의 초기설계단계에서 가장 예측하기 어려운 변수중의 하나이다. 유사분야의 경험을 가진 설계자들이 이 값을 제시하는 것으로 가정하여 이중연소램제트 엔진의 설계결과에 대한 불확실성을 산출하였다. 나아가 흡입구와 연소기 출구면적으로 설계변수로, 추력성능과 thermal choking의 가능성을 제약함수로 하는 신뢰성 최적설계를 수행함으로써 시스템의 안전성을 확보하면서 최적의 성능을 얻을 수 있는 설계기법을 탐색하였다.

본 연구에서는 중첩된 두 비행물체에서 단분리 시 일어나는 주위 유동장 해석에 초점을 맞춰 해석을 수행하였다. 수치적인 해석을 위하여 정지된 비행체에서 분리되는 실린더 형태의 부스터를 중첩격자를 이용하여 모델링 하였으며 상용해석코드인 CFD-FASTRAN$^{TM}$을 사용하여 계산하였다. 실제 현상을 모사하기 위하여 경계조건 및 외력을 도출하였으며 각 비행조건에 따른 부스터 분리 시 주위 유동장 해석을 수행하였다. 단분리 시의 비행속도와 받음각 조건에 대한 해석결과를 이용하여 실제 분리 현상을 모사할 수 있는 수치적인 경계조건을 파악하고 안전한 단분리 예측에 본 연구결과를 활용하고자 한다.

가압용 압력용기로부터 오리피스를 통해 기체가 배출되는 경우에 대하여 기체배출특성을 예측하기 위한 모델 개발에 대한 연구이다. 추진체계에 사용하기 적합한 압력용기에 대해 시험을 수행하여 대표적인 압력과 온도를 계측하였고, 압력용기 내부의 열전달에 대한 가정과 이에 대한 모델을 적용하여 시뮬레이션을 통해 압력과 온도를 예측하여 비교하였다. 그 결과 제안된 열전달 모델을 통해 계측된 압력과 온도와 유사한 예측 결과를 확인하였다.

본 연구는 이중모드 스크램제트 엔진의 흡입구, isolator, 연소기, 노즐에서의 flowpath 유동특성에 대한 해석적 연구결과이다. 이중모드 스크램제트 엔진의 설계와 성능을 파악하기 위해서는 공력, 열역학적 특성, 추진 그리고 전체 시스템에 대한 성능 모델과 해석 도구의 개발이 반드시 요구된다. 본 연구에서는 이중모드 스크램제트 엔진의 각 구성품인 흡입구, isolator, 연소기, 노즐에 대한 해석 모델을 정립하고, 개발된 해석 도구를 사용하여 이중모드 스크램제트 엔진의 성능특성을 파악해 보았다.

레이저 유도 플라즈마 분광분석법 (Laser-induced breakdown spectroscopy : LIBS) 은 기존의 레이저 기반의 연소 진단 기법들의 약한 신호세기, 복잡한 장비 구성, 낮은 정확도 등의 단점을 보완하는 기법이다. 본 연구에서는 LIBS를 활용하여 스크램 제트 엔진의 연소 가스 온도를 측정하기 위한 기초 연구가 수행되었다. 스크램 제트 엔진에서 사용되는 Jet A-1 연료로 스프레이 화염을 만들고 교정된 열전대로 화염 상부에서의 가스 온도를 측정하였다. 그리고 열전대의 온도 측정위치와 동일한 지점에서의 LIBS 신호를 획득하였다. LIBS 스펙트럼을 분석하여 LIBS 신호와 열전대로 측정된 기준 온도와의 보정곡선을 얻었다. 그래서 본 연구를 통해 LIBS를 활용하여 연소 가스의 온도를 in-situ 하게 측정할 수 있음을 확인하였다.

스크램젯 엔진용 초음속 연소기 연구를 위한 직결형, 연속식 연소 시험 설비를 개발하였다. 비행체 속도 마하 5, 연소기 입구 유속 마하 2를 가정하고, 시험 대상 연소기의 유로 단면은 높이 32 mm, 폭 70 mm로 가정하여 설비 요구 조건을 결정하였다. 이에 따라 설비는 유동 전압력 548 kPaA, 전온도 1,320 K, 유량 0.776 kg/s로 설계하였다. 설비는 터보형 압축기, 전기 가열기 및 연소식 가열기와 그 하류에 유동 가속을 위해 장착한 마하 2의 2차원 노즐로 구성하였다. 노즐 상류에서 산소를 추가 공급하여 연소식 공기 가열에 의한 산소 감소를 보상하도록 하였다. 배기는 별도의 감압은 하지 않았다. 저압, 저유량에서의 시운전을 수행하였으며, 설계점 운전은 향후 계획 중에 있다.

본 연구에서는 대체 혼합물을 이용하여 케로신의 초임계 조건에서의 열전달 특성을 예측하고 이를 열전달 계산에 적용하는 연구를 수행하였다. 케로신의 열전달 특성은 NIST SUPERTRAPP을 사용하여 대표 물질의 열물성 데이터를 조합함으로써 모사하였다. 본 연구를 통해 획득한 케로신의 열물성 DB는 초속 연소기의 재생 냉각 열교환기의 설계 변수 결정에 사용할 예정이며, 재생냉각 연소기의 연소 시험 결과와 비교를 통해 예측된 열물성 데이터의 타당성을 검증해 나갈 예정이다.

스크램에서 램제트로의 천이가 일어날 때, thermal choking으로 인한 연소실 입구에서의 급격한 압력 상승은 불가피하다. NAR이라고도 불리는 이러한 현상은 당량비의 과도한 증가에 의해서 관찰된다. 그러나, NAR의 변화에 영향을 미치는 요소들에 대한 연구는 활발하게 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 격리부 입구에서의 마하수에 따른 NAR의 변화는 수치해석적 그리고 이론해석적으로 분석되었다. 결론적으로 격리부 입구의 마하수 증가는 NAR의 범위를 확대시킨다.

본 연구는 고온 고압의 연소식 공기가열기의 성능시험에 대한 것이다. 약 2000K의 고온 공기를 공급 할 수 있는 연소식 공기가열기를 설계하여 성능시험을 진행 중이다. 설계된 공기가열기는 메탄, 산소, 공기를 사용하며, 믹싱헤드면의 냉각을 혼합되는 공기를 이용한다. 따라서 고온의 화염에 안정적인 내열특성을 갖도록 설계되어야 하며, 시험을 통해 이를 확인하여야 한다. 본 논문에서는 시험 결과의 일부를 통해 연소식 공기가열기의 성능시험을 고찰하였다.

본 연구에서는 zonal hybrid RANS/LES 기법을 사용하여 모델 스크램제트 연소기 내에서의 비예혼합 연소 현상에 대한 연구를 수행하였다. 수치 계산을 위한 도메인은 RANS와 LES 영역으로 나누어져 있으며, 이 두 개 영역의 계면은 synthetic eddy method로 처리되었다. 본 연구에서는 독일 항공우주센터에서 실험한 모델 스크램제트 연소기가 사용되었다. 수소 연료를 사용한 실험 결과와 수치해석적 검증을 수행하였다. 크랙된 케로신 연료는 에틸렌과 메탄으로 구성되었으며, 크랙된 케로신 surrogate의 난류연소는 화염편 모델을 사용하여 모사되었다.

충격파 시험장치를 이용하여 추력을 측정하는 방법을 소개하였다. 충격파 시험장치를 이용하여 엔진의 추력을 측정하기 위해서는 일반적인 엔진시험 시설에서 추력을 측정하기 위해 사용하는 밸런스가 힘의 평형상태에 도달하지 못하기 때문에 응력파 힘 밸런스(Stress Wave Force Balance) 방법을 이용하여 측정한다. 본 논문에서는 모델 힘 밸런스(force balance)에 대해 충격하중을 주고 유한요소법(FEM)으로 변형률을 계산하였다. 충격하중과 변형률의 관계를 역합성곱(de-convolution)하여 천이함수를 도출하였다.

아음속 공기유동으로 수직분사하는 액체제트에 대하여 오리피스 형상이 달라질 경우, 분무특성에 어떠한 영향을 미치는지 실험적으로 연구하였다. 서로 다른 오리피스 길이 대 직경비와 타원형 노즐의 종횡비를 갖는 분사기들을 제작하여 수직분사 실험을 진행하였다. 원형노즐과 타원형 노즐에서의 분열길이를 비교하였으며, 타원형 노즐에서의 분열길이는 모든 실험조건에서 원형노즐에 비해 줄어들었다. 캐비테이션과 수력튀김 현상이 분사기 내부에 발달되는 분무차압 조건의 경우, 두 노즐 모두 분열길이가 감소하였다. 액주궤적의 경우, 장축으로부터 분무되는 액체제트가 횡방향 공기유동에 수직으로 부딪혀 나가는 경우가 액주의 궤적이 단축에 비해 더 휘어지며, 침투높이가 낮아진다.

본 연구에서는 탄화수소 계열 케로신 연료를 적용한 이중모드 램제트 연소기에 대하여 마하수 3.5~6.0 조건에서 연소시험을 수행하였다. 이릍 통해서 격리부, 상부(초음속)연소실 및 하부(아음속)연소실 내부의 온도와 압력분포를 측정하여 연소실 내부의 연소특성을 연구하였다. 마하수 3.5~5.0 까지는 아음속 연소 모드로서 하부 연소실에서 램연소를 확인할 수 있었으며, 마하수 6.0 조건에서는 인젝터에서 분사된 연료가 자연발화하여 상부 연소실에서 초음속 연소가 성공적으로 발생하였음을 확인할 수가 있었다.

초음속에서 극초음속 영역까지 광범위한 비행영역에서 작동 가능한 추진시스템으로 램제트와 스크램제트의 장점을 포함하는 복합사이클을 적용한 이중램제트에 대한 연구가 많은 선진국에 의해 수행되고 있다. 여기서 이중모드 램제트는 하나의 연소기 즉, 동일한 유동 경로상에서 아음속과 초음속 연소가 이루어져 램제트와 스크램제트 모드로 각각 작동되는 엔진이다. 본 연구에서는 이중모드 스크램제트 엔진의 비행마하수 3.5 ~ 6조건으로 설계된 지상시험모델에 대한 연소시험을 수행하였다. 특히 고도 27.6km 및 Mach 6조건에서의 연소시험 결과를 통해 이중모드램제트의 스크램제트 연소현상을 확인하고 적용된 설계 방안 등에 대한 검증을 수행하였다.

초음속 유동이 덕트와 같은 내부를 지날 때 의사충격파라는 유동 구조가 생성된다. 의사충격파는 충격파-경계층 상호작용의 결과이며 이를 정확히 모사하기 위해서는 충격파 구조 뿐만 아니라 경계층 거동 역시 정확히 예측해야 한다. 따라서 본 연구에서는 유동의 정확한 입구조건을 알아내고 이를 이용하여 사각 덕트 내부에서 발생하는 의사충격파를 2차원 전산유동해석으로 해석한다.

본 연구에선 Texas University에서 수행된 흡입구/격리부 모델 실험에 대한 2차원 RANS 전산해석을 수행하였다. 먼저 초음속 유동 조건을 해석하여 실험에서 측정된 표면 압력 결과와 비교하고, 마하수 분포와 numerical shadowgraph를 확인하여 유동 구조를 분석하였다. 이후 격리부 후면에 압력 변화로 흡입구 불시동 상황을 묘사하고 비정상 RANS 해석을 수행하여 흡입구 불시동 진행과정을 확인하였다.

본 연구에서는 램 구조물의 각도와 노즐 면적 대비 램 구조물 면적비의 변화에 따른 이차목 디퓨저의 유동 특성에 대한 수치적 연구를 진행하였다. 램 구조물 각도가 증가함에 따라 램 구조물에서 경사 충격파가 강하게 발생하여 모사할 수 있는 고도가 낮아지고 이차목에서의 압력 회복 지점이 뒤로 밀리는 것을 확인하였다. Blockage Ratio가 증가함에 따라 램 구조물 뒤쪽에서 발생하는 재순환 영역이 커지고, 디퓨저 수축부에서 박리가 발생하고, 모사 고도에는 영향이 없다는 것을 확인하였다.

대탄도탄 방어 무기체계의 핵심인 직격요격비행체 위치자세제어시스템(DACS, Divert Attitude Control System) 의 연구 동향 및 주요 기술에 대해 서술하였다. DACS의 기본 구성을 정의하고 사용 연료별 DACS의 종류 및 운영개념, 특징을 정리하였다. 고체(SM3 Block IB/IIA) 및 액체(THAAD) 연료를 적용한 대표적인 무기체의 운용 개념 및 주요 특징을 살펴보았다. 향후 방어무기체계의 전략적 차원에서 다양한 형태의 DACS의 연구가 필요할 것으로 판단된다.

직격 요격체를 탑재한 대공 방어체계에서 요격 확률을 높이기 위해서는 이를 구성하는 탐지 및 추적 시스템으로부터 유도탄까지 매우 복잡하고 다양한 부 체계를 포함하는 시스템 수준의 최적화를 통해 접근해야 한다. 전체 시스템 최적화 문제의 복잡성을 완화하기 위하여, 부체계간의 상호 관계를 적절히 단순화함으로써 시스템의 최적 성능을 달성하기 위한 설계 방안을 제시하였고, 이를 통하여 시스템의 요구로부터 DACS 형상설계로 연계되는 변수를 확인하였다. 이 요구 변수로부터 DACS의 형상설계를 위한 개념적 접근 방법에 대해 소개 하였고, 보다 높은 성능으로 만족시키기 위한 설계 방법에 대해 제안하였다.

DACS 추진제 충전체의 기본 설계개념을 제시하였고, 요격체의 외경과 최대 연소속도가 제한된 DACS 추진제의 형상 최적화를 수행하였다. 추진제는 중심코어와 한쪽 끝단면이 연소하는 이면연소조건이며, 최적화 기법인 PSO(Particle Swarm Optimization) 알고리즘을 이용하여 추진제 중심코어의 반경, 추진제 길이, 끝단 각도의 최적 값을 도출하였다. 이를 통해 추진제의 연소속도에 따른 최적 설계점 추이를 분석하여 설계방향을 제시하였다.

본 논문에서는 연소 면적이 시간에 따라 변하는 DACS의 압력 제어 기법을 설계하고 시뮬레이션을 통해 설계된 제어 기법의 성능을 확인하였다. 일반적으로 고체 추진제를 탑재한 DACS는 연소 면적이 일정하도록 설계된다. 이러한 경우 압력 및 추력 제어가 용이하다는 장점은 있으나, 추진제 연소에 의해 생성된 연소 가스가 추력 발생에 사용되지 않고 그대로 배출되는 경우가 발생한다. 따라서 그레인 형상의 최적화 설계가 필요하며, 이러한 경우 연소 면적이 시간에 따라 변하게 된다. 가변하는 연소 면적을 외란으로 가정할 수 있으며 이러한 시스템에 대하여 적응 제어 기법을 적용할 경우 효과적으로 연소관 내부 압력을 제어할 수 있다.

TDACS의 작동 성능 검증 시험을 수행하기 위해서 유동시험 장치를 설계하였다. 이를 위해서 고체 추진기관 연소관 및 유동시험에서의 압력 거동을 모델링하였고 각 모델의 동적 특성을 나타내는 응답 시간을 구하였다. 본 논문에서는 유동시험 장치의 시스템 응답 시간을 고체추진기관 연소관의 특성과 같아지는 조건을 구하고 이를 설계에 반영함으로써 연소 환경에서 동적 응답특성을 검증하는 것과 유사한 결과를 갖도록 하였다.

핀틀을 적용한 듀얼 벨 노즐의 유동해석을 통해 유동 특성을 조사하였다. 동일한 조건의 핀틀-벨 노즐과 추력계수 및 추력을 비교하였고, 핀틀 스트로크에 따른 차이를 조사하였다. 스트로크 0 mm에서는 듀얼 벨 노즐의 추력이 벨 노즐보다 약 13.18% 높았고, 핀틀이 후진했을 때는 벨 노즐과 유사하였다. 스트로크에 따른 팽창비 변화는 박리와 천이를 통해 고도 보정을 수행하는 듀얼 벨 노즐에게 더 유리한 것으로 판단된다.

비대칭 3차원 핀틀 노즐 형상에서 연소실과 핀틀 노즐의 연결관 각도와 핀틀 위치가 성능계수에 미치는 영향을 분석하기 위해 3차원 수치해석을 수행하였다. 초음속 노즐을 통해 배출되는 유동 특성을 정확히 예측하기 위하여 $k-{\omega}$ SST의 압축성 보정 난류모델을 적용하였다. 비대칭 3차원 형상에 의한 복잡한 유동 구조로 인하여 나선형 형태의 유선과 유동 박리가 관찰되었으며, 이로 인하여 유동의 전압력 손실이 크게 발생되었다. 유입관의 각도가 감소할수록 성능계수가 증가하였으며, 핀틀의 위치에 따른 유동구조가 크게 변화되기 때문에 이에 대한 성능 특성을 분석하였다.

본 연구에서는 상용 전산 유체 해석 코드와 상용 유한 요소 해석 코드를 연계하여 연속가변 추력제어 시스템의 열전달 해석을 수행하였다. 유동해석을 수행하여 온도 및 대류 열전달 계수를 도출하였고, 이 결과 값을 Mapping 방식을 이용하여 열전달 해석의 경계 조건으로 부가하였다. 열전달 해석을 수행하여 왕복 운동하는 추력조절기의 기밀을 위하여 장착되는 O-ring에 전달되는 온도를 예측하였다.

