평형상수를 이용한 액체로켓 추진제의 화학반응 수치연구

장요한(Yo Han Jang),이균호(Kyun Ho Lee) 한국항공우주학회 2016 韓國航空宇宙學會誌 Vol.44 No.4

액체로켓 추진시스템은 액체 추진제와 액체 산화제의 화학반응을 통해 추력을 발생하는 방식으로써 우주발사체 및 인공위성을 포함한 우주비행체에 광범위하게 적용되고 있다. 일반적으로 사용되는 액체로켓 추진제로는 모노메틸하이드라진/사산화이질소, 액체수소/액체산소 및 RP-1/액체산소 조합 등이 있다. 본 연구의 목적은 액체로켓 추진제의 열화학적 반응을 수치적으로 분석함으로써, 이를 통해 궁극적으로 액체로켓엔진의 설계와 성능에 필요한 유용한 정보를 예측하고자 하는 데 있다. 이를 위해 앞서 언급한 3가지 조합의 연료와 산화제에 대하여 연소반응 후 화학평형상태에 도달했을 때 주요 요소평형반응들의 평형상수 값들을 이용해 최종 생성물의 성분과 화학조성을 계산하였고 그 결과를 이용해 단열화염온도와 로켓성능변수인 비추력을 예측하는 연구를 진행하였다. Liquid rocket propulsion is a system that produces required thrust for satellites and space launch vehicles by using chemical reactions of a liquid fuel and a liquid oxidizer. Monomethylhydrazine/dinitrogen tetroxide, liquid hydrogen/liquid oxygen and RP-1/liquid oxygen are typical combinations of liquid propellants commonly used for the liquid rocket propulsion system. The objective of the present study is to investigate useful design and performance data of liquid rocket engine by conducting a numerical analysis of thermochemical reactions of liquid rocket propellants. For this, final products and chemical compositions of three liquid propellant combinations are calculated using equilibrium constants of major elementary equilibrium reactions when reactants remain in chemical equilibrium state after combustion process. In addition, flame temperature and specific impulse are estimated.

전 세계 발사체 액체로켓엔진 기술개발 현황

한상엽 한국항공우주연구원 2012 항공우주산업기술동향 Vol.10 No.1

본 보고서는 미국, 러시아, 유럽, 일본 및 중국을 비롯한 전 세계 발사체 및 로켓 관련 기술을 개발/연구하고 있는 국가의 상용 또는 시험용, 연구용의 액체로켓엔진 개발기술에 관련된 정보를 수집 및 분석하는 것에 그 목적이 있다. 전 세계적으로 현재까지 약 900종 이상의 액체로켓엔진이 시험되고 개발/연구되어 왔다. 그 중 일부는 미국의 SSME 액체로켓엔진 및 러시아의 RD-107/RD-108 액체로켓엔진과 같이 상용으로 현재 위성 및 우주인 발사체에 투입되어 사용되고 있다. 본 보고서에 분석 정리된 액체로켓엔진은 케로신, 액체수소, 저장성 연료등을 연료로 사용하고 액체산소 등을 산화제로 사용하는 엔진들이며, 고체추진제를 사용하는 모터는 제외되어 있다. 특히 본 보고서에는 현재까지 국내에서 연구/개발되어 온 국내의 액체로켓엔진에 대한 개발기술도 포함하고 있다. The main purpose of this report is to acquire and analyze the information related to the development technology of liquid-propellant rocket engine(LRE) for commercial, experimental, or research purpose of world-wide nations such as U.S.A., Russia, Europe, Japan, and China which have been developing and studying the technology related to launch vehicles and rockets. Up to now more than nine-hundreds(900) of LRE's have been studied and developed world-wide. Among them, some engines such as SSME of U.S.A. and RD-107/RD-108 LRE's of Russia have been actively used for satellite launch vehicles and human space travel commercially. LRE's dealt in this report are using kerosene, liquid hydrogen, storable fuel, etc. as a fuel and liquid oxygen, etc. as an oxidizer. Rocket motors with solid propellants are excluded. Especially this report also includes the development technology of domestic LRE's.

우주발사체 공학교육 소재로써의 물로켓

최정열,김재열 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

물로켓은 가압식 불연 단일추진제 액체 로켓으로서 연소와 가스 팽창과정을 제외한 액체 로켓 및 우주발사체의 모든 과학적/공학적 원리를 포함하고 있다. 그러나 초등학교 물리 교육의 교보재로써 주로 활용될 뿐, 대학 수준의 공학교육을 위하여 이용되거나 연구된 사례는 드물다. 본 논문에서는 발사체 공학교육의 관점에서 물로켓의 특징과 국내외 동향을 소개하였다. 또한 물로켓에서 관찰할 수 있는 액체 로켓 추진기관의 물리 및 열/유체역학적 특징과 물로켓에 적용되는 액체 로켓 추진 원리를 소개하고 발사체의 설계와 제작 과정에서 발생하는 공학적 문제를 물로켓의 경우에서 살펴보았다. 마지막으로 물로켓을 우주교육 프로그램으로 활용하기 위한 경연 대회 방법을 제시하였다. Water rocket is a kind of pressure-fed non-reacting mono-propellant liquid engine, which has the same principles as liquid rocket that is used for launch-vehicle engine except that there is no combustion. However, it has been used only for physical teaching material of teenagers and has been dealt with rarely as an undergraduate-education subject or an object of scientific study. In this article, we introduced some characteristics of the rocket from the perspective of launch vehicle engineering and world trends. It is discussed that physics and thermofluids features of water rocket, propulsion theory and engineering problems which we encounter in design and production process. Lastly, we presented advanced water rocket competition rules.