본 연구에서는 가변 추력기 3D 모델에 대해 CFD를 이용하여 고온 고압 환경에서의 추력 조절기 표면 열전달 계수를 예측하였다. 추력 조절기 표면에 열차폐코팅(TBC)을 모델링하였고, TBC 코팅의 두께가 추력조절기 내부 온도 분포에 미치는 영향을 연구하였다. TBC층의 두께는 $100{\mu}m{\sim}500{\mu}m$로 변화시켰다. 해석 결과, TBC층의 두께가 증가함에 따라 추력 조절기 표면과 내부 온도는 감소하는 경향을 보였다.

연소 중 고압의 환경에 노출되는 밸브의 구조적 강도를 평가하기 위해 수압시험을 수행하였다. 수압 시험에서의 보증압력은 MEOP의 1.05배를 적용하였다. 총 2조의 밸브로 수압시험을 수행하였으며, 시험 시 가압조건에 따른 밸브의 변형률 계측결과를 유한요소해석 결과와 비교 검증하였다. 유한요소해석과 수압시험 결과의 오차는 약 20%이내이며, 소성변형은 발생하지 않았다.

연속가변 추력기는 비행체의 위치 또는 자세 변경 및 연소실 내부의 압력 조절을 위하여 정밀 추력 조절이 요구된다. 이를 위하여 연소실 내부의 노즐 목 근처에 설치된 핀틀 구조물을 앞/뒤로 움직여 추력을 조절하고, 핀틀 구조물을 움직이기 위하여 구동장치를 사용한다. 본 논문에서는 연속가변 추력기용 구동장치를 개발하였으며, 운용조건에서의 부하를 모사하기 위한 부하시험장비를 개발하였다. 또한, 개발된 부하시험장비를 이용하여 구동장치의 성능 시험을 수행하였다.

Ammonium dinitramide (ADN) 저독성 단일 추진제 기반의 1N 급 추력기 및 시험장치 개발을 수행하였다. ADN은 기존에 인공위성용 추력기에 사용되고 있는 하이드라진 대비 취급이 용이하고 밀도, 비추력과 같은 물리적 특성이 우수한 물질이다. 이러한 특성으로 인해 ADN은 친환경 추진제로 주목받고 있다. 본 논문에서는 ADN 단일 추진제의 성능시험을 위한 1 N급 추력기 및 측정설비를 설계하였다. 설계 및 실험을 위한 추진제의 조성은 Methanol:$H_2O$:ADN 각각을 11.2:25.4:63.4로 설정하여 진행하였다.

미사일 추력기 체계에 적용되는 하이드라진[$N_2H_4$]추진제는 MSDS-OHS 유해성 분류상 급성독성 물질로서 사용이 제한되고 있는 바, 다양한 대체물질이 개발 중이다. 최근 해외에서 안전성과 취급이 우수한 질산 히드록실암모늄[$NH_3OHNO_3$]과 암모늄 디나이트라마이드[$NH_4N(NO_2)_2$] 기반 단일계 액상추진제가 개발중이며, 이 물질들을 이용한 추력기 시스템 적용 시험이 진행되고 있다. 그러나 저온에서의 연로물질 산성화 반응으로 인한 디나이트라마이드[$N(NO_2)_2{^-}$] 물질의 분해는 나이트레이트[$NO_3{^-}$] 이온 생성을 촉진시키며, 부수적으로 발생하는 침전물은 촉매 및 노즐의 막힘 현상을 유발하므로 추력기 성능의 저해요인으로 작용한다. 그러므로 저온분해 방지를 위한 첨가제 조성 개발 및 열분해 특성 연구가 최근의 관심사이다. 본 연구는 합성/정제/추출한 암모늄 디나이트라마이드 산화제를 주요 조성물로 적용하였으며, 염기성 안정화제를 질량비율 4~5% 첨가하여 산성화 반응을 억제시킨 단일계 액상추진제(KMP) 형태로 제조하였다. 합성한 추진제는 시차주사열량계(DSC)를 이용하여 분해온도를 측정하여 열안정성을 평가해보았다.

본 연구에서는 금속을 담지한 alumina bead 촉매를 이용하여 ammonium dinitramide (ADN)기반 단일액상추진제 분해 성능 분석을 수행하였다. Alumina bead를 $1200^{\circ}C$에서 소성한 후, 회전 증발기를 이용하여 과량 용액 함침법 (Excess water impregnation)으로 alumina bead에 Pt 및 Cu 를 담지하였다. 자체 제작한 batch 반응기에서 ADN기반 단일액상추진제 분해 온도($T_{dec}$)를 측정하였다. Cu/$Al_2O_3$ 촉매가 Pt/$Al_2O_3$ 촉매에 비해 분해 온도가 더 낮게 나타났으며, $T_{dec}$ 는 약 $130^{\circ}C$이었다.

본 연구에서는 PMD 내부 유동 해석을 위한 3차원 착화기 모델링 및 전산 해석을 수행하였다. Lumped parameter method를 이용하여 착화기 모델링을 진행하였고, 이를 상용 프로그램과 연동하여 전산 해석을 수행하였다. 전산 해석의 결과는 CBT 및 PMD 실험 결과값과 비교하였다.

공개된 자료들을 바탕으로 NASA의 표준 착화기 NSI-1,2,3의 간략한 성능규격 비교와 함께 NSI에 연결되는 전기 커넥터의 규격을 비교하였다. NSI-1,2에 연결되는 커넥터의 규격은 MSFC-40M38298과 MIL-DTL-26482, series1이며, NSI-3에 연결되는 커넥터의 규격은 MIL-DTL-38999, series3이다. 전체적인 내환경 성능은 낮음에서 높음 순서로 MIL-DTL-26482, series1/MSFC-40M38298/MIL-DTL-38999, series3 이다. 특히, 고충격, 고진동 환경에서 착화기를 사용하여야 한다면 NSI-3의 커넥터 규격인 MIL-DTL-38999, series3의 커넥터를 사용하는 것이 적절할 것이다.

많은 우주 발사체와 로켓에 분리가 필요한 순간에 작동하는 파이로 분리장치는 높은 신뢰도 및 에너지를 갖는다는 장점을 가져 널리 활용되어 왔다. 그 중 high-explosive 타입의 분리장치에서 발생하는 충격과 파편은 발사체 내부 탑재 장비에 치명적 손상을 야기 할 수 있고, 이러한 문제를 해결하기 위해 압력 카트리지 방식의 저충격 분리장치가 개발되어 왔다. 본 연구에서는 저충격 분리장치중 하나인 스플릿 타입 파이로락에 대하여 연소상태와 파이로락을 구성하는 4개의 독립적 내부 부품의 분리 거동을 모사하는 수학적 모델을 설립하고, 실험 결과와 비교를 통해 검증을 수행하였다.

충격에 의한 초소형 EFI 착화기의 기폭 성능을 규명하기 위하여 초소형 비행편 충돌 시 발생되는 고체 내 충격 감쇠에 대한 실험 및 수치해석을 수행함으로써 비행편의 충돌 속도와 하중을 계산하였다. 본 연구를 통하여 비행특성에 따른 충격파 강도 및 지속 시간을 결정함으로써 초소형 파이로테크닉 장치의 착화를 위한 비행편의 임계 속도의 예측 가능성을 확인하였다.

고체 점화제 $BKNO_3$는 항공우주 및 유도탄, 자동차 산업 등에 점화제로 널리 적용되는데 본 연구에서는 $BKNO_3$의 제조공정 과 특성평가를 수행하여 정리하였다. PMD에 사용되는 고체 점화제는 보통 금속분말과 산화제 그리고 유기 고분자물질(결합재)로 구성되며, 이들 원료들을 균질하게 혼합하기 위하여 본 연구에서는 증발법(evaporation process)를 사용하여 원료를 제조하였다. 원료 물질의 특성 및 열적 반응 해석(CEA Program)을 통한 최적 조성비를 설계하였으며, 이들의 입도/형상/감도/열량 분석 등의 특성 평가를 수행하여 결과를 비교 분석하였다.

격벽착화기의 기폭으로 인하여 발생하는 충격파가 격벽을 통과할 때의 감쇠 특성을 해석하기 위하여 2차원 하이드로다이나믹 해석을 수행하였다. HNS와 HMX가 적층되어 있는 기폭제와 STS 격벽간의 연동해석을 통해 폭압 생성 및 압력파 감쇠 현상을 정밀하게 모사하였다. VISAR로 측정한 시험 데이터와의 정량적인 비교를 위하여 격벽 끝단에서의 자유표면 속도를 계측하였다. 해석결과, 격벽 두께에 따른 충격파의 압력 감쇠 패턴이 지수적으로 감소하는 것을 확인하였으며, 시간에 따라 측정된 입자속도에서 관찰된 변곡 패턴은 기폭부와 격벽 사이의 충전면의 급격한 파쇄(spallation)에 의한 충격파의 잇따른 전파에 의한 것임을 규명하였다.

ZPP(Zirconium Potassium Perchlorate)는 산화제 potassium perchlorate, 금속원료 zirconium, 결합제 Viton 조성의 점화제이다. ZPP는 항공우주산업, 추진제 점화원, 자동화 산업에 사용되고 있다. 본 연구에서는 PMD(Pyrotechnic Mechanical Device)에 사용되는 ZPP의 제조공정 및 형상/열량/압력값과 같은 특성을 연구하였다. ZPP 제작 시, 원료들을 고속으로 교반하여 ZPP가 균일한 입자크기 및 형상으로 제작될 수 있도록 혼화공정을 설계하였다.

ZPP와 THPP 화약의 압력 카트리지가 밀폐용기에 장착되어 연소될 때의 현상을 반응성 오일러리안-라그랑지안 이상 유동 해석 코드를 통해 모사 하였다. ZPP와 THPP는 압력 카트리지 내에서 boron nitride 판으로 격리되어있고, ZPP만 열선에 의해 직접 점화되기 때문에 THPP의 연소지연효과가 발생할 가능성이 높다. 실험을 통한 THPP의 점화지연 측정은 힘들기 때문에 기존의 연구를 통해 검증된 수치해석 코드를 통해 점화지연에 대한 케이스 스터디를 수행하고 현상학적 분석을 수행하였다. 해석 결과 THPP의 점화지연 정도에 따라 초기 충격파의 강도가 변하여 압력선도의 초기 피크특성 뿐만 아니라 주파수에도 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.

본 연구에서는 이산화규소를 젤화제로 사용한 니트로메탄 젤 추진제의 유변학적 특성을 분석하였다. 니트로메탄 젤은 나노 또는 마이크로 입자 크기의 젤화제를 각각 5 wt%, 6.5 wt%, 8 wt% 함량으로 첨가하여 제작되였으며 점도 측정 실험은 회전형 점도계를 이용하여 측정을 수행하였다. 제작된 젤 추진제는 항복응력이 존재함을 확인하였고 측정 범위 전 구간에서 전단박화 거동을 보이며 나노 크기의 젤화제를 첨가한 젤 추진제의 경우 마이크로 크기 대비 낮은 전단속도(1 ~ 100 1/s) 영역에서 높은 점도를 보였다. 또한 니트로메탄 젤 추진제의 경우, Herschel-Bulkley 모델 보다는 Teipel과 Forter-Barth가 제시한 모델을 사용하는 것이 적합함을 확인하였다.

KYP 모델은 화약의 폭굉 반응속도를 기술하는 압력기반모델이다. 본 연구에서는 PETN 기반 복합 화약(PBXN-301)의 KYP 모델 및 JWL EOS의 파라미터를 결정하였다. 크기효과를 얻기 위하여 반응 막대 시험을 수행하였고 2차원 하이드로다이나믹 해석 결과와 비교하였다. 해석 결과, 정성적으로 얻어진 LLNL의 구성방정식보다 KYP 모델링을 통해 도출된 파라미터가 PBXN-301 화약의 역반지름에 따른 폭굉파속을 잘 예측하는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 젤화제 Thixatrol$^{(R)}$ 및 100 nm 크기의 알루미늄 입자 첨가량에 따른 케로신 기반 젤 추진제를 제작하여 유변학적 특성을 파악하였다. 케로신 젤 추진제는 젤화제 첨가량 2.5 wt%, 5 wt%, 7.5 wt%의 세 가지 젤을 제작하였으며, 알루미늄이 첨가된 젤은 젤화제 7.5 wt%를 기반으로 입자 첨가량 10 wt%와 20 wt%의 두 가지 블렌딩 알루미늄 젤을 분석하였다. 회전형 rheometer를 이용하여 각 시료의 점도를 측정한 결과, 젤화제 첨가량 증가 및 알루미늄 입자 증가에 따라 점도 값이 정성적으로 증가하는 경향을 보였다. 그러나 20 wt%의 높은 금속입자 함유 젤의 경우, 입자간 응집, 고형화로 인해 낮은 전단변형률 구간에서 조차 측정 신뢰도가 낮아 회전형이 아닌 모세관 또는 다양한 방식의 점도계 활용이 요구된다.

본 실험에서는 추진기관 연료의 주 성분으로 사용되는 액체 탄화수소 화합물의 초임계 분사 거동 특성을 분석하기 위해서 고속카메라 이미지를 활용한 실험을 수행하였다. 케로신의 구성성분 중 임계점의 차이가 있는 Decane과 Methylcyclohexane (MCH)를 실험 유체로 선정하였으며, 분석을 위해 Shadowgraphy 기법을 사용하였다. 제트 분사 시 임계온도 조건 하에서 각 유체의 환산압력에 따라 케이스를 나누었다. 아임계 조건의 동일한 인젝터 초기상태에서 기화가 발생하기까지 온도변화량의 차이에 따라 Decane과 MCH는 서로 다른 거동을 보였다. 하지만 초임계 조건에서는 같은 온도변화량이 필요하더라도 임계점 부근에서는 증발엔탈피가 0에 가까워져 기화과정이 아닌 초임계 유체로의 상변화가 일어나고 급격한 밀도변화가 없어 Decane과 MCH 모두 원기둥 형상의 액주가 관측되었다.

근래 무기 체계는 IM에 대한 능력을 중요시하고 있다. 화약은 무기체계에 반드시 필요한 에너지 물질이면서 가장 위험한 물질로 IM을 위해 반드시 개선해야 할 주요 부품이라 할 수 있다. RDX는 1930년대부터 사용되어 현재는 가장 널리 사용되는 에너지 물질 중 하나이며 저렴한 가격과 높은 에너지 특성으로 인하여 탄두 화약의 대부분을 그리고 근래에는 화포용 추진제 및 로켓용 추진제에도 많이 사용되고 있는 물질 중 하나이다. 그러나, RDX는 근래에 개발된 NTO나 DADNE등의 둔감 화약에 비해 감도가 민감하다는 단점을 가지고 있어 이를 극복하기 위한 둔감 RDX의 연구 개발이 국내외에서 지속 수행되어 왔다. 본 연구에서는 RDX를 둔감화한 RS-RDX의 연구를 Pilot Scale과 양산 Plant에 적용하여 개발하였으며 그 결과를 Shock 감도를 통해 확인 할 수 있었다.

본 연구에서는 마이크로 크기의 알루미늄 함유량에 따른 파라핀/알루미늄 연료의 연소특성 변화를 연구하였다. 마이크로 알루미늄 입자 첨가량에 따른 연소 특성을 파악하기 위해 순수 파라핀 왁스에 5 wt%, 10 wt%의 마이크로 알루미늄 입자를 혼합하여 연소 실험을 수행하였다. 연료는 평균 $8{\mu}m$ 크기의 알루미늄 입자와 Sasol사의 미정질 파라핀 왁스(Sasol 0907)를 이용하였고, 산화제는 기체산소를 적용하여 고체연료의 후퇴율과 압력선도, 연소효율의 변화 등을 조사하였다. 알루미늄 입자의 함량이 높을수록 고체연료의 후퇴율과 연소실 압력 및 연소 성능효율이 모두 증가함을 확인하였으나 증가폭은 미미함을 확인하였다.

열가소성 탄성중합체 바인더를 사용한 열가소성 추진제는 열경화성 추진제와 비교하여 중간 정도의 성능과 기계적 특성을 나타내지만 원재료 비용이 저렴하고, 제조 공정이 단순하며, 취급 공정이 안정적인 장점으로 인해 다양한 분야에서 폭 넓게 사용될 것이라 예측된다. 다양한 분야에서 열가소성 고체 추진제의 활용을 위해 주 원재료인 산화제, 금속연료 및 첨가제의 함량에 따른 특성 변화를 연구하여 향후 예상되는 열가소성 추진제의 수요에 대응하고자 한다.

황색 산화철과 적색 산화철을 적용한 추진제의 초기점도는 특이한 차이점이 없다. 또한 황색 산화철을 첨가한 물질의 열분해 속도가 적색 산화철을 첨가한 것 보다 빠르게 진행되며, 특히 고온 고압에서의 압력지수가 18% 낮은 것을 확인하였다. 황색 산화철을 적용한 추진제의 산화제 비율 변화에 따른 점도를 비교하면 큰 입자/작은 입자 비율 71%일 때 초기점도가 가장 낮았다.

추진제의 주 바인더로 사용하고 있는 폴리부타디엔 계열인 HTPB(Hydroxyl Terminated Polybutadiene)는 합성 뱃취에 따라 바인더 및 추진제의 경화 속도에 영향을 미치는 현상을 보였다. 이에 각기 다른 뱃취에서 합성된 HTPB의 바인더 특성 분석을 통해 추진제에 적용하여 경화반응 속도 및 기계적 특성을 확인하였다. 최종적으로 이러한 추진제의 경화 반응속도가 추진제 물성에 영향을 미치며, 우수한 물성의 추진제를 제조하기 위해서는 적절한 수준의 바인더의 경화 반응이 필요한 것으로 분석되었다.

본 연구에서는, 고연소속도 고체 추진제 개발을 위하여 금속연료인 Al 과 Zr이 도입된 HTPB/AP계 추진제의 연소특성에 대한 연구를 수행하였다. 고체 추진제의 연소특성은 연소속도와 압력지수로서 평가하였으며 연소속도 증진을 위한 연소촉매제로서 Butacene을 적용하여 추진제를 제조하였다. Al과 Zr이 도입된 추진제가 성능 및 연소 특성이 향상되었음을 보였다.

화약 기반 소자 (PMD)에서 장기간 보관을 하게 되면 소자 안에 있는 화약이 노화되어 폭발력에 변화가 생기기 때문에, 일정 기간이 지나면 폐기 처분을 하게 된다. 그렇기 때문에 PMD 안에 사용하는 화약은 자발적 혹은 외부적 요인에 대하여 화학적 및 물리적으로 안정해야 한다. 기존에 사용되는 화약으로서 $BKNO_3$과 THPP를 대표적으로 이용하기 때문에, 이 화약들을 기반으로 하여 열역학적 및 속도론적 분석을 실시하였다. Differential scanning calorimeter (DSC)를 이용하여 발열량과 반응속도를 분석하였는데, 그 결과 THPP에서는 열량 차이 및 반응속도에 큰 변화가 보이지 않았다. 추가적으로, 노화에 직접적으로 연관되는 산화막 형성을 확인하기 위하여 XPS 및 TEM-EDS 분석하였는데, 열적 분석 결과와 상응하는 결과로서 산화막이 관측 되지 않았다. 이는 THPP가 장기 안정성 측면에서 가장 유명한 화약이라고 판단 할 수 있다.

본 논문은 추진기관 기밀체결부의 설계변수가 기밀조립부의 갭 거동과 오링의 기밀성능에 미치는 영향을 분석하고 효과적인 설계변수 설정 방안을 도출하였다. 체결부의 설계변수를 구성하는 요소로서 노즐 플랜지 두께, 체결볼트에 가하는 예비하중을 단계별로 변화하여 연소관 내압거동에 따른 기밀조립부 갭 벌어짐을 최소화하고 나아가서 기밀용 오링의 기밀성능을 효과적으로 유지할 수 있는 설계변수 조건을 평가함으로써 추진기관 연소관 노즐 기밀체결부의 효율적인 설계 방법론을 제시하였다.

본 논문에서는 고체 로켓 추진기관에서 내열재 및 단열재로 사용되는 실리카/페놀릭 복합재료의 열 반응을 고려한 열전도 수치해석을 수행하였다. 고체 로켓 추진기관의 연소 중 실리카/페놀릭의 삭마와 열분해 과정을 고려한 열전도 해석을 위해 1차원 유한차분법을 이용하여 계산을 수행하였다. 노즐벽에서의 경계조건은 대류열전달계수를 고려하였으며, 이는 적분방정식을 이용하여 계산하였다. 삭마두께 및 숯깊이 해석결과는 목삽입재 평가 모터인 TPEM-10을 이용한 시험결과와 비교분석하였으며, 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

본 연구에서는 복합재 압력용기의 성능지수를 최대화하기 위한 적층 설계변수의 영향도 평가 및 최적설계를 수행하였다. 복합재 압력용기의 성능지수에는 용기의 내부체적을 포함한 내압성능 및 경량화 개념이 함축되어 있다. 따라서 성능지수를 최대화하기 위하여 압력용기의 내부체적이 고정되어 있다는 가정 하에 헬리컬 및 후프 층의 두께와 후프 층의 길이, 총 세 가지 변수를 고려하였다. 선정된 변수들의 최적화를 위하여 대체모델의 구축에 필요한 반응표면법이 도입되었고, 변수의 영향도를 평가하기 위한 분산분석이 수행되었다. 최적설계 문제는 내압성능 제약조건 하에 성능지수를 최대화하는 문제로 정식화하였다. 도출된 최적화 모델에 대한 추가적인 수치해석을 통해 본 연구의 효용성을 입증하였다.

연소 중 고온, 고압, 고속의 연소가스가 작용하는 노즐조립체(Nozzle Assembly)는 다양한 부품(노즐목/내열재/구조체)이 접촉(Contact)/접착(Bonding)의 형태로 조립되며, 유동(경계층 유동장)-열(기계/화학적 삭마, 숯 등 열반응, 열전달)-구조(마찰, 접촉, 접착, 동적거동 및 열응력)적 복합하중이 내부에 작용하며 복잡한 거동을 보이기 때문에 정확한 구조적 안전성을 계산하는데 한계가 있다. 본 연구는 연소시험 후 노즐목 깨짐 현상이 발생한 노즐조립체에 대해 연소시간 중 열-구조적 거동 분석을 해석적으로 수행하였다. 연소시간 중 시간별/위치별로 유동해석(Fluid Analysis)에서 계산된 내부압력과, 열반응/열해석(Thermal Surface Reaction&Ablation Analysis)에서 계산된 노즐 표면의 삭마량 및 대류열전달계수가 구조해석의 경계/하중조건으로 부여된 후 열변형 해석이 수행되는 연동해석(Co-simulation)기법을 사용하였다. 특히 구조해석 시 각 부품별 경계면의 접착/접촉/마찰조건을 달리하며 연소시험 시 계측된 변형률값과 비교하여 가장 유사한 연소 중 거동분석 조건을 도출하였다.

고체로켓 추진기관의 연소관 내부에 사용되는 연소관단열재의 열반응 특성을 평가하기 위한 모사시험장치를 개발하였다. 연소실 압력 2,500 psi, 연소시간 40 s까지 시험을 할 수 있으며, 삭마가 일어나는 조건에 대해 재료의 열반응 특성을 확인할 수 있고, 여러 시편을 동시에 상대 비교할 수 있다. 시험 장치의 안전성을 확인하기 위하여 연소실 유효평균압력 878 psi, 유효연소시간 10.7 s, 연소가스속도 100 m/s 조건에서 각기 다른 시편 4 종을 동시에 장착하여 시험을 수행하였으며, 열반응 특성 분석에 필요한 기본 데이터들, 즉 연소실의 압력-시간 선도, 재료 내부에서의 온도-시간 선도, 재료의 열파괴두께를 획득하였다.

Differential Scanning Calorimetry(DSC)를 이용하여 파이로점화장치에 사용되는 세 가지 고에너지 물질의 열분석 실험을 수행하였다. DSC 실험 데이터를 이용하여 고에너지 물질의 반응속도식을 추출해내는 이론적 방법을 제안하고 반응속도식 추출을 수행하였다. DSC 실험 결과는 Friedman 등전환법으로 분석되었다. 질량분율에 따른 활성화에너지와 빈도인자를 추출해 내어 반응속도식을 완성하였다. 추출된 반응속도식은 고에너지 물질의 화학반응과정을 몇 단계의 주요단계로 가정하는 형태가 아닌 전체 화학 반응 과정을 나타내는 형태를 갖는다. 이는 기존의 열분석 실험을 통해 추출되는 화학반응속도식 형태에 비해 이론적 측면과 정확성 측면에서 상당한 장점을 갖는다. 도출된 반응속도식을 이용하여 실제 추진기관에 운용되는 세 가지 고에너지 물질의 성능변화를 20년에 대하여 예측하였다.

최근 대기오염 물질의 배출, 소음, 과도한 운용비용, 안전성 및 위험 문제 해결을 위한 신개념 항공 추진시스템 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 기존 항공추진시스템의 효율향상과 연료소모율 감소, 수소나 태양에너지 등 신재생에너지를 이용한 친환경적인 추진시스템 개발, 전기추진과 핵추진 시스템 개발 등을 통한 추력대 중량비가 높은 고효율의 신개념 항공기 개발에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다. 이러한 신개념의 항공기 개발을 위하여 두 개 이상의 동력원을 조합하여 추진력을 얻는 하이브리드 추진시스템의 개발이 하나의 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 미래의 친환경적 첨단 무인 항공기에 적용할 수 있는 하이브리드 추진시스템의 동향, 특징 및 개발방안, 발전방안 등을 고찰하였다.

본 논문에서는 최근 택배 유인드론의 개발 등 높은 유상하중을 요구하는 임무를 수행하기 위해 드론에 적용되고 있는 동축반전 프로펠러의 제자리 비행성능을 확인하기 위한 시험 장치 개발과 시험 결과를 제시하였다. 프로펠러 직경 대비 상/하 프로펠러 간격에 따른 각 추력과 토크의 변화를 측정하여 성능을 비교하였다. 프로펠러가 회전할 때 발생하는 추력, 토크를 측정하기 위해 로드셀과 토크셀을 이용하였고 회전수를 측정하기 위해서 광센서를 이용하였다. 각 센서의 신호획득을 위해 자료획득시스템(Data Acquisition System)을 이용하고 신호 저장, 모니터링과 BLDC 모터를 제어할 수 있도록 LabVIEW소프트웨어를 활용하였다. 시험은 각 프로펠러가 동일 회전수에서 간격 변화에 따른 성능지수(Figure of Merit)를 측정하였다.

중소형 급의 무인 항공기에 많이 활용되고 있는 왕복동 엔진의 고도시험을 위한 시험 장치를 설계 및 제작하였으며, 예비 성능시험과 계산을 통하여 활용가능 여부를 판단해 보았다. 시험 장치는 현재 한국항공우주연구원에서 운용 중인 터보샤프트 엔진 고도시험설비에서 활용이 가능하도록 구성하였으며, 왕복동 엔진의 고도시험을 수행하기 위한 각종 제한조건을 가정하고 이를 만족할 수 있도록 개발하였다. 특히 대유량의 공기와 연료가 필요한 터보샤프트 엔진에 비하여 작은 유량이 필요한 왕복동 엔진의 성능시험을 위하여 고도 및 비행 마하수 조건의 제어가 가능하도록 장치를 구성하였으며, 엔진에 공급되는 연료의 온도를 보다 손쉽게 조절할 수 있는 장치들을 개발하였다.

공기 흡입 엔진을 개발하기 위해서는 지상 시험을 통한 추력 측정이 반드시 필요한데, 공기 흡입 엔진은 추력 측정 장치에서 측정된 값 이외에도 엔진 흡입구로 들어오는 공기 유동에 의한 힘을 고려하여 총추력을 계산해야 한다. 또한 다분력 추력 측정 장치를 활용하여 요와 피치 방향의 측추력도 정확하게 측정하고 분석할 수 있어야 한다. 래버린스 씰 격리, 1축 총추력 계산, 다분력 추력 측정 장치 개발, 측추력 분석 등의 일련 과정을 통해 공기 흡입 엔진의 총추력을 정밀하게 추정하여 엔진 성능을 보다 정확하게 평가할 수 있게 하였다.

마이크로 터보제트엔진을 이용하여 S형상 배기노즐의 플룸의 적외선 신호 특성을 이해하기 위하여 적외선 신호 특정 연구를 수행하였다. 엔진 배기노즐은 원형노즐과 가로세로비가 5인 사각형 노즐 그리고 가로세로비가 5.2인 S형상의 배기노즐을 제작하여 실험을 수행하였다. 배기가스에서 방출되는 적외선 신호는 가로세로비가 클수록 적외선 신호의 크기가 점차 감소하는 경향을 보였고 배기노즐의 형상이 S형상의 경우 사각형 노즐 보다 적외선 신호가 28.4% 감소하는 것을 확인하였다.

마이크로 가스터빈엔진의 성능 실험연구를 수행하였다. 성능측정을 위하여 마이크로엔진에 적합한 시험장치를 구축하였으며, Olympus HP Engine을 이용하여 성능측정을 수행하였다. 엔진흡입 공기유량, 추력, 연료소모율, 각 구성품 입구에서의 공기 및 가스온도를 측정하였다. 측정된 결과부터 마이크로 가스터빈 엔진의 성능특성을 보다 잘 이해할 수 있었다.

이상유동 모델과 동적격자계를 활용하여 탄의 사출관 내부의 열유동과 탄의 운동성능을 해석하는 수치모사를 진행하였다. 고온의 공기와 냉각제간의 상호작용 및 유동장을 해석하기 위해, Realizable $k-{\varepsilon}$ 난류 모델과 VOF (Volume Of Fluid) 모델을 선정하고 냉각제 유량변이에 따른 수치 해석을 진행하였다. 해석결과, 사출관의 압력은 냉각제의 유뮤에 따라 큰 차이를 보였고, 냉각제량에 따라서도 각각의 차이를 보였다. 탄의 속도와 가속도의 변이는 압력에 종속하여 나타났다.

본 연구에서는 축소형 제트 엔진을 이용하여 엔진 성능 변화 및 배기 플룸 내 측정 위치 변화에 따른 적외선 (Infrared, IR) 신호 측정을 수행하였다. 엔진의 작동 조건은 각 시험별로 일정하게 유지하였으며, 측정 위치는 노즐 출구를 기준으로 일정한 간격을 두었다. 측정된 IR 신호는 흑체를 사용하여 보정하였다. IR 신호 측정 결과는 스펙트럼별 특성을 분석하기 위하여 3개의 밴드로 나타내었다. 엔진 성능의 감소 및 노즐 출구로부터 거리가 증가할수록 IR 신호는 감소되었으며, 감소 수준은 밴드에 따라 다름을 확인하였다.

한국항공우주연구원에서는 1.5톤급의 실용위성을 태양동기궤도에 투입할 수 있는 3단형 발사체인 한국형발사체 KSLV-II를 개발하고 있다. 한국형발사체의 개발과정으로 2018년에는 2단과 3단으로 구성된 시험발사체(TLV)를 발사할 계획이며 여기에 사용되는 추진기관은 한국형발사체의 2단 엔진인 75톤급 엔진의 지상형 모델과 추진제 탱크, 공급 시스템이 적용되게 될 것이다. 현재 엔진시스템을 포함한 시험발사체 추진기관의 경우, 엔지니어링모델(EM)의 조립과 인증모델(QM)의 제작, 납품이 이루어지고 있다. 본 논문에서는 한국형발사체 추진기관의 개발중 수행되고 있는 제품보증 활동에 대하여 설명하고자 한다.

본 연구는 C-D 노즐로부터 발생하는 초음속 제트 유동을 가시화하는데 목표가 있다. 본 실험에서 PIV를 이용하여 정량적인 제트의 결과를 얻어 쉴리렌 기법을 통해 얻은 정성적 결과와 비교하여 나타내었다. 컬러 쉴리렌은 $0.5{\mu}s$의 스파크 광원을 이용하였다. $M_d=2.0,2.2$의 C-D 노즐에 대해 다양한 압력비($p_0/p_b=5$, 6, 7, 8)를 적용하여 발생하는 제트에 대해 가시화 실험을 수행하였다. 가시화 결과, 제트의 주된 특성인 과팽창 제트, 부족팽창 제트, 음파 등이 관측 되었다.

터보프롭 엔진의 배기덕트에 구조적 안정성을 검토하기 위해 유동해석을 수행하였다. 항공기의 비행조건에 따라 작용하는 추력과 전단력을 산출하기 위해 배기덕트내의 관내유동과 배기덕트 플랜지 방향의 유동을 Fluent 소프트웨어로 해석을 수행하여 추력, 전단력, 벤딩모멘트 값을 얻을 수 있었다. 해석결과, 허용 하중값을 초과하지 않음을 확인하였다.

최근 다양한 산업 및 공학 응용분야에서 히스테리시스 현상이 자주 발생하며, 이에 대한 많은 관심과 연구가 수행되었다. 이러한 현상은 주로 압력비가 일시적으로 변화하는 과정에서 발생되며, 초음속 풍동 시동과정에 영향을 미칠 것으로 예상되나, 이에 대한 연구가 미미한 실정이다. 본 연구에서는 초음속 풍동 내부에서 발생하는 히스테리시스 현상을 수치해석으로 조사하였다. 비정상, 축대칭, 압축성 Navier-Stokes 방정식을 유한 체적법으로 이산화 하였으며, Spalart-Allmaras 난류모델을 적용하였다. 본 연구의 결과로 초음속 풍동 시동과정에서 시동압력비와 작동압력비가 다른 원인을 히스테리시스 현상으로 설명하였다.

비예혼합합화염과 예혼합화염의 화염응답특성을 속도섭동을 다양하게 변경하며 실험하였다. 연료로는 수소($H_2$)/메탄($CH_4$)을 50/50 %로 혼합한 혼합연료를 사용하였으며 산화제로는 공기를 사용하였다. OH 자발광(OH fluorescence)을 이용하여 화염이미지를 계측하였으며 PMT(Photo Multiplier Tube)를 이용하여 열 방출량을 계측하였다. 계측된 이미지는 MatLab 코드를 이용하여 수치화하였다. 예혼합화염의 결과에서는 진폭이 증가할수록 화염섭동이 증가하는 경향성을 보았으며 진폭에 따라서 화염전달 함수의 게인 값이 선형적인 거동을 하는 것을 관찰하였다. 비예혼합화염의 화염길이는 진폭이 증가할수록 짧아지는 것을 관찰하였고 게인 값은 진폭에 비선형적인 거동을 하는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 Al 입자가 함유된 고폭약의 성능 특성을 2 상 모델(two-phase model)을 이용하여 수치 해석을 수행하였다. Al 입자의 점화와 연소시간은 고폭약에 비해 상대적으로 긴 시간이 요구되기 때문에, Al 입자연소에 의한 에너지 발산은 고폭약의 데토네이션 후방에서 이루어진다. Al 입자를 함유하는 고폭약은 Al 함유량이 증가함에 따라 데토네이션 속도의 감소와 고폭약 데토네이션 후방에서 Al 입자 연소가 일어나며 이중 데토네이션이 관찰되는 특징이 있다. 본 연구에서는 Al 입자가 함유된 HMX의 데토네이션 특성을 재현하기 위해 최대 Al 함유량 50%를 갖는 confined rate stick이 고려되었으며, 수치해석 결과는 5-25% 함유량에 대한 실험결과와 비교되었다.