중국의 연구 사례를 통한 개방형 액체로켓엔진의 고장진단 기법 분석

이계림(Kyelim Lee),차지형(Jihyoung Cha),고상호(Sangho Ko) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

본 논문은 액체로켓엔진의 건전성 감시 및 관리기법에 대한 연구 동향을 소개한다. 이를 위하여 실제 액체로켓엔진에 연구 및 적용되었던 고장진단 알고리즘을 조사하였다. 특히 한국형발사체(Korea Space Launch Vehicle Ⅱ, KSLV-Ⅱ)에 적용하기 위해 한국형발사체 로켓엔진과 같은 구조인 개방형 액체로켓엔진에 적용된 알고리즘을 조사하였다. 이러한 과정을 통해 적용된 사례들의 특징을 따로 세분화하고, 한국형발사체 로켓엔진과 비슷한 중국의 개방형 액체로켓엔진들의 고장진단 기법 특징들을 분석하였다. 나아가 2019년에 발사를 목표로 하는 한국형발사체에 적용시키기 위해 고려해야 할 사항에 대하여 토론하고자 한다. This paper deals with a survey on the recent research activities regarding health monitoring and management for liquid rocket engines. For this, we investigate the precedent techniques applied to Liquid Rocket Engine(LRE) developed. Particularly, we focus on open-cycle LRE to apply to KSLV-Ⅱ (Korea Space Launch Vehicle Ⅱ). Through this work, we subdivide health monitoring algorithms and analyze fault detection and diagnosis algorithm developed in china, since china researched open-cycle liquid rocket engine which have same cycle with KSLV-Ⅱ rocket engine. Then, we discuss some important points to be considered to the development of the KSLV-Ⅱ.

액체로켓엔진 연소시험설비 예비설계

김승한(Seung-Han Kim),한영민(Yeoung-Min Han) 한국추진공학회 2011 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2011 No.11

본 논문은 액체산소와 케로신을 추진제로 하는 액체로켓엔진의 성능평가를 위한 엔진 지상 연소시험설비 예비설계 결과를 기술하였다. 엔진 지상 연소시험설비의 설계 요구조건에 기반한 설계 규격 및 설비 구성을 제시하였다. 엔진 지상 연소시험설비 예비설계 결과는 향후 한국형발사체 75톤급 엔진 지상 연소시험설비의 상세설계 및 구축을 위한 기본 자료로 활용될 예정이다. This paper describes the results of preliminary design of rocket engine test facility for the performance evaluation of liquid rocket engine. Design specification and composition of rocket engine test facility are suggested based on the design requirements. The results of the preliminary design of rocket engine test facility will be used as base data for the detail design and construction of rocket engine ground test facility of KSLV-II 75tonf liquid rocket engine.

고속 주행을 위한 수중용 로켓추진기관 개발

권민찬(Minchan Kwon),유영준(Youngjoon Yoo),허준영(Junyoung Heo),황희성(Heeseong Hwang) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.12

수중운용 체계를 위한 로켓추진기관 개발에 대해 기술하였다. 추력조절이 가능한 LP(Liquid Propellant rocket)형 추진기관 및 HR(Hybrid Rocket)형 추진기관을 선정하여 시스템으로의 적용 가능성을 확인하였다. 축소형 액체로켓연소기 및 이동형 시험대를 개발하여 적용 가능성을 검토하였으며, 수상체계 적용을 위한 추력 1.5톤급 및 추력 1.8톤급 하이브리드 로켓 추진기관을 개발하였다. 시험결과 1.8-톤급 하이브리드 로켓이 수상운용을 위한 추진기관 요구 성능 및 수중 주행 안정성 목표를 성공적으로 달성하였다. The development of rocket propulsion system for underwater application was described. Throttle able LP(Liquid Propellant rocket) and HR(Hybrid Rocket) propulsion system were selected as a candidate of underwater propulsion system. The subscale liquid rocket chamber and it’s portable combustion stand were developed and the applicability was examined. The 1.5-ton.f and 1.8-ton.f Hybrid rockets were developed for underwater application. The test results have revealed that the 18-ton.f hybrid rocket fully complies to the performance, underwater cruise stability requirements and thus concluded that the development is successfully complete.

가압식 불연 단일 추진제 액체 로켓을 이용한 2단 로켓 설계

김정민,김재열,이주용,최정열 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

물로켓의 성능 해석을 간단하게 수행할 수 있는 정상상태 추진 성능 모델을 제시하였다. 정상상태 모델은 단열과정 가정 및 액체 추진제 배출 전 초기압력과 최종 압력의 기하 평균을 이용하였으며, 비정상 상태 해석과 비교하여 충분한 정확도를 가지는 것으로 판단된다. 이를 바탕으로 다단 로켓의 원리에 기반 하여 최고 고도를 얻기 위한 무게 배분 조건을 찾기 위한 2단 물로켓의 비행 성능을 해석하였다. A steady-state model is suggested for the simplified propulsion analysis of a water rocket. The steady-state model includes the adiabatic process and the geometric averaged pressure of the initial and final state, which gives reasonably accurate solutions compared with the unsteady model. The analysis of the flight performance of the two-stage water rocket is carried to get the optimal mass distribution for maximum altitude based the multi-stage rocket theory.

물로켓의 열역학과 추진 성능

김영식(Young-Sik Kim),엄재령(Jae-Ryeong Um),손종운(Jong-Woon Son),김지환(Ji-Hwan Kim),민병훈(Byeong-Hoon Min),최정열(Jeong-Yeol Choi) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.5

물로켓은 추진제의 연소를 제외하면 액체 로켓 엔진의 원리와 기본적으로 동일하다. 따라서 물로켓은 열-유체역학 지식을 활용하여 추진성능을 학습할 수 있는 좋은 사례로 여겨지지만 이에 대한 체계적인 자료는 거의 없는 상황이다. 본 연구에서는 등엔트로피 팽창과 베르누이 법칙을 이용하여 물로켓의 추진 성능을 이론적으로 정리하였으며, 이를 바탕으로 물로켓의 추진성능 해석을 수행하여 비행 고도를 극대화 할 수 있는 설계 조건을 추적하였다. Water rocket is governed by the same fundamental principle with the liquid rocket engine(LRE) except the propellant combustion. It is considered as an good example to study the propulsion performance of LRE at undergraduate level based on the knowledge of thermo- and fluid-dynamics, though such an example is rarely found. Present paper summarize the theoretical background of the water rocket propulsion performance by the isentropic expansion and Bernoulli’s equation. On this foundation, a propulsion performance analysis is carried to find a design parameters to maximize the reachable altitude by the water rocket.

중국의 연구 사례를 통한 개방형 액체로켓엔진의 고장진단 동향 분석

이계림,차지형,고상호 항공우주시스템공학회 2017 항공우주시스템공학회지 Vol.11 No.3

This paper examines a survey on recent research regarding health monitoring and management for liquid rocket engines (LRE). For this, we investigated precedent techniques applied to LRE development. Particularly, we focused on open-cycle LRE to apply to KSLV-Ⅱ (Korea Space Launch Vehicle Ⅱ). Through this study, we subdivided health monitoring algorithms and analyzed fault detection and diagnosis algorithm developed in China, since China researched open-cycle LRE that have the same cycle as KSLV-Ⅱ rocket engines. We discuss significant points to be considered regarding development of the KSLV-Ⅱ. 본 논문은 액체로켓엔진의 건전성 감시 및 관리기법에 대한 연구 동향을 소개한다. 이를 위하여 실제액체로켓엔진에 연구 및 적용되었던 고장진단 알고리즘을 조사하였다. 특히 한국형발사체(Korea Space Launch Vehicle Ⅱ, KSLV-Ⅱ)에 적용하기 위해 한국형발사체 로켓엔진과 같은 구조인 개방형 액체로켓엔진에 적용된 알고리즘을 조사하였다. 이러한 과정을 통해 적용된 사례들의 특징을 따로 세분화하고, 한국형발사체 로켓엔진과 비슷한 중국의 개방형 액체로켓엔진들의 고장진단 기법 특징들을 분석하였다. 나아가 2019년에 발사를 목표로 하는 한국형발사체에 적용시키기 위해 고려해야 할 사항에 대하여 토론하고자 한다.

충남대학교 차세대 로켓엔진 시스템 기술 연구 현황

장지훈(Jeehun Jang),전준수(Junsu Jeon),김태완(Taewoan Kim),고영성(Youngsung Ko),김선진(Sunjin Kim) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.5

충남대학교 액체로켓실험실에서는 차세대 우주발사체 추진시스템의 국내 독자적 개발 능력 구축을 목표로 차세대 추진 시스템의 소요 임무를 분석하고, 과산화수소 및 메탄의 새로운 친환경 추진제를 이용한 이원 추진 시스템의 적용 특성을 분석한 후 각각의 추진제 조합에 따른 축소형 로켓엔진의 개발 기술을 단계적으로 획득하고 있다. 이를 통하여 향후 국내에서 소요임무별로 새롭게 요구되는 차세대 실물형 로켓엔진(연소기) 개발에 직접 활용될 수 있는 설계/제작/시험 기술을 확보하고자 한다. To acquire indigenous development abilities of a future space launcher, bi-propellant liquid rocket engines using environmentally clean propellants such as hydrogen peroxide and methane have been developed by Chungnam national university. The necessary development technologies for the future liquid rocket engines were defined and have been acquired step-by-step in advance by sub-scale liquid rocket engines. Core techniques of design/manufacture/experiments to develop a future prototype liquid rocket engine will be obtained by this study.