본 연구에서는 실물형 연소기와 동일한 연소 및 음향 공진 조건을 가질 수 있는 축소형 모델 연소기의 추진제 공급부 매니폴드의 수치해석을 진행하였다. 비원통형 연소기의 형상을 고려한 일렬형 다중 인젝터로 구성된 헤드를 대상으로 해석하였으며 매니폴드의 형상과 유입유로의 개수 및 형태에 따라 해석결과를 분석했다. 메인추진제의 매니폴드 형태는 재순환영역이 적고 제작이 용이할 수 있게 원형으로 구성하였다. 액체산소는 유동을 균일하게 공급하기 위해 distributor를 구성하였고 케로신은 직접 화염면이 닿는 곳이기 때문에 재순환영역을 최대한 줄이도록 방사형 $360^{\circ}$로 유입유로를 구성하였다. 액체질소 매니폴드는 분사기 근처의 속도차이를 줄이고자 방사형 유입유로로 구성하였다.

정상초음파가 인가된 탄화수소계 연료별/공기 혼합물의 당량비에 따른 연소특성 비교를 실험적 연구 결과로 제시한다. 전파화염의 이미지는 고속카메라를 이용하여 획득하였으며, 이미지 후처리를 통해 연료별 연소특성을 면밀히 관찰하였다. 정상초음파를 인가하면 탄화수소계 연료/공기 예혼합기의 이론당량비조건에서 연소반응을 촉진시킨다는 점을 확인하였다.

본 연구에서는 극초음속 추진기관을 위한 고공 환경 모사 시험 장치를 설계하였다. 설계된 사항을 기반으로 시험설비를 구축하였고, 상온 시험을 이용한 실험을 진행하였다. 상온 시험은 시험 모델의 유/무에 따라서 수행하였고, 본 연구에서 설계된 설비는 시험 모델의 유/무에 따라서 압력의 큰 변화가 없이 동일한 구현 조건을 모사하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 시험 모델에 따른 변수 실험에 일부 적용될 데이터베이스를 확보하였다.

본 연구에서는 우주발사체의 터빈배기구 열교환기의 입구조건을 모사하는 고온고압 증기 발생장치의 개발을 위해 설계/제작한 엔진 헤드와 구축한 설비를 검증하는 내용을 담고 있다. 단일 분사기를 설계/제작하여 수류시험을 진행했으며, 이를 통해 각 단일 분사기당 설계유량이 공급되는 차압을 확인하고, 분무형태를 patternator를 통해 확인했다. 이를 바탕으로 선정한 분사기로 엔진 헤드를 제작했으며 수류시험과 실추진제 분무시험이 진행됐다. 연소시험을 통해 유량, 압력, 연소효율 등에 대해 분석했으며 이를 통해 고온고압 증기 발생장치 개발을 위한 엔진 헤드 검증을 마쳤다.

탄화수소계열의 연료를 사용하는 액체로켓엔진에서 높은 열유속으로 인해 연소실 벽면이 구조적으로 손상 및 변형되는 것을 방지하기 위하여 연소실 벽면의 냉각은 필수적이다. 여러 가지 방법 중 연료를 냉각제로 사용 후 연소과정에 투입시키는 재생냉각 방식은 엔진 성능을 높여준다. 본 연구는 구리 단면적, 채널 내 유속, 채널에 가해지는 전류를 변화시켜 냉각제로 사용하는 케로신의 열전달 특성에 대해 알아보았다. 채널의 구리 단면적이 작을수록, 케로신의 유속이 빠를수록 대류 열전달이 빠르게 일어남을 알 수 있었다.

초음속 비행체 개발의 필요성이 증가됨에 따라 저고도에서부터 고고도까지 다양한 고공환경을 비행하는 비행체의 공력특성 데이터 확보가 요구되고 있다. 기존의 건국대학교 불어내기식 초음속 풍동(MAF)의 유동가열장치를 개선하여 고고도/실기체 환경 모사가 가능하도록 장비를 구축하였다. 본 장비를 활용하여 유도무기체계 및 초음속 비행체 선두부에 발생하는 유동과 그에 따른 온도 분포 및 속도 분포에 관하여 연구할 예정에 있다.

$30^{\circ}-15^{\circ}$ 노즐의 실험결과와 FLUENT, 경계층 적분법, Bartz 예측식을 사용하여 수치계산한 대류열전달계수를 서로 비교하였다. 또한 NASA HIPPO 노즐을 대상으로 FLUENT와 경계층 적분법을 이용하여 연소가스특성에 따른 대류열전달계수를 계산하고 압력과의 상관관계를 비교하였다. NASA HIPPO 노즐을 대상으로 열반응 해석을 실시하여 연소가스특성에 따른 삭마두께와 숯 깊이를 비교하였다.

수직 발사대는 발사체에서 나오는 화염에 의하여 구조체의 손상이 일어날 수 있고 특히 후방덮개는 화염에 의하여 직접적으로 변형이 일어나므로 이를 해석하기 위해서는 유체-고체 연성해석 기법을 필요로 한다. 본 연구에서 발사체의 화염은 Eulerian 기법을 이용하여 해석하였고, 발사대의 후방 덮개는 Lagrangian 기법을 사용하여 해석하였다. 서로 다른 두 물질간의 경계면은 레벨을 통하여 추적을 하였고 경계면에서의 경계값은 가상유체 기법을 활용하여 결정하였다. 본 논문에서는 후방 덮개의 변형 형상에 따라 달라지는 유동의 변화를 확인하였다.

하이브리드 로켓의 연소 실험 과정에서 저 주파수 대역이 증폭하는 연소 불안정이 관찰되었다. 반면, 터빈 연소기에서는 혼합 특성 향상을 통하여 연소의 안정성을 얻기 위해 스월 유동을 사용한다. 본 연구에서는 하이브리드 로켓의 연소 불안정을 감소시키기 위하여 스월 인젝터를 사용하여 실험하였다. 그 결과, 하이브리드 로켓에서 스월 인젝터를 통하여 산화제를 주입한 경우 연소 불안정이 감소하였다. 산화제의 스월 유동의 변화는 연소실 내부의 난류유동 특성을 변화시키며 그 결과, 연소 불안정에 영향을 미친다. 따라서 스월 각도 변화를 통하여 스월 넘버 변화를 변화시킴으로써 유동 특성 변화에 대해 알아보았다. 유동 특성 변화가 주파수 특성에 미치는 영향, 압력진동과 연소진동의 상관관계에 대해 확인하였다.

In the present, various methods have been employed to obtain the lesser thrust loss. Numerical simulations have been carried out for optimizing the thrust vector control system. Thrust vector control based on coflowing shear layer is an effective method to control the primary jet direction in the absence of moving parts. Thrust vector in symmetric nozzles is acquired by secondary flow injections that result to boundary layer separation. The pressure in secondary flow inlet was varied to check the deflection angle of jet flow.

듀얼 벨 노즐에 확장-굴절 노즐 개념을 적용한 기초 전산수치해석 연구를 수행하였다. CEA 코드를 이용하여 노즐 내부 유동의 화학조성을 계산한 8 화학종 동결유동 해석을 진행하였고, 난류 모델은 $k-{\omega}$ SST 모델을 선정하였다. 듀얼 벨 노즐에 확장-굴절 노즐 개념을 적용함에 따라 변화된 천이고도 및 성능 계산을 수행하였다. 해석 결과 확장-굴절 노즐 개념을 적용함에 따라 과대팽창 조건이 형성되었고, 그에 따라 천이고도가 상승하였다.

본 연구는 비원형 Effervescent Type 이유체 노즐의 분사 특성을 조사하기 위한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위해 거의 동일한 노즐 출구 면적으로 가공한 2종류의 비원형 노즐 (E1, E2)과 1종류의 원형 노즐 (C)을 대상으로 비교 실험을 진행하였다. 이때 노즐에 장착된 Aerorator는 노즐 출구 면적과의 Aspect Ratio를 맞추기 위해 지름이 다른 3종류를 사용하였다. 따라서 각 노즐마다 3가지의 Aspect Ratio에 따라 3번의 실험을 진행하였으며, 전체 총 9종의 실험이 진행되었다. 실험은 Liquid의 유량을 고정시킨 후, 유입되는 Air의 양을 제어하며 진행하였으며, 노즐 내부 압력과 액적의 크기 (SMD)를 측정하고 노즐에서 분사 이미지를 촬영하였다. 이를 통해 3종의 노즐의 유량 계수를 압력 분무방정식과 Jedelsky 방정식을 비교 계산하였고, Jedelsky 방정식이 약 4배 정도 더 큰 값을 갖는 것을 확인하였다. 노즐에서 분사되는 SMD는 원형보다 비원형에서 더 작은 값을 갖는 것으로 나타났으며, 이는 유량 계수 값의 차이 의해 야기된 것으로 예상된다.

본 연구에서는 two-phase model(이상 모델)을 활용하여, 고폭약(RDX) 입자가 고르게 분포되어 있는 에틸렌-공기 혼합물의 데토네이션 속도, 압력을 포함하는 데토네이션 특성을 확인하였다. 순수 가연성 기체 혼합물 내에 고폭약 입자를 분포시킬 경우, 고폭약의 화학 반응에 의한 열방출에 의해 순수 가연성 기체 혼합물의 데토네이션 보다 높은 압력 및 임펄스 증가를 발생시킬 수 있다. 본 연구에서 제안된 수치해석 접근법으로 계산한 결과를 검증하기 위하여, 이전에 수행된 실험 결과(RDX 입자의 함량에 따른 데토네이션 압력/속도)와 비교하였다.

본 연구에서는 스피커를 사용하여 Jet와 Swirl 유동에 각각 가진을 가함으로써 기체-기체 동축형 제트-스월 인젝터의 Injector transfer function (ITF)을 측정하였다. Feed system의 길이를 변화시켜감에 따라 ITF를 측정한 결과 섭동이 가해진 유동이 흐르는 공간의 공진주파수에서 ITF의 peak가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. Jet 유동을 변화시키면서 Jet 유동에 가진을 줄 때, ITF의 크기는 감소하다가 56 slpm 이후부터는 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 즉, Jet와 Swirl 유동의 속도차가 클수록 ITF의 크기가 커지는 것을 확인할 수 있었다. Swirl 가진 시에는 Jet 유동이 증가함에 따라 ITF가 감소하는 것을 확인할 수 있었는데, 이는 후단에서 일정 유량 대비 가진 에너지가 감소하기 때문이며, 이러한 차이는 후단의 Hot wire anemometer가 인젝터 중심축에 위치하기 때문이다.

액체로켓엔진에 사용되는 동축 와류형 분사기의 유동특성을 알아보기 위해 closed-type과 open-type 단일 분사기에 대한 수치해석을 수행하였다. ANSYS FLUENT라는 상용프로그램을 이용하여 해석적인 연구를 수행하였다. 분사기는 리세스 길이가 다른 3개의 모델을 선정하였다. 분사기 접선 방향의 입구로 유입되는 질량유량에 따라서 분사기 유동특성이 어떻게 변하는지 알아보기 위하여 수치해석을 수행하였으며, 실험을 통해 측정된 결과를 비교 및 분석하였다. 수치해석을 통해 얻은 결과는 실험을 통해 얻은 분사기 전단에 작용하는 압력과 유량계수와 차이가 크지 않음을 알 수 있었다.

A spray characteristics is carried out in a numerical simulation of swirl coaxial injector. The water and nitrogen are the oxidizer and fuel is used in cold flow condition. The simulation is carried out in 3d model with varying recess length. Reynolds stress turbulence and volume of fluid model were chosen to perform the simulation. The spray characteristics have been investigated as well as the influence of the inlet swirl strength of the internal flow. Effect of recess length is studied for the axial and radial velocity decreased with a reduced length of inner injector due to the decline vortex intensity.

극저온 액체 질소가 초임계 상태에서 분사될 때 역광기법(backlight method)을 이용하여 사진을 얻었다. 이 때, 유체의 온도를 함께 측정하였고, 이를 바탕으로 가짜 감압비등이라는 새로운 분열기구를 제안하고자 하였으나, 역광기법은 정성적인 분무의 외관은 보여주지만 분사되는 유체의 큰 밀도로 인하여 밀도 변화를 보여줄 수 없었다.

액체 추진제를 사용하는 우주발사체의 설계 단계에서 고려되는 사항 중 축방향 동적 불안정성인 포고현상에 관한 연구를 진행하였다. 포고 현상이란 발사체 구조계의 축방향 진동이 공급/추진계의 압력 및 유량의 변화를 유발하고, 이러한 변화가 구조계를 다시 가진하는 닫힌계를 구성하여 발사체의 진동을 점차적으로 증가시키는 불안정성을 말한다. 본 논문에서는 포고 현상 중 발사체 공급/추진계에서 발생하는 압력 및 유량의 변화에 대한 동적해석에 초점을 맞추었다. 우주왕복선의 연구사례를 바탕으로 공급/추진계의 음향모드 해석을 수행하여 구조계의 불안정성을 유발하는 공급라인의 모드를 예측하고자 하였다.

본 논문에서는 액체로켓에서 추력제어를 위해 주로 사용되는 글로브 제어밸브의 대해 주기적인 저주파 압력섭동에서 유효 단면적에 따라 변하는 임피던스 특성에 관해 해석적 연구를 수행하였다. 유효 단면적에 따라 임피던스가 증가하는 경향을 확인하였으며, 유동장 가시화를 통해 임피던스 특성 변화를 일으키는 원인에 대해 알아보았다. 향후 제어밸브의 임피던스 특성변화의 관한 정보는 공급 시스템의 임피던스를 구하는데 활용될 수 있기 때문에 포고 현상 예측의 활용될 수 있을 뿐만 아니라 포고 현상 감소를 위해 완충기 및 오리피스를 설계할 때도 도움이 될 것이다.

노즐을 빠져나가는 유동과 연소실 내 음향 섭동의 상호작용은 연소 불안정을 억제하는 핵심 요소로 작용하며 노즐감쇠는 노즐 어드미턴스를 이용하여 정량적으로 평가가 가능하다. 본 연구에서는 노즐의 음향 감쇠 성능을 측정할 수 있는 변형된 임피던스 튜브 실험을 수행하여 수치적 해석기법인 Crocco의 이론을 적용한 1차원 선형화 오일러 방정식으로 도출된 노즐 어드미턴스 값과 비교하였다. 그 결과, 노즐 어드미턴스의 증감하는 부분의 정성적인 경향이 유사함을 확인 가능하였고 그에 따른 노즐감쇠가 효율적인 주파수대를 예측할 수 있었다.

액체 로켓 엔진을 작동하기 위해서는 추진제 점화를 위한 점화기가 필수적이다. 이 점화기의 중요한 현상은 열 음향 공진이다. 본 논문에서는 주로 열 음향 공진 현상에 대한 노즐과 공진관 사이의 거리에 따른 실험 결과를 다루었다. 이 연구의 최종적인 목적은 이 현상을 이용하여 다중 점화가 가능한 점화기 개발에 있다.

본 연구에서는 가스다이내믹 공진 점화시스템 (Gas-dynamic Ignition System)의 온도상승 지배인자를 파악하고, 공진관으로의 질량유입 패턴의 영향에 대해 연구하였다. OpenFOAM 프로그램을 이용하여 세 가지 Case에 대한 전산해석을 수행하였으며, RhoCentralFoam을 적용하였다. 해석결과로, 작동유체의 가열이 공기열역학적 현상에 의한 것임을 밝히고, 공진관으로의 원활한 질량유입이 온도 상승에 중요한 지배인자임을 확인하였다.

ADN 기반 고성능 친환경 단일추진제 추력기는 독성의 하이드라진을 대체하기 위해 유럽 등지의 우주 선진국에서 활발히 연구 중에 있으며, 고성능 친환경 단일추진제 중 유일하게 우주 환경에서 시험을 통해 검증을 수행한 바 있다. 본 연구에서는 ADN 기반 고성능 친환경 단일추진제 추력기의 국내 자체 개발을 위해 추진제 및 분해 촉매를 합성하고, DSC-TG 분석을 통해 추진제의 촉매 연소 성능을 검증했다. 또한 5 N 급 액체 단일추진제 추력기를 활용하여 연소 시험을 수행하여 추진제의 촉매 연소를 확인했다.

최근 고농도 과산화수소는 추력기의 친환경 추진제로 연구가 활발히 진행되고 있다. 과산화수소는 추력기의 촉매대에서 촉매분해되어 추력을 발생시킨다. 촉매대의 최적화 된 설계를 위하여 기존에 존재하는 촉매대 모델을 활용하였다. 모델의 검증을 위하여 100 N 과산화수소 단일추진제 추력기를 사용하여, 다양한 설계 조건들에 대해 실험을 진행하였다. 모델의 예측결과를 실험결과와 대조하여 다양한 조건들에서도 비교적 높은 정확도를 보임을 확인하였다. 검증된 모델을 이용하여 다양한 설계조건들에 대해 최적화된 Catalyst Capacity값과 압력강하량을 계산하였으며, 이를 분석하여 압력강하량과 유량 및 세장비 사이의 관계식을 도출 할 수 있었다. 최적화된 Catalyst Capacity값과 압력강하량 관계식을 이용하여 최적화된 촉매대를 설계할 수 있다.

기술의 발전에 따라 소형화, 집적화, 그리고 경량화가 가능해지면서, 기존의 중대형 인공위성이 소형 인공위성으로 대체됨으로써 미소 추력기에 대한 필요성이 대두되었다. 레이저 삭마 미소 추력기는 넓은 추력 운용범위와 낮은 단일 임펄스 추력, 그리고 높은 레이저 출력 대비 에너지 비를 가지고 있어 미소 추력기를 대체할 수 있는 세밀한 추력 제어기로서 떠오르고 있다. 본 논문은 레이저 삭마 미소추력기의 구조, 추진제, 그리고 연구 동향을 소개하고자 한다.

본 연구에서는 50 mN급 마이크로 추력기를 활용하여, ADN 기반 추진제인 LMP-103S의 연소 실험을 수행하였다. 마이크로 추력기는 MEMS 공정 과정을 거쳐 감광유리로 제작하였다. LMP-103S 분해용 촉매로 $Pt/{\gamma}-Al_2O_3$를 사용하였다. 연소 실험 초기에 촉매 예열을 위해 90 wt.% 과산화수소를 주입하였으며, 이후 LMP-103S를 주입하여 연소 실험을 수행하였다. 실험 결과 백금 촉매 환경에서 LMP-103S의 점화가 이루어짐을 확인하였으며, 연소실 온도는 $650^{\circ}C$로 형성되었다.

발사체 경량화에 따른 한국형발사체 발사성능 해석을 위해 3 자유도 모델을 이용한 궤적계산 프로그램을 작성하였다. 이를 이용하여 단 별 구조비 감소에 따른 태양동기궤도 투입성능을 추정하였으며, 성능 지표는 투입 가능한 탑재체 무게를 기준으로 하였다. 구조비를 Angara 로켓과 유사한 수준까지 경량화 할 경우 목표 궤도에 2.58 ton을 투입할 수 있을 것으로 보인다.

알루미늄과 같은 금속분말을 연료로 사용하는 추진체의 연료공급장치에 있어, 원통형 공급관 내부를 이동하는 분말이 연소기로 진입하면서 발생되는 분말의 급확대부 영역에서의 확산현상을 해석하기 위해 컴퓨터 소프트웨어를 개발하였다. 플러그 유동형태의 입자집단운동을 기술하기 위해서 일종의 Lagrangian기법이며 난류속도변동 조건을 만족하는 개별입자추적법을 도입하였다. 여기에 재순환 영역에서 유체의 방향전환을 증진시키기 위해 기하학적 유동 구조에 입각한 반경방향 속도성분을 추가시켰다. 속도 추가성분의 유무에 따른 급확대부 재부착점 부근에서의 입자 속도분포 수치해석 결과를 기존의 실험결과와 비교하였다.

고체 추진제의 성능을 계산하기 위해서는 그레인 burn-back 해석 과정이 필요하다. 기존의 그레인 burn-back 해석은 level set method를 사용하였으나 표면 이동 해석에서 문제가 발생 하였다. 이에 본 연구에서는 face offsetting method를 적용하여 표면 이동 해석을 수행 하였다. 해석 결과, face offsetting method가 그레인 burn-back 해석에 유용한 방법임을 확인 하였다.

고체 로켓의 성능은 고체 로켓 모터의 내탄도 해석으로 계산한다. 본 논문에서는 HLLC Scheme을 사용한 내탄도 해석 코드를 개발하였다. 해석 코드를 적용한 결과 고체 로켓 모터의 성능을 잘 계산하였음을 확인하였다.

본 연구는 달착륙선을 위한 하이브리드 추진 시스템의 기초 연구로서 동시 점화 및 산화제 유량 분배를 통한 클러스터링 연구를 수행하였다. 클러스터링 연소 실험을 위해 지상 연소 실험 시스템을 구축하였으며, 산화제와 연료는 각각 기체 산소(gas oxygen)와 고밀도 폴리에틸렌(High Density Poly Ethylene)을 사용하였다. 실험 결과 화약 점화를 사용한 동시 점화 장치는 동일한 시점에 점화가 되었으며, 유량 분배 장치를 통해 비교적 균일하게 산화제 분배가 이루어져 각 연소실 내에서의 압력이 비교적 동일하게 나타난 것을 확인하였다.

본 연구는 이원추진제 추력기(thruster)에 사용되는 메탄-산소 연소특성규명의 선행연구로서 모델연소실 내 전단동축형인젝터를 통해 분사된 기체메탄-기체산소 비예혼합화염의 연소안정한계 및 화염형상을 도출하기 위한 실험적 연구가 수행되었다. DSLR 카메라를 이용하여 화염 직접이미지(direct image)를 촬영하였고, 이미지 후처리(post-processing)를 통해 연소특성파악 및 화염길이 정량화를 수행하였다. 그 결과, 산화제 레이놀즈 수($Re_o$)가 증가함에 따라 이론반응비(stoichiometric ratio)에서 안정된 화염이 발생하였고, 동일 인젝터직경 조건에서 난류화염의 길이가 늘어남을 확인하였다.

본 연구에서는 알루미늄 입자 크기에 따른 파라핀 혼합연료의 연소 특성에 관한 실험을 수행하였다. 평균 입도 100 nm 및 $8{\mu}m$ 크기의 알루미늄 입자와 Sasol사의 마이크로크리스탈린 파라핀 왁스(Sasol 0907)를 이용하여 연소실험을 수행하였고 순수 파라핀과 알루미늄 입자 5 wt%를 첨가한 파라핀 혼합연료의 후퇴율과 압력선도, 특성배기속도 등을 비교하였다. 마이크로 입자의 첨가는 산화제 유속이 증가할수록 후퇴율을 향상시켰으나 나노 입자의 첨가는 후퇴율이 감소하는 경향을 보였다.

본 연구에서는 하이브리드 추진기관 설계에 중요한 변수인 스케일에 따른 연소특성을 분석하였다. Blow-down 시스템을 사용하는 $LN_2O$/PE 추진제 조합에 대하여 분석을 수행하였으며 현존하는 스케일 관계식을 이용한 스케일 변화에 따른 평균 후퇴율의 변화는 크지 않음을 확인하였다. 특성배기속도 효율은 스케일이 커짐에 따라 증가함을 확인하였다. 그러나 특성배기속도 효율은 후방연소실의 형상 등 복잡한 변수가 포함되어 있어 단순한 스케일의 변화에 따른 영향이라고 단정할 수 없다고 판단된다. 이에 특성속도효율 및 국부적인 후퇴율 예측에 관한 하이브리드 로켓 스케일 관계식에 관해서는 확정적인 결론을 도출하기 어려울 것으로 판단된다.

초임계 조건에서의 연소반응에서는 액체산소가 초임계 상태로 천이되며 스도보일링과 급격한 물성치변화를 발생시킨다. 이때 초임계 상태에서 작동하는 분사기의 연소반응은 급격한 밀도차로 인한 난류확산에 의해 지배되며, 따라서 스도보일링과 함께 발생하는 확산유동에 대한 연구가 필요하다. 많은 연구자들에 의해 초임계 연소해석에서 발생하는 이 현상들에 대한 연구가 진행되었지만 다양한 변수들에 의한 사례연구가 부족한 상태이다. 본 연구에서는 초임계 압력조건에서 산화제-연료비(O/F)와 연소기 직경, 리세스비를 통해 재순환유동 및 액체산소코어 길이에 변화를 주어 이로 인한 유동구조 및 화염구조의 변화를 수치적으로 연구하였다.

본 논문에서는 점화 위치 및 시간에 따른 점화 지연 및 연소 불안정에 미치는 영향을 관찰하는 것이 목표이다. 산화제는 기체 산소를 사용하였고 연료는 액체 케로신을 사용하였다. 점화 지연 및 연소 불안정 정도를 관찰하기 위해 압력 트랜스듀서를 이용하여 정압을 측정하였다. 점화 위치는 분사기 스페이서를 이용하여 변경하였다. 모든 경우의 점화기 작동 시기를 제외한 점화 시퀀스는 동일하게 설정하였고 점화 시간은 25 ms 간격으로 설정하였다. 점화 시간이 늦어질수록 초기 압력 피크값과 점화 지연 시간이 증가하는 경향을 보였다. 점화 위치가 분사기로부터 멀어질수록 초기 압력 피크 이후 불안정한 화염 발달 구간이 존재하였다.

터보펌프 인듀서에서 레이놀즈 수가 캐비테이션 성능에 미치는 영향을 실험적으로 연구하였다. 인듀서 입구에서 압력을 측정하여 캐비테이션 수에 따른 양정계수 변화를 구하였다. 물의 온도와 인듀서 회전수를 변화시켜 일정한 무차원 열적 변수에서 레이놀즈 수를 변경시켜 캐비테이션 성능을 측정하였다. 낮은 무차원 열적 변수에서는 캐비테이션 성능 곡선이 레이놀즈 수 변화에 영향을 받지 않는다. 하지만 높은 무차원 열적 변수에서는 레이놀즈 수가 증가함에 따라 임계 캐비테이션 수가 증가하였다.

본 연구에서는 외부하중을 고려하여 Fulton과 Vasiliev가 제안한 돔형상 식을 적용하여 복합재 압력용기의 돔형상을 설계하고 해석하였다. 돔형상 설계변수로는 0.1 ~ 0.5 의 오프닝 반경비와 40kN ~ 200kN의 추력을 적용하고, 해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 복합재 압력용기 내면과 외면의 섬유방향 변형률을 계산한 결과, Fulton 돔의 경우 ${\rho}_0$가 커질수록 변형률 기울기가 작아지고, Vasiliev 돔은 뚜렷한 경향성이 나타나지 않는다. 또한 ${\rho}_0{\leq}0.1$일 경우 모든 추력에서 Fulton 돔이 변형률 기울기가 더 큰 것을 확인 할 수 있었다. 0.1<${\rho}_0$<0.35인 경우 주어진 추력 범위에서 변형률 기울기가 역전되는 형상을 보이며, $0.35{\leq}{\rho}_0$에서는 모든 구역에서 Vasiliev 돔이 변형률 기울기가 더 크게 나타나 압력용기의 설계에 적용하는 것이 효과적이라고 판단된다. 또한 복합재 압력용기의 변형률 기울기로 인해 발생하는 수지균열을 고려한 돔형상 설계가 필수적이다.

본 논문에서는 고유진동수 시험을 통해 복합재 격자구조체의 유한요소모델을 검증하였다. 복합재 격자구조체의 유한요소모델은 빔, 쉘 그리고 솔리드 요소를 사용하여 생성하였다. 고유진동수는 자유 경계조건 하에서 충격시험법을 사용하여 측정하였다. 쉘과 솔리드 요소의 유한요소해석 결과, 고유진동수 시험과 잘 일치하는 것을 확인하였다. 빔 요소는 섬유 비교차부의 물성저하를 고려하지 못하여 오차가 발생된 것으로 판단된다.

본 연구에서는 필라멘트 와인딩을 이용한 원통형 복합재 격자구조체의 제작 공정을 서술하였다. 원통형 복합재 격자구조체는 크게 네 단계의 제작 공정을 통해 제작된다. 격자 형상을 갖는 실리콘 금형을 맨드릴에 설치하고 연속 섬유를 실리콘 금형 위에 와인딩 한다. 섬유의 와인딩 후 모든 영역에서 동일한 두께를 갖도록 섬유 교차부의 압착 공정을 수행한다. 마지막으로 복합재 격자구조체를 오븐에서 경화하고 금형을 탈형한다. 제작된 제품의 치수는 설계 사양과 비교하여 2.4%의 오차가 발생하는 것을 확인하였다.

위성용 단일추진제 시스템에 적용되는 핵심부품 중 하나인 추력기 밸브는 솔레노이드 방식을 이용하여 추진제를 공급/차단한다. 밸브에 장착되는 원형 판스프링은 마찰과 반복운동에 의한 위치변형 및 파티클이 없다. 본 연구에서는 원형 판스프링 소재, 두께, 반경을 고정변수로 원형 판스프링 내부 패턴의 너비를 설계변수로 설정하여 유한요소해석 및 검증시험을 하였다. 시험결과 변위에 따른 스프링 상수 k가 선형적인 특성이 나타났다. 원형 판스프링 총면적에 따른 스프링력의 경향성을 통해 원형 판스프링의 설계가 가능함을 확인하였다.

고온/고압/산화제 과잉 환경에 노출되는 금속들은 급격한 산화(발화 및 연소)가 일어날 수 있다. 본 연구에서는 시편에 전력을 공급하여 시편 온도를 직접 제어하는 방식의 직류전원장치 시험설비를 구축하고 고온/정체/산화제 과잉 환경을 모사하여 STS 계열 금속 재질에 대한 금속 산화 및 발화에 대한 평가를 진행하였다. 그 결과, 선정된 재질의 변형(변색), 표면 거칠기에 변화와 금속 표면의 박리 현상이 관찰되었으며 무게 및 시편 두께에 변화가 있음을 확인하였다. 시편 중 가장 산화가 심한 시편은 STS 304이며 산화가 덜한 시편은 XM-19로 나타났다.

우주 발사체의 운반능력을 향상시키기 위하여 고성능 다단연소사이클 엔진의 개발은 필수적이다. 그 중 연소기 헤드는 기체산화제의 유입을 위해 콘 형상으로 되어 있으며, 매니폴드는 매우 복잡한 구조를 가지고 있다. 이러한 헤드는 주조 방식이나 기계가공으로 제작되어 왔다. 기계가공의 한계나 주조재질의 특성과 재료의 한계성을 탈피하여 복잡하고 가공이 어려운 연소기 헤드의 제작 공정을 3D 금속 프린팅 공정을 이용하여 개선하는 기술을 확보하고자 한다. 현재 3D 금속 프린팅을 이용하여 주연소기에 사용할 수 있는 소재의 물성을 파악하고 프린팅 제작조건의 변화를 주는 공정개발을 통하여 더욱 낳은 물성을 확보하고, 이를 바탕으로 연소기 헤드를 제작하고, 접합공정을 개발하여 연소시험을 통해 그 성능을 입증하고 제작공정을 확립하고자 한다.

본 논문은 다단연소사이클 엔진의 연소실 내벽을 고온, 고압의 환경으로부터 보호하기 위한 열차폐 코팅 공정 개발에 관한 내용이다. 기존 연소기 내벽에는 열차폐 특성이 우수한 Zr 기반의 세라믹용사코팅을 적용했지만, 세라믹의 특성상 연소실 내벽(금속)과 열팽창계수 차이로 인해 박리가 발생할 수 있다. 때문에 로켓 선진국에서는 열차폐 효과를 다소 희생 하더라도 밀착력 향상을 위하여 금속계 코팅인 Ni-Cr 도금을 적용하고 있다. 본 연구에서는 연소기에 적용 가능한 상향 순환식 유동셀을 적용한 도금조를 개발했으며, 반복적인 공정 개선을 통해 도금 두께 $100{\mu}m$이상, ${\pm}10%$의 두께 균일도를 만족하는 Ni, Cr 도금 공정조건을 확립했다.

다단연소사이클 엔진의 추진제는 예연소기에서 일부 연소되고, 연소된 고온의 가스는 터빈을 구동하고 터빈은 터보펌프를 작동시킨다. 터보펌프의 터빈을 통과한 연소가스는 고온 고압의 상태로 연소기로 공급되는데, 이때 연료 또는 산화제의 양에 따라 연소가스는 연료 과잉 또는 산화제 과잉 상태로 공급된다. 산화제 과잉상태의 환경에서 금속 배관은 작은 입자의 충격에 의해서도 발화 또는 폭발될 수 있다. 이를 방지하기 위해 로켓 선진 국가에서는 산화제가 이동하는 공간에 내산화 코팅을 한다. 본 연구에서는 해외 내산화 코팅 물질 분석을 통해 국산 조합분말을 개발하였고, 코팅공정을 수립하였다. 개발된 조합분말을 이용하여 코팅 후 내산화 시험을 수행하였으며, 그 결과 질량변화량이 -0.16%~+0.01% 임을 확인하였다. 본 연구결과로부터 개발된 유약은 실물형 연소기의 내산화 코팅에 적용이 가능할 것으로 판단되며, 향후 연소시험을 통한 개발기술의 검증을 진행할 계획이다.

금속 소재부품의 제조 형태가 복잡해지고 소비자의 요구가 다양함에 따라 금속 3D 프린팅 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 우주 발사체의 엔진 연소 노즐 부품에 적용 가능한 스테인레스 316L계 금속을 3D 프린팅 방식으로 제조하고 이에 대한 기계적, 화학적 특성 상관 연구를 진행하였다. 금속 3D 프린팅 기술은 레이저원을 이용하여 분말을 급속 용융과 응고를 반복됨에 따라 기존의 주조 응고와는 다른 미세 조직 형태를 나타내고, 이에 따라 기계적 물성이 변화함을 관찰하였다. 특히 개재물의 존재에 따라 기계적 특성이 변화하고 공정 조건의 변화에 따라 기공의 형태 및 위치등이 변화하는 것을 확인하였다.

원심압축기 임펠러의 블레이드는 고속회전과 정상유동 압력에 의한 정적하중이 가해진다. 동시에 임펠러와 디퓨저 베인 간 상호작용에 의해 발생하는 비정상 유동의 공력가진력이 공진조건에서 주기적으로 임펠러를 가진함에 따라 임펠러 블레이드의 고주기피로 파손이 발생할 수 있다. 이에 대한 정밀한 구조응답 예측을 위해 ANSYS를 이용한 비정상 유동 해석과 모드해석을 각기 수행하여 공력가진력과 주요 공진조건을 도출하였다. 이 후 공력-구조를 연계하는 단일방향의 강제진동 해석을 수행하고, 결과들을 토대로 고주기피로에 대한 안전도를 평가하였다.

일반적으로 다단 축류 터빈은 높은 압력비에서 유동 가속으로 인하여 특정 단에서 초킹 현상이 발생하게 된다. 초킹의 경우 유량 변화 없이 압력비만 증가하게 되며, 이러한 특성을 입구 유량 경계조건을 사용하는 일반적인 평균반경해석법을 이용하여 예측하는데 한계가 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 초킹 영역에서의 성능을 예측하는 알고리즘을 재안하였다. 초킹 지점 이후에는 초킹이 발생하는 노즐 혹은 로터 출구 유동이 팽창하는 특성을 반영하여 고정된 유량 조건에서 압력비가 변할 수 있도록 알고리즘을 구성하였다. 이러한 결과를 다단 축류 터빈 전산해석 결과 및 실험결과와 비교하여 신뢰성을 확인하였다.

유상하중 수십 kg 수준의 무인기는 소형 왕복동 엔진이나 로터리 엔진을 사용하나 이들은 초기 구매 비용이 작다는 장점에 비해 운용 및 유지비용이 크다. 특히 소음이 심해 도심운용이 불가능하며, 진동으로 인해 탑재장비의 제한을 받는다. 이에 비해 가스터빈엔진은 운용 및 유지측면의 다양한 장점에도 불구하고 왕복동이나 로터리 엔진에 비해 연료소모율이나 출력당 중량이 크다는 단점이 있다. 본 연구는 이런 가스터빈엔진의 단점을 극복할 수 있는 레큐퍼레이터를 장착한 소형 터보샤프트엔진을 설계하는 것이 목적이다. 항우연이 기 개발한 틸트로터 항공기(TR-60)를 가상의 장착 기체로 상정하여 출력과 크기를 도출하였다. 본 논문에서는 이 엔진의 미션, 설계요구도 도출 및 설계절차와 초기 기준점 싸이클 설계 결과를 설명하였다.

대형 가스터빈 연소기 구성품인 단일 압력선회식 연료분사기(Pressure swirl simplex liquid injector)를 설계, 분무특성 및 성능을 시험을 통해 평가하였다. 공급 압력 대비 분무 유량을 측정하여 설계점 기준 분무유량과 비교하였으며 섀도우그래프(Shadowgraph)를 통해 분무가시화이미지를 기록, 분무의 형상을 정성적으로 파악하고 분무각을 측정하였다. 시험 결과 동일한 공급압력 대비 측정된 분무유량은 설계점 기준 유량과 거의 일치하여 설계 및 제작의 정합성이 확인되었으며 섀도우그래프 이미지를 통해 연료분사기의 분무형상을 파악하고 설계 의도된 분무각이 나타남을 확인할 수 있었다. 이를 기반으로 향후 PDA(Phase Doppler Anemometry)를 통한 분무측정을 통해 보다 구체적인 연료 분사기의 분무 성능 및 특성을 파악할 수 있을 것으로 기대된다.

희박 예혼합 연소기는 NOx 배출 규제를 만족시키지만, 연소불안정 현상을 야기하는 단점을 갖고 있다. 이때 연소불안정 현상은 연소기 내부에서 열발생 섭동과 음향 압력 섭동 사이의 피드백 관계로부터 도출된다. 특히 항공용 엔진에 대한 배출 가스 규제가 강화되면서, 환형 연소기에서의 연소불안정 연구에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 본 연구에서는 환형연소기에서의 길이방향 및 환형 방향의 모드까지 계산할 수 있는 열음향 네트워크 모델을 개발 및 사용하였고, 이때 연소 모델은 화염전달함수를 적용하였다. 이와 같은 네트워크 모델을 사용하여 벤치마킹한 환형연소기의 실험데이터와 비교 분석하여 연소불안정 해석을 진행하였다.

공기와 물을 사용하여 인젝터의 위치와 운동량 플럭스 비가 수직유동이 횡단유동장내의 수직분사 제트에 미치는 영향을 정성적으로 연구하고 도시하였다. 운동량 플럭스 비를 고정하고 인젝터 홀의 위치를 변화시키고 역으로 인젝터 홀의 위치를 고정하고 운동량 플럭스 비를 변화시켰다. 이미지 가시화는 고속카메라를 이용하여 Shadowgraph 기법을 사용하였다. 가시화된 이미지는 밀도구배강도 이미지를 통하여 분무의 차이를 비교하였다. 장치의 x/d가 증가할수록 제트의 분열 높이가 낮아지며 분무 각도 또한 감소하는 것을 관측하였다. x/d가 0일 때는 어떠한 운동량 플럭스 비에서도 분무가 바닥과 천장에 닿게 되는 결과를 보였다.

액체로켓엔진 개발 과정에서 중량을 절감하고 구조 신뢰성을 증가시키기 위해서는 엔진 시스템에 대한 구조 해석이 필요하다. 발사체는 비행 중 자세제어를 위해 엔진의 TVC (thrust vector control) 구동기의 변위를 변화시켜 연소기를 회전하여 추력의 방향을 제어한다. 본 연구에서는 연소기 김발을 하는 75톤급 액체 로켓 엔진에 대하여 TVC 구동 전/후의 정적 구조 해석을 수행하고 비교하였다.

내열 및 내유성 고무복합체 특성연구(The study on the thermal and oil resistance rubber composite), 2016.[6] 연구에서는 고온($150^{\circ}C$, $175^{\circ}C$, $200^{\circ}C$) 조건의 고온촉진노화를 통하여 불소고무 복합체의 수명을 예측하였다. 일반적인 고무제품은 온도, 습도, 오존, 빛, 유제, 기계 및 전기적 응력 등의 특성저하 인자에 따라 다른 특성을 나타낼 가능성이 있으며, 이러한 문제를 해결하기 위하여 "내열 및 내유성 고무복합체 특성연구"[6] 연구에서 얻어진 고온촉진노화에 의한 수명 예측값과 저온촉진노화간의 인장강도 변화율 및 신장률 변화율 그리고 부피 변화율, 무게 변화율, 두께 변화율 및 열전도도를 비교 검토하였다. 검토 결과, 요구 한계수명은 모두 만족하였지만 고온촉진노화 결과와 저온촉진노화 결과 간 변화율에서 약간의 격차를 보였다. 이러한 변화율 격차가 일어나는 원인은 고온촉진노화에서는 노화 시 불소고무의 주사슬 분해로 인하여 인장강도, 신장률 감소 및 부피, 무게, 두께 증가가 일어나는데 비해 저온촉진노화에서는 $80^{\circ}C$에서 불소고무의 지속적 경화반응으로 인하여 인장강도, 신장률 및 부피, 무게, 두께 변화가 적게 나타났을 것으로 판단된다.

고온/고압/산화제 과잉 환경에 노출되는 금속들은 급격한 산화(발화 및 연소)가 일어날 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 고온/고압/산화제 과잉 환경에 적합한 금속 재질의 선정을 위해 수행되었다. 고온, 고압, 산화제 과잉 분위기를 만들기 위해서 과산화수소의 촉매반응 활용한 시험 설비를 구축하고 STS 계열 금속 재질에 대한 금속 산화 및 발화에 대한 평가를 진행하였다. 그 결과, 선정된 재질의 변형(변색) 및 표면 거칠기에 변화가 관찰되었지만, 시편의 무게 및 두께에 대한 변화는 크지 않음을 확인하였다.

한국형발사체개발 사업의 일환으로 75톤급 액체로켓엔진이 개발되었다. 액체로켓엔진을 개발하는데 있어 지상연소시험의 수행은 필수적이며, 이를 통해 전체 엔진 시스템에 대한 다양한 검증이 수행될 수 있다. 본 연구에서는 75톤급 액체로켓엔진의 지상연소시험을 수행하고 지상연소시험 중 측정된 진동 신호의 분석에 관하여 개략적인 내용을 기술하였다. 진동 응답 특성 측정 및 분석은 전체 구조물의 건전성 및 구조설계를 검증하는데 있어 매우 중요한 지표로 활용될 수 있다.

본 논문은 모드 I 하중하에서 곡률이 있는 복합재 적층판의 점진적 층간파손 예측에 대해 서술하였다. 곡률을 갖는 복합재 적층판의 층간파손 예측은 ABAQUS V6.13의 응집영역모델을 사용하여 수행하였다. 응집영역모델의 입력값인 층간파괴인성치는 모드 I, 모드 II, 그리고 혼합모드에 대한 층간파괴인성 시험을 통해 도출하였다. 곡률을 갖는 복합재 적층판의 점진적 층간파손 거동은, 시험과 수치해석결과가 잘 일치하는 것을 확인하였다.

이 논문은 유도무기의 비행 중에, 공력가열을 받는 환경조건으로부터 유도무기를 보호하는 열방호용 코르크계 외부 인슈레이션 재료의 곰팡이 영향 연구에 관한 것이다. 필라멘트 와인딩 공법으로 제작된 복합재 연소관의 외부에 적층하는 코르크계 재료를 고려하였으며, 주어진 시스템에서의 효율적인 시스템 개발을 위해서 요구되는 요구조건 분석의 중요성을 고려하였다. 코르크계 복합재료를 유도무기용 복합재연소관의 외부 인슈레이션 재료로 사용하는데 요구되는 기본 요구조건에 대한 요구조건 분석에 의한 연구항목의 실험적 연구를 수행하였다. 해당 코르크계 재료의 곰팡이 영향 연구를 위해 곰팡이가 배양된 시편의 전단시편(QLS) 기계적물성 시험을 수행, 곰팡이 배양 전후의 결과와 비교하였으며, 곰팡이 발생 방지연구를 위해 곰팡이 방지페인트 유무에 따른 항곰팡이 효과발현을 공인기관 인증시험을 통해 확인하였다.

본 논문에서는 발사체 및 무기체계의 연소관 등에 적용되고 있는 복합재의 볼트체결부에 대한 점진적 파손 해석을 수행하였다. 해석에 사용된 Hashin 파손 판정식은 복합재 파손모드에 따라 섬유 인장 파손 모드(Fiber tensile failure mode), 섬유 압축 파손 모드(Fiber compressive failure mode), 기지 인장 파손 모드(Matrix tensile failure mode), 기지 압축 파손 모드(Matrix compressive failure mode)의 4가지 모드로 고려되었으며, 이를 이용해 user subroutine인 UMAT을 개발하였다. 점진적 파손 해석을 통해 복합재 볼트체결부에 대한 파손강도를 예측 하였으며, 이를 시편 시험 결과와 비교하였다.

항공우주 구조물은 경량화를 위하여 복합재의 사용이 증가하고 있다. 이러한 구조물 중 추진기관에 해당하는 발사체 동체의 링 프레임 및 부품은 구조적 파손에 덜 취약한 섬유 강화 복합재를 주로 사용한다. 섬유 강화 복합재의 사용이 증가함에 따라 강성 및 강도의 효율적인 설계 방법에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 논문에서는 섬유 강화 복합재 중 2차원 3축 브레이딩 복합재의 단위 체적 형상(Repeating Unit Cell, RUC)에 따른 기계적 강도를 예측하였다. 강도 예측 기법으로 섬유다발의 이산화 기법를 통한 섬유조각(Yarn Slice) 정의, 증분 접근법, 강성저하 모델 등을 사용하였다. 마지막으로 예측된 강도와 시험결과를 비교하여 본 논문에서 정의한 예측 기법의 정확도를 검증하였다.

초고속 비행체는 발사 시 엔진에 의한 음향 압력과 비행 중 공력 가열 및 공기역학적 압력 등 복합적인 하중을 받는다. 이러한 외부환경으로부터 비행체의 연료 탱크 등 내부 시스템을 보호하기 위해 열방어 시스템 패널(Thermal Protection System Panel)이 필요하다. 본 논문에서는 온도 조건에 대해 유한차분법을 이용하여 열방어 시스템 패널의 열전달 모델을 정의하고, 구한 절점별 온도 데이터를 회귀분석을 통해 두께방향 온도 구배의 함수로 정리하였다. 도출한 온도 이력과 극한 압력 하에서 열방어 시스템 패널의 열구조 특성에 대한 해석적 모델을 정의하였다. 해석적 모델을 이용하여 열방어 시스템 패널의 열구조 특성에 대해 매개변수 분석을 수행하였다. 이를 통해 열방어 시스템 패널의 경량화 및 열구조적 설계 요구조건을 충족하는 설계변수를 도출하였다.

고속비행체의 연료 공급 및 냉각 시스템에 적용 가능한 고온고압 밸브를 개발하였다. 밸브 경량화를 위해 외형 사이즈를 최소화 하였고 씰(seal) 적용부를 최소화 하여 누설에 대한 강성 설계를 진행하였다. 또한 밸브 내 압력강하를 최소화하기 위해 유동해석을 통한 내부 유로를 설계하였고 최종적으로 고속비행체의 고온의 흡열연료를 모사하는 시험장비에 밸브를 설치하여 밸브 성능을 검증 하였다.

본 논문에서는 충돌형 분사기를 이용하여 수직분사 실험을 진행하였으며, 기존의 단공 오리피스의 분사기와 비교하여 분무특성에 어떠한 변화가 있는지 실험적으로 연구하였다. 또한 동일 오리피스 길이 대 직경비(L/d = 5)를 갖는 분사기를 바탕으로 충돌각(60, 90, 120)의 변화에 따른 액체 분무특성을 파악하였다. Top view의 기준 방향으로 y 방향에서의 분열길이 결과를 보면, 충돌각이 증가할수록 분열길이가 전체적으로 감소함을 알 수 있었다. 반면에 충돌형 분사기를 side view 기준으로 보았을 때, x 방향에서의 분열길이는 이전 단공노즐에서의 분열길이보다 더욱 감소하였으며, 이는 단공노즐의 분사기보다 충돌형 분사기의 미립화 성능이 우수함을 의미한다.

본 논문에서는 비행 중에 추정되는 비행체 동압 정보의 일반적인 활용법에 대해 소개한다. 본 연구에서는 추정 정보의 정확성을 높여 비행의 신뢰성을 유지하기 위한 동압추정 기법을 제안하였다. 소개된 방법은 압축성 유동의 간단한 관계식을 통해 쉽게 확인할 수 있는 방법이지만, 초고속 비행체의 제어기법에 적용될 수 있는 높은 정확성을 가지는 양질의 동압정보를 제공하기 위한 방법론을 제안하고 그 활용성을 고찰하였다.

첨가제와 점화 보조제가 적용된 고체연료 램젯 용 연료 그레인의 연소시험을 수행하여 점화 지연과 연소 효율을 확인하였다. 연료 그레인은 HTPB에 AP 파우더 15 wt.% 보론 입자 5 wt.%가 혼합된 형태로 구성되어 있다. 연료 그레인에 $NC/BKNO_3$와 Composite 추진제로 이루어진 점화보조제를 도포하여 우수한 점화성능을 확보하였다. 에탄올 블렌딩 과산화수소 가스발생기를 통해 램젯 연소실의 공기와 가깝도록 온도, 압력, 산소 조성을 조절한 산화제 가스를 유속 $200kg/m^2s$ 으로 흐르도록 설정하였다. 실험 결과, 점화보조제의 작동을 통해 연료그레인에서 0.5초의 점화 지연시간을 파악하였다. 또한 보론의 연소를 통해 8 bar의 일정한 연소실 압력과 0.86의 높은 연소 효율을 확인하였다.

본 연구에서는 단기 추진제에 NGD를 A%, B%(2A=B) 추가하여 추진제를 제조 하였다. 그리고 추진제 연소속도에 영향을 주는 인자인 잔류용제와 수분 및 휘발분, 추진제 Grain크기를 분석하여 비교하였다. 또한 제작된 NGD-A% 추진제와 NGD-B%추진제를 시험 사격을 통해 비교하였다. 그 결과 NGD-A% 추진제가 유사 압력에서 NGD-B% 추진제보다 높은 속도를 나타내는 것을 확인 하였다.

고체 추진기관의 불량 발생 요인 중 가장 큰 부분을 차지하고 있는 추진제 기공 및 크랙은 추진제의 점도와 물성이 큰 영향을 미친다. 본 연구는 혼합형 고체 추진제의 한 종류인 나이트레이트 폴리이서(Nitrate Ester Polyester; NEPE)계열의 추진제에서 주로 사용되는 RDX의 입도 및 혼합 함량에 따른 추진제 점도, 기계적 물성 및 연소특성 변화를 관찰하였다. RDX 입도와 혼합 함량에 따라 미경화 추진제의 경시적 점도가 크게 변화가 되었으며, 이에 따른 추진제 물성 또한 변화가 있었다. 추진제의 낮은 점도와 안정된 기계적 물성을 동시에 고려할 때, RDX의 입도 및 혼합 함량은 NEPE계 추진제의 주요 인자로 확인할 수 있다.

ADN은 환경적인 그리고 독성적인 측면에서 ammonium prochlorate를 대체하는 현재 연구중인 물질이다. 고독성의 발암물질인 하이드라진을 대체할 수 있는 액체 추진제에 적용되기도 한다. ADN의 합성은 현재 GUDN(Guanylurea dinitramide)과 potassium hydroxide를 통해 potassium dinitramide(KDN)얻을 수 있다. 두 번째 반응 단계는 KDN과 ammonium sulfate를 반응하여 ADN을 얻어진다. 우리의 새로 개선된 공정은 GUDN으로부터 한단계로 ADN을 합성하는 것이다. 부산물의 양을 줄이고 잠재적으로 낮은 단가의 ADN 제조되는 순도가 개선된 간단한 공정은 ADN 사용을 지지하기 위해 결정적이다.

상용 CFD 프로그램 Flow-3d를 활용하여, 표면 장력 탱크 적용을 위한 메시 스크린의 모델링 및 추진제 배출 해석을 수행하였다. Flow-3d 내 거시적 다공성 매체 모델을 사용하였으며, $350{\times}2600$, $400{\times}3000$, $510{\times}3600$ DTW 메시 스크린에 대한 공극률, 모세관압, 항력계수를 스크린 모델에 대입 후, 기포점 측정 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하였으며, 메시 스크린 모델링의 적절성을 검증하였다. 이를 기반으로 스크린 모델을 포함한 PMD 구조체에 대한 추진제 배출 해석을 수행하였다. 추진제는 액상의 NTO를 가정하였으며, $3{\times}10^{-3}g$ 가속 조건에서 초기 유량을 만족하도록 void를 유입시켰다. 메시 스크린을 통한 차압은 초기 약 270 Pa에서 시간에 따라 증가하였으며, 스크린 모델의 예상 기포점과 유사한 630 Pa에 이르기까지 액상 추진제 배출을 지속하였다.

극초음속 비행체에서는 공기와의 마찰열과 엔진열의 증가로 기체 내부의 열적 부하가 발생한다. 이는 비행체 내부 구조물의 변형을 일으키고 오작동을 발생시킬 수 있다. 흡열연료는 액체 탄화수소 연료로써 흡열반응을 통해 열을 흡수할 수 있는 연료이다. 본 연구에서는 실제 반응조건과 비슷한 Packed bed flow reactor에서 Exo-tetrahydrodicyclopentadiene를 연료로 사용하여 촉매의 흡열량을 측정하는 방법에 대한 연구를 진행하였다.

제어밸브의 유량계수에 영향을 미치는 인자들을 파악하고 그 영향을 분석하였다. 제어밸브의 유량계수는 레이놀즈 수, 연결 배관의 형상과 표면 조도 등에 영향을 받는다. 따라서 유량계수를 상수로 취급할 수 없다. 그러므로 로켓엔진과 같이 정확한 유량계수를 요구하는 시스템에서 사용할 목적으로 제어밸브의 유량계수를 측정할 때는 실제 사용 환경과 유사한 레이놀즈 수 영역에서, 동일한 조도 및 형상을 가지는 입출구 배관을 사용하여 측정해야 한다.

본 연구에서는 내재적 이중시간 전진기법을 이용한 비정상 Navier-Stokes 코드를 개발하였다. 내재적 이중시간 전진기법은 가상시간에 대한 새로운 잔류항을 도입하는 개념으로 비정상 잔류항에 실시간 미분항을 더한 잔류항을 가상시간으로 푸는 기법이다. 비정상 코드 검증 방법으로 Stokes 2nd 문제인 '주기성 하모닉 진동을 하는 평판 위의 층류 유동'을 해석하였다. 계산된 속도분포와 마찰계수를 방정식 이론적 해와 비교한 결과 매우 근접한 수치해를 얻을 수 있었다.

본 연구에서는 수치해석을 이용하여 Scarfed Nozzle의 플룸의 형태와 유동 특성을 분석하였다. 일반적인 추진기관의 노즐과 다르게 Scarfed Nozzle을 가지는 경우 축대칭의 형상을 가지지 않기 때문에 3차원 해석을 진행 하였다. Scarfed Nozzle의 플룸의 형태를 분석하기 위해 Canted Nozzle의 해석결과와 비교를 하여 연구를 수행하였다.

본 논문은 발사체의 지상대기 및 운용 중 격실 내부의 열제어 및 화재/폭발 방지를 위해서 적용되는 열제어/화재안전계에 대한 설계 및 시험에 대해서 기술한다. 고려된 시스템은 한국형발사체 개발의 일환으로 진행되고 있는 시험발사체의 열제어/화재안전 시스템으로 이 시스템은 나로호의 경험을 토대로 고압 시스템을 적용한다. 고압 및 저압 시스템의 선정은 발사대의 가스공급 설비 및 발사체의 특성을 고려해서 선정하며 이에 따라 시스템의 구성도 달라진다. 결과적으로 개발된 시스템은 시험을 통해서 초기의 설계 조건을 만족하는 결과를 얻을 수 있음이 확인되었으며, 이러한 시스템은 한국형발사체의 개발에 그대로 확장되어 적용될 예정이다.

본 연구에서는 고공환경을 모사하는 축소형 상온 시험에서의 노즐 유동에 관한 수치적, 실험적 연구를 진행하였다. 이론 계산에서는 노즐 출구의 온도가 액화점보다 낮게 계산이 되어 유체가 상변화 지점에서 존재하게 된다. 또한 수치해석 결과 이론 계산보다 높지만 액화되는 온도보다는 낮았다. 실제 환경에서의 검증을 위하여 상온 시험을 한 결과 이론과 해석보다는 월등히 높은 온도로 확인되었다. 이는 이론 계산 시 단열이라고 가정을 하며 문제를 풀지만 실험은 단열이 아닌 외부와의 열 교환이 일어나게 된다. 결과적으로 상온 시험 할 때에 상변화 지점보다 높은 온도인 것을 확인하였다.

본 연구는 실물형 발사체 연소실에서 발생하는 연소불안정을 모사하여 검증하는 시험 설비의 개발을 위해 진행됐다. 연소불안정 모사시험설비 개발을 위해 3개의 인젝터를 일렬로 배치한 분리형 헤드 엔진을 설계/제작했으며, 예비운영을 통해 검증했다. 분리형 헤드에 대한 수류시험을 통해 차압에 따른 유량과 분무형태를 확인했으며, 실추진제 분무시험와 연소시험이 진행됐다. 10bar에서 예비운용시험을 진행하였으며, 연소 시험 결과 연소실 압력이 목표 압력에 비해 상당히 낮게 계측되었다. 이는 저압 시험이었기 때문으로 판단되며, 향후 고압 시험에서 해결될 것으로 예상된다.

열교환기 지상시험 설비의 내구성 확보를 위해 필수적인 냉각수 매니폴드에 대해 열/유동해석을 진행했으며, 분사기와 유로의 배열 등의 형상을 결정해 개발 중인 엔진의 헤드에 적용하였다. 제작된 엔진 헤드에 대한 검증시험이 진행됐으며, 엔진의 분사기면에 도포된 열차단코팅(TBC) 등에서 열적 손상이 확인되지 않았다. 연소시험 결과와 수치해석을 비교하면 냉각수 출구온도가 $15^{\circ}C$ 정도의 차이를 보이지만 냉각수 매니폴드 상부에 위치하는 액체산소 매니폴드, 열 차폐코팅, 화염면의 위치 등을 감안하면 합당한 수준으로 판단된다.

본 연구에서는 극초음속 추진기관을 위한 시험설비의 장치인 초음속 디퓨저 설계하였고, 두 가지 수축비를 변수로 선정하여 각각의 디퓨저를 수치해석 및 상온 시험을 진행하였다. 수치해석을 통하여 각각의 마하수와 압력에 대한 내부 유동을 확인하였다. 상온 시험을 통하여 진공챔버에 형성되는 압력과 벽면 압력을 통하여 내부에 형성되는 압력을 확인할 수 있었다. 상온 시험과 수치해석의 차이점을 분석하고, 향후 극초음속 추진기관을 위한 시험설비를 구축할 기초자료를 확보하였다.

액체산소의 유량을 측정하기 위해 두 가지 형태의 다공성 오리피스 미터를 제작하여 물을 이용하여 $C_d$를 측정하였다. 다공 오리피스 미터와 코리올리 미터를 직렬로 연결하고 액체산소를 흘려보내는 유동시험을 수행하여 물을 이용하여 구한 $C_d$를 이용하여 질량유량을 산출하였다. 코리올리 미터를 기준으로 할 때 A 형(1/2")의 경우 0.4%, B 형(3/4")의 경우 0.8% 이하의 오차를 확인하였다.

본 연구는 3종류의 점화제(BKNO3, THPP, ZPP)에 대한 노화 반응을 수행하였다. 점화제의 수명은 대기에 포함된 산소와 수분의 영향을 받는다. 예를 들면 $BKNO_3$의 경우 산소, 수분과 결합하여 산화물 또는 수산화물의 형태로 반응이 이루어진다. 이러한 반응은 점화 반응에 있어서는 좋지 않으며, 점화제의 노화 현상의 분석에 있어 매우 중요한 정보가 될 수 있다. 열역학 계산은 점화제의 초기온도, 조성 등으로써 화염온도를 계산하며, 그로써 노화 반응을 설명할 수 있다. 노화에 의해 점화제가 불완전 연소 되었다면, 화염온도는 완전 연소 되었을 경우보다 낮은 범위에서 형성될 것이다. 본 연구에 대한 결과가 점화제의 노화 반응 분석에 대한 뒷받침이 될 것으로 기대된다.

액체 로켓 엔진의 터보펌프를 구동하는 고압 초음속 충동형 터빈의 로터 블레이드에 3차원 설계 요소를 적용하여 성능을 개선하기 위한 연구를 진행하고 있다. 본 논문에서는 기존 설계된 터보펌프용 터빈의 로터 블레이드 형상을 바탕으로 로터 블레이드에 스윕(sweep)과 상반각(dihedral) 등과 같은 중첩선(stacking line) 변화를 통한 3차원 형상을 적용하고 CFD를 이용한 3차원 유동 해석을 수행한 후, 각각의 설계 요소에 대한 터빈성능 특성 변화를 면밀히 검토하고 그 결과를 정리하였다.

본 연구는 고체 추진기관에 적용되는 내열재를 기존의 autoclave 공법이 아닌 hot press molding을 포함한 B/D 성형공법으로 제작하는데 초점을 두고 있다. EPDM/kevlar를 기본 조성으로 내열재 원료가 구성된다. 우선 부츠 내열재는 금형을 사용하여 가황 상태로 제작한다. 연소관에 일체형 내열재로 성형하기 위하여 두 개의 내열재 사이에 테이프를 삽입하였고, bladder를 사용하여 압력과 온도를 상승시켜 제작하였다.

본 연구에는 핀틀 노즐의 열변형 영향을 평가하기 위해 단방향 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 단방향 유체-구조 연성해석을 위해 핀틀-노즐의 내부에 발생하는 압력 및 온도분포를 유동해석을 통해 도출하였고, 압력 및 온도분포 값을 각각의 유체-구조 해석의 하중조건으로 적용하여 핀틀의 변형량을 확인하였다. 변형에 대한 추력특성 변화를 확인하기 위해 양방향 유체-구조 연성해석을 수행 중이다.

2단계 압력 설정이 가능하도록 산화제 탱크용 벤트/릴리프밸브를 설계하였다. 압력 편차를 줄이기 위하여 최소 캐비티 부피를 계산하였고 모델링을 활용하여 밸브 작동 특성을 해석하였다. 해석 결과를 토대로 검증을 위한 시제품을 제작할 예정이다.

액체로켓엔진의 성능 검증을 위한 시험발사체의 발사가 준비되고 있다. 액체로켓엔진의 비행시험은 막대한 비용과 준비가 필요하고 계측채널의 제한이 있음으로, 발사준비과정의 검사와 비정상상황 파악을 위하여 최적의 계측 계획이 수립되어야 한다. 본 논문은 해외 액체로켓엔진 비행시험 계측관련 자료를 조사하였는데, 근래에 들어 모든 가능한 결함을 지상시험단계에서 확인하여 제거하고자 하는 경향에 따라 비행시험 횟수가 줄고 있고 이에 반하여 비행시험 시 엔진의 측정 항목이 크게 증가하고 높은 측정 정확성을 요구하고 있다. 본 논문은 향후 국내에서 수행될 시험발사체 준비 및 발사 작업에 참고가 될 수 있다.

액체로켓엔진 개발에서 엔진 짐벌링 시 산화제라인의 벨로우즈 극저온 단열 방법을 연구하였다. 극저온 산화제의 열단열과 엔진구성품의 고온으로부터의 열차폐는 엔진 추진성능과 효율에 중요하다. 엔진 짐벌링중 고압배관과 재순환라인(예냉라인)이 단열부위로 기존의 극저온 단열과는 차별화된 디자인과 소재가 필요하다. 엔진 짐벌링중에 벨로우즈의 극저온 단열재가 열단열과 열복사를 고려하여 새로운 디자인으로 마찰력과 작동반경을 고려하여 PTFE소재의 단열재가 적용된다. 향후 엔진 시험을 통하여(짐벌링과 TVC) 새로운 벨로우즈 단열재가 향상되고 디자인 변경이 요구된다.

1960년대 이후부터 하이드라진($N_2H_4$)은 로켓, 인공위성 또는 심우주 임무용 추진제로 사용되어 왔다. 하지만 하이드라진의 높은 독성과 운영비용으로 이온성 액체 추진제(ADM, HAN) 및 아산화질소 연료 혼합물(NOFB)과 같은 친환경 추진제에 대한 요구가 증가하고 있다. 아산화질소 연료 혼합물(NOFB)은 이원추진제가 갖는 높은 성능과 단일추진제의 단순한 공급시스템 장점을 모두 갖는 추진제로서, 적절한 취급방법과 설계가 적용된다면 전통적인 하이드라진 추진 시스템을 대체할 만한 추진제로 사용가능할 것이다.

3단 터빈배기부 구성은 터빈 플랜지, 열교환기, 배기덕트와 추력노즐로 이루어진다. 냉가스 가압 방식에 비하여 열교환기 가압 방식을 사용함으로서 추진제탱크 가압을 위한 헬륨가스 자체 무게와 저장 탱크 무게가 감소하는 장점이 있기 때문에 발사체에 열교환기를 사용한다. 가스발생기는 추진제 연료과농 조건에서 연소가 이루어지며, 연소가스 중에 그을음이 많이 포함되어 있기 때문에 열교환 효율이 감소하는 것을 고려하여 열교환기를 설계해야 한다. 본 논문에서는 터빈배기부 구성품 배치, 열교환기 내부 구조 및 제작성을 고려한 설계기법, 기 설계된 노즐 설계를 바탕으로 3단 터빈배기부 재 노즐 설계 형상에 대한 장점을 기술하였다.

고속 회전하는 로켓보조추진탄의 로켓 추진 유동특성을 수치해석적으로 연구하였다. 회전지상연소시험을 통해 연소실 내부 압력을 계측하였고 지상 조건, 작동 고도 조건, 기저부 압력 조건의 노즐압력비를 적용하여 수치해석을 수행하였다. 그리고 수치해석 결과를 등엔트로피 1차원 해와 지상회전시험 결과와 비교 하였다. 또한 동일 노즐압력비에서 유동의 회전 유/무에 따른 추력특성의 차이를 확인하였다.

터보펌프 인듀서에서 발생하는 캐비테이션은 시작점부터 점차 발달하여 임계점, 그리고 급격한 양정하락으로 이어지는 붕괴점의 체제로 진행된다. 본 연구에서는 터보펌프 인듀서에서 발생하는 캐비테이션 시작점에 대한 특성과 예측 경험식을 평가해 보았다. 타원 평판에서 캐비테이션 시작점의 경험식은 터보펌프 인듀서에서도 비교적 잘 예측하는 것으로 나타났다. 하지만, 선박용 프로펠러에서 사용되는 예측 경험식의 경우 터보펌프 인듀서에서는 큰 차이를 보였다. 이는 운전 영역에서의 레이놀즈수가 다르기 때문인 것으로 판단되었다.

한국형발사체의 설계안에는 산화제 배관의 geysering 현상과 펌프 입구의 cavitation 현상을 방지하기 위하여 발사대기 중 산화제인 액체산소를 과냉각 하여 공급하는 시나리오가 포함되어 있다. 이 조건을 75톤급 엔진 개발 시험 단계에서 검증하기 위해 엔진 연소시험설비에는 액체산소를 과냉각 할 수 있는 시스템이 적용되었다. 여기에는 진공 이젝터를 이용한 방법과 탱크 내 헬륨 분사를 통한 방법이 적용되었으며, 성능 평가를 위해 각각에 대한 과냉각 시험이 수행되었다. 두 시험에서 모두 약 17분간 시험이 진행되었으며, 탱크 50%수위 지점 기준 이젝터를 이용한 시험에서는 약 3.3K, 헬륨 분사를 이용한 시 험에서는 약 2.2K 의 과냉각 결과를 나타내었다.

액체로켓에서 엔진의 시동은 산화제와 연료를 연소기에 매우 짧은 시간의 차를 두고 주입하여야 하며, 이때 주입시간의 간격, 점화기 작동 지연 등은 방대한 량의 추진제 혼합물에 에너지를 인가함으로서 대형 폭발로 이어질 수 있는 상황이 된다. 그러므로 각 추진제의 천이특성과 연소기 또는 가스발생기의 유입 시점을 측정하는 것은 매우 중요하며, 상대적으로 느린 응답 특성을 갖는 정압으로는 유입 시점을 관측하기에는 어려움이 많으므로 추진제 유로를 따라 동압을 측정하여 보다 정확한 유입시점을 찾을 수 있었다.

본 논문에서는 액체로켓엔진 가스발생기 연소시험에서 서로 다른 동압 센서를 통해 측정한 동압 결과를 비교하였다. 열 충격에 의한 영향으로 서로 다른 방식 및 제조사의 센서는 시간에 따른 동압 차이가 발생함을 확인하였다. 하지만, 연소불안정 분석에 있어 중요한 인자인 특성주파수와 RMS 값에 있어서는 센서에 따른 차이가 미미함을 확인하였다.

액체로켓엔진용 산화제펌프의 캐비테이션 시험 중 입출구 배관과 펌프 케이싱에서 계측된 고주파 신호를 분석하였다. 각각의 데이터의 RMS 값을 캐비테이션 수에 따라 표현하였다. 회전수 동기 주파수와 날개 개수 성분, 캐비테이션 불안정성 주파수의 RMS를 계산하였다. 입구 배관의 압력섭동은 캐비테이션 불안정성의 영향을 받았다. 출구 배관의 경우 3x 성분이 탁월하였는데, 인듀서에서 발생한 3x 성분이 임펠러에서 증폭된 결과로 해석된다. 케이싱에 부착된 가속도계에서도 캐비테이션 불안정성에 해당하는 주파수가 확인되었다.

액체로켓엔진용 연료펌프의 캐비테이션 시험 중 입출구 배관과 펌프 케이싱에서 계측된 고주파 신호를 분석하였다. 각각의 데이터의 RMS 값을 캐비테이션 수에 따라 표현하였다. 측정 결과는 산화제펌프의 결과와 비교하였으며, 캐비테이션 불안정성의 영향도 검토하였다. 산화제펌프와 연료펌프 고주파 신호 사이에 유사성이 확인되었다. 또한, 캐비테이션 불안정성은 연료펌프 출구 배관 압력섭동에 영향을 주었다.

본 논문에서는 액체로켓엔진 개발과정에서 제기될 수 있는 주요 이슈에 대한 의사결정의 효율적 수단으로써 계층분석방법(AHP)에 주목하였으며, 액체로켓엔진의 추진제 선정 문제를 통하여 계층분석 방법의 유효성 및 적용가능성을 검토하였다.

무기체계 운용 방식으로 인해 추진기관의 노즐이 축방향과 일정한 각도를 갖게 될 경우 노즐 출구 형상이 전체 외형의 형상에 부합되도록 설계하기 위해서 절삭을 하게 되는 경우가 발생하게 된다. 이러한 절삭 노즐의 경우 비절삭 노즐에 비해 필연적으로 추력 손실이 발생하게 된다. 설계 단계에서 이러한 추력 손실을 모사하기 위해서는 유동해석을 통한 계산이 필요하며, 해석을 통해 계산한 추력 손실을 검증하기 위해 연소시험을 수행하였다. 절삭 노즐과 비절삭 노즐을 비교시험한 결과 유동해석을 통해 계산한 추력 손실은 약 16.6%이며 시험에서 도출된 추력 손실은 약 15.0%로 나타남을 확인하였다.

액체 로켓 엔진은 채택되는 사이클, 하드웨어 구성, 기능 구현상의 짐벌 타입 등에 의해 구성품 배치와 레이아웃의 라우팅이 결정된다. 본 논문에서는 액체로켓엔진에 장착되는 주요 구성품을 기준으로 구동을 담당하는 헬륨(He) 공급 공압라인, 각종 퍼지 공압라인, 주 점화라인 등의 주요 유공압 라인의 개념 라우팅을 수행하였다.

초기 추력을 증가시키기 위하여 넓은 초기 연소 면적을 가지는 고체 로켓 모타를 설계하고 지상연소 시험을 수행하였다. 그 결과 연소 거리에 따른 연소 면적 변화를 고려한 내탄도 성능 예측에 비하여 초기 압력과 추력이 낮게 측정되었다. 연소실 내부 유속과 연소 거리에 따른 연소 속도 변화를 검토한 결과 압력에 의하여 결정되는 연소 속도 대비 연소 속도가 감소하는 negative erosive burning이 발생함을 확인하였다. 또한 8개의 대칭형 fin 형상을 적용하여 radial mode의 연소 불안정이 발생함을 확인하였으며 fin의 배치를 변경하여 대칭성을 제거함에 따라 연소 불안정이 억제되었음을 확인하였다.

KSLV-II 가속모터는 한국형발사체에 사용하는 단분리모터의 한 종류이며 역추진모터와 동시에 작동하여 단분리를 수행한다. 가속모터의 목표 성능에 맞는 내탄도 설계, 추진제 조성 적용, 연소관 및 경사형 노즐 설계를 수행하였다. 연소관 및 노즐의 소재로 티타늄 합금을 적용하였으며 알루미늄이 다량 함유된 추진제에 대한 내열 성능 확보를 위한 노즐 내열재 소재를 선정하였다. 지상연소시험을 수행하여 KSLV-II 요구조건에 맞는 가속모터의 연소 성능을 확보하였다.

가스터빈 엔진 제어기는 과거의 유압기계식 조절기에서 유래하였고 1970년대의 DEEC를 거쳐 현대의 중앙집중식 FADEC에 이르고 있다. 제어성능의 향상, PHM 기술의 접목, 무게 절감의 목표를 달성하기 위해서는 분산엔진제어 시스템으로의 이행이 필요하다. 본 논문에서는 분산제어시스템의 개념 및 기술 발전 동향, 시스템의 성공적인 개발을 위한 정부-기업 간의 노력, 그리고 향후 극복해야 할 과제에 대하여 기술하였다.

화염 내 화학종의 공간적 분포는 화염의 구조 및 연소 특성을 이해하는데 중요한 지표가 되며, 그 계측을 위해 발광분광법 (Optical emission spectroscopy)은 간단하고 비침투적인 진단 방식으로 인해 널리 활용되고 있다. 본 연구에서는 측정 line-of-sight 방향의 공간 분해 계측 목적으로 개발된 발광분광기를 이용한 로켓 플룸 내 화학종 (OH radical) 분포 계측의 가능성을 제시하였다. 발광분광기의 측정 신호로부터 바닥 상태의 화학종 농도를 예측하기 위해 화염 내 열적 여기와 화학적 여기 기작을 고려하였으며, 열적으로 여기된 종에 대해서 열적 평형 상태를 가정하였다. 또한 발광분광기의 공간 분해 성능 및 공간에 따른 수광 특성을 보정하기 위한 방법론을 제시하였다.

SWASH형 시험선의 제어 시스템에 입력 값으로 사용되는 심도 값은 초음파 센서를 통해 측정한다. 선수부에 부착한 초음파 센서를 통해 수면과의 거리를 측정하여 시험선의 무게중심까지의 거리를 단순히 계산 할 수 있지만, 시험선의 자세와 초음파 센서로 측정한 값에 대한 기하학적 관계를 함께 적용해야만 시험선의 정확한 심도를 예측 할 수 있다. 본 연구에서는 초음파 센서와 시험선의 자세 값을 이용한 SWASH형 시험선의 심도를 보정해주는 방법을 소개한다.

본 연구에서는 하이브리드 로켓을 적용한 SWASH형 수중 운동체의 수중 추진 시험을 수행하였다. 연소실 내부로 물이 들어오지 않게 수밀구조를 적용하였으며, 이에 따른 점화 시퀀스를 설정하여 제어로직을 구성하였다. 시험 결과, 수중에서 안정적으로 점화가 일어난 것을 확인하였으며 구성된 제어 시퀀스를 따라 시스템이 잘 작동하는 것을 확인하였다.

발사체 엔진 시동 및 정지시 발생하는 압력 섭동 및 압력 강하에 대한 검토를 수행하였다. 특히 PSD(Pogo Suppression Device)이 존재하는 경우 엔진 시동 혹은 정지시 이에 대한 영향을 검토하기 위해 연구를 수행하였다. 해석을 수행하기 위해 상용 1D 해석 프로그램인 Flowmaster를 사용하여 추진제 탱크 및 PSD, 엔진을 모델링하였다. 해석 결과 PSD가 설치되어 있어도 엔진 시동 및 정지시 터보펌프 입구에서의 압력 강하 및 상승에 변화가 없음을 확인하였다. 단, PSD의 본래 목적에 맞게 배관에서의 높은 주파수 대역의 압력 섭동을 낮추는 효과를 확인하였다.

고고도용 로켓은 지상에서의 대기압에 비하여 매우 낮은 압력조건에서 작동한다. 따라서 고고도용 로켓 실험을 지상에서 구현하기 위해서는 충분히 낮은 압력환경을 조성해 주어야 한다. 이를 위한 고고도 모사용 실험설비 중 하나인 Center Body diffuser를 작동함에 있어서 Center Body의 위치가 진공도와 시동압력에 미치는 영향을 연구하기 위하여 ANSYS FLUENT를 통하여 수치해석을 진행하였다. 본 연구의 결과는 향후 고고도 모사용 Center Body Diffuser를 운용하는데 있어서 실질적인 Data Base로써 가치가 있다고 판단된다.

발사체는 여러 부품이 모여 하나의 시스템으로 만들어진다. 여러 조직에서 개발되는 여러 부품을 하나의 시스템으로 만들기 위해서는 특정 시점에 모든 설계의 확정이 필요하다. 설계 확정 이후 변경은 통제된 절차 속에서 변경의 영향을 분석하고, 변경을 할지 말지 결정을 하고, 변경이 의도된 대로 잘 실시되었는지 확인하는 과정이 필요하다. 한국형발사체 개발과정에도 위와 같은 방식으로 구현된 형상 관리 절차를 적용하고 있다. CAD툴과 PLM을 연계하여 3D모델과 2D도면, 형상식별문서에 대해서 형상관리를 시행하고 있다.

한국형발사체 및 시험발사체에 대한 지상 운용을 위해서는 우주센터 종합조립동 내에 여러 가지 지상지원장비가 필요하다. 여러 가지 지상지원장비 중 발사체 접속장치와 고압유연배관은 지상의 고압가스 공급장비와 발사체 사이에 고압배관 연결을 위해 필수적인 장비이다. 본 논문에서는 고압가스 연결을 위해 필요한 발사체 접속장치와 고압유연배관에 대한 개요와 개발 진행 상황에 대해 소개하고자 한다.

본 연구에서는 루츠 펌프와 스크류 펌프를 이용한 진공 펌프 시스템을 이용해, 1 kg/s의 공기가 공급되는 시험장치에서 챔버 내의 압력을 2500 Pa로 유지할 수 있는 고도모의 시험장치를 설계하였다. 설계를 위해, 저유량의 공기 공급 조건에서, 소정의 펌프 조합을 이용해 실험을 수행하였다. 이를 통해, 1 kg/s급의 유량이 공급되는 시험장치를 위해서는 11대의 루츠 펌프와 33대의 스크류 펌프가 필요하다는 것을 확인할 수 있었다. 실험 결과를 이론 예측 결과와 비교하였다. 하지만, 이론적으로 예측한 흡입 유량은 실험 결과보다 20 %에 가깝게 많게 나왔다. 이는 조합 실험시, 루츠 펌프 전후단에 걸리는 차압이 높아서 발생한 것으로 여겨진다. 따라서 앞에서 제시한 것보다 더 많은 스크류 펌프를 설치할 경우, 보다 높은 진공도를가지는 시스템의 구축이 가능해질 것으로 판단된다.

본 논문에서는 재생냉각형 연소기를 채용한 가스발생기 사이클 로켓엔진의 연소시험 중 연소기의 내피 손상을 진단하는 방안을 제시하였다. 이는 연소기 내피 손상 발생 시 연료가 유실되면서 두가지 방식의 연소기 연료유입량 예측값 차이에 변화가 발생하는 것에 착안한 방법으로 로켓엔진 시험 중 연소기 내피손상을 조기에 파악하여 추가 손상 방지에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

체계적인 한국형발사체 엔진시스템 개발을 위하여 꼭 필요한 문서들의 관리를 위한 엔진시스템개발 문서관리시스템(Engine System Development Document management system, 이하 ESDD)을 구축한 후, 현재 1번의 시스템 업그레이드를 통하여 ESDD 2.0을 운영 중에 있다. 이에 더하여 엔진시스템 개발시험 전후의 관련 문서들을 통합하여 관리하기 위하여 ESDD 3.0 개발을 진행하고 있다. 따라서 본 논문에서는 엔진시험로그북, 엔진시험일정/평가표 등이 포함된 ESDD 3.0의 구축개념 및 방향에 대하여 간략하게 서술하고자 한다.

한국형발사체(KSLV-II) PSD 시스템에 있는 DR 구형 용기의 산화제 가압을 위해서는 극저온 헬륨가스를 사용하고 추진제인 산화제로는 액체 산소를 사용한다. 가압제 용기는 산화제인 액체산소 탱크 내부에 설치되어 있어 가압제가 초저온 상태로 저장되고 산화제는 산화제 탱크에 저장된다. 본 연구에서는 한국형발사체에 적용되는 PSD 산화제 배출밸브에 대한 성능시험을 고찰하였다.

본 연구에서는 이종추진제를 적용한 이중추력형 고체 추진기관의 내탄도 해석 이론을 정립하였고 이 이론을 바탕으로 내탄도 해석 모델을 개발하였다. 이종추진제를 적용한 이중추력형 고체 추진기관의 내탄도 해석은 임의의 값의 이종추진제를 적용하여 수행하였고 그 결과를 분석하였다. 이를 통해 본 해석 모델이 이종추진제를 적용한 이중추력형 고체 추진기관의 내탄도 해석에 적용 가능성을 확인하였다.

한국형발사체 추진기관 개발을 위한 추진기관시스템 시험설비(PSTC)가 나로우주센터에 구축되었다. 한국형발사체는 산화제로 액화산소를 사용하며, 추진기관시스템 시험설비에서는 한국형발사체로 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급 알고리즘을 개발하고 있다. 본 논문에서는 개발 중인 산화제 공급 알고리즘에 대해 소개하였다.

우주발사체는 각 단별 추진기관 시스템에 대한 검증이 필요하다. 한국형발사체 추진기관 개발을 위한 추진기관시스템 시험설비(PSTC)가 나로우주센터에 구축되었다. 추진기관시스템 시험설비의 유공압 시스템은 시험대상체의 요구조건에 맞게 추진제 및 각종 가스를 공급하는 역할을 한다. 본 논문에서는 구축된 추진기관시스템 시험설비의 산화제 공급시스템을 소개하였다.

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.

본 논문은 엔진 시험시 엔진의 후단에 설치되어 엔진 내부의 상태를 감시하는 영상장치의 내열 특성에 관한 것으로, 엔진 시험설비에 사용되는 영상프로브 소개 및 개발에 관한 내용을 담고 있다. 엔진 후단의 영상장치는 고온고압 환경에 노출되어 있어서 장치형상 변경 및 냉각수 공급으로 장치의 안정성을 확보해야 한다. 국방과학연구소의 엔진 시험 장치의 후단에 영상프로브가 설치되어 있으며, 내열특성을 반영하여 설계하여 장치의 안정성을 확보하였다.

쿼드-틸트프롭(QTP) 무인기의 직렬-하이브리드 방식 동력시스템을 설계하고 특성을 분석하였다. 동력시스템은 4.5kW급 로터리엔진-발전기 장치를 기본으로 리튬-배터리를 동력원으로 사용하며, 동력제어기가 비행체가 필요로 하는 전체적인 동력을 제어하고 공급한다. 엔진의 출력은 발전기 구동 및 발전 효율과 배터리의 충전과 방전에 따른 손실을 고려하여 발전기 성능과 매칭된다. 배터리에 저장된 에너지와 통합 제어해서 전체적인 연료소모율을 최소화하도록 엔진-발전기의 정속(Constant Speed) 운용개념이 적용되며, 결과적으로 배터리의 용량과 특성, 그리고 충전과 방전 사이클이 효율 향상에 중요한 요소로 작용할 수 있다.

추진기관 시스템 시험설비 (PSTC)는 한국형발사체 (KSLV-II)의 추진기관 시스템을 검증하기 위해 고안되었다. 구성요소로는 유공압 시스템, 테스트 스탠드 시스템, 제어계측 시스템, 후류안전시스템이 있으며 본 논문에서는 유공압 시스템의 연료공급 시스템에 대해서 소개하고 있다. 연료 공급 시스템은 연료의 저장 및 냉각, 공급 배관의 냉각 및 퍼지, 연료의 충전 및 회수를 수행하는 시스템을 의미하며 한국형발사체 1/2/3단의 연료충전 조건을 고려하여 설계하였다.

한국형발사체 각 단 추진기관시스템의 성능 검증을 위해 나로우주센터에 추진기관시스템 시험설비(PSTC, Propulsion System Test Complex)가 구축되었다. 본 논문은 PSTC 지상설비와 발사체 운용 및 제어를 위해 개발된 통합제어시스템(MCS, Main Control System)의 설계, 개발 현황, 시운전 결과에 관한 내용이다. MCS는 시험대상체와 지상시스템의 인터페이스에 활용될 예정이며, 시험책임자에 의한 시험운용 및 시퀀스 처리를 수행하게 된다. 또한 시험책임자 모의시험운용에도 활용될 예정이다.