예비설계 단계 우주발사체의 공급/추진계 모델을 이용한 포고 불안정성 예측

이상구,심지수,신상준,서용준,안성준,송희성,김유단 한국추진공학회 2017 한국추진공학회지 Vol.21 No.6

The longitudinal dynamic instability which can occur in the fueling process of a space launch vehicle is called pogo. It is caused by coupling between the fuselage and propulsion system and they would be formed as a closed-loop system. so that the amplitude of the response may increase or decrease. In this paper, a mathematical model which is applicable to the systematic pogo analysis of a general launch vehicle is developed for an example of space shuttle. The formulations are composed of the linearized second-order differential equation for the propulsion system, and of the pressure, weight displacement, and generalized displacement. Those are important parameters for pogo analysis, are derived through eigenvalue analysis. By the formulation suggested in this paper, it is expected that mathematical modeling method of the pogo system can be obtained and systematic pogo stability analysis for any launch vehicle will be enabled. 액체추진제를 사용하는 우주 발사체의 추진제 공급 과정에서 발생할 수 있는 축방향 동적 불안정성 현상을 포고라 한다. 일반적으로 포고는 발사체의 동체와 공급/추진계의 공진에 의하여 발생하고, 동체 구조 및 추진 시스템이 닫힌계를 이루게 되어 응답의 진폭이 증가하였다가 감소하는 현상을 보인다. 본 논문에서는 우주왕복선을 예시로 일반적인 발사체의 체계적인 포고 해석이 가능한 수학적 모델을 개발하였다. 정식화된 수식은 발사체 공급/추진계를 2차 선형 미분 방정식 형태로 구성하고, 포고해석에 중요한 세 변수인 압력, 중량변위, 일반화된 변위를 고유치해석을 통해 도출한다. 본 논문의 정식화를 통해 발사체 포고 시스템의 수학적 모델링 기법을 획득할 수 있고, 임의의 발사체에 대하여 체계적인 포고 안정성 해석이 가능할 것으로 예측된다.

초기 설계 단계 우주 발사체의 포고 현상 예측을 위한 시스템 구성과 안정성 해석

심지수(JiSoo Sim),이상구(SangGu Lee),신상준(SangJoon Shin),서용준(Yongjun Seo),안성준(Sungjun Ann),송희성(Huiseong Song),김유단(Youdan Kim) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.12

우주 발사체에서 발생하는 다양한 다분야 연계 문제 중 하나인 축방향 동적 불안정성 현상인 포고현상에 관한 연구를 수행하였다. 구조, 공급계, 추진 시스템의 연성에 의한 현상으로 구조 시스템과 추진 시스템이 닫힌계 시스템을 구성하여 전체 반응이 증폭하는 불안정성이 나타난다. 우주 발사체 개발에서 포고 현상에 대한 예측과 억제는 필수적이다. 따라서 포고 현상의 시스템 구성과 이를 해석하기 위한 방법에 대한 연구를 진행하였으며 이를 위하여 우주왕복선의 사례와 연구 방법을 참고하여 검증, 발전시키고자 하였다. This research is about pogo phenomenon which is one of the problems in the space launch vehicle caused by coupling within various disciplines. This phenomenon is a coupling of structure, feedlines, and propulsion system regarding the coincidence of the natural frequencies. Then, the system becomes closed-loop composed of the structural and propulsion system. In order to predict of the relevant pogo instability, an example of the space shuttle is analyzed.

포고핀을 활용한 극초소형 위성용 태양전지판 분리장치의 기능검증

김수현,전영현,김홍래,오현웅 항공우주시스템공학회 2018 항공우주시스템공학회지 Vol.12 No.5

In this study, we proposed a nylon wire cutting-type solar panel separation mechanism for CubeSat applications using spring-loaded pogo-pins, which has been widely used as temporary electrical interface between two separate electronics. The mechanism proposed in this study has great advantages of higher holding capability, ability to constrain along in-plane and out-of-plane directions of solar panels, simplicity in tightening of nylon wire and synchronous separation of multiple panels. In addition, the pogo-pins used for the proposed mechanism act as electrical power interface, separation status switch and separation spring. In this study, the functionality of the proposed mechanism was validated through the separation tests with various number of nylon wire windings. 본 논문에서는 전기 접속부 역할을 하는 포고핀을 활용한 극초소형 위성용 나일론선 절단방식 태양전지판 분리장치를 제안하였다. 제안된 분리장치는 종래 나일론선을 이용한 분리장치에 비해 높은 체결력 및 횡/종방향 동시구속이 가능하고, 체결작업이 용이하며, 또한 다수의 태양전지판의 동시분리가 가능한 장점을 갖는다. 또한 제안된 분리장치에 적용된 포고핀은 전력공급을 위한 전기 접속부 기능과 함께 전개상태 스위치 및 태양전지판의 분리 스프링 역할이 동시에 가능하다. 본 논문에서는 제안된 포고핀 분리장치의 기능성 입증을 위해 체결횟수에 따른 분리 기능시험을 통해 기능성을 검증하였다.

우주 발사체의 포고현상 예측을 위한 공급/추진계의 파이프 압력모드 해석 기법 제안

이상구(SangGu Lee),이시훈(SiHun Lee),신상준(SangJoon Shin) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

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. Among the factors considered in the design stage of a space launch vehicle using liquid propellant, research has been focused out on the pogo phenomenon, longitudinal dynamic instability. The pogo phenomenon refers to the instability that the longitudinal vibration of the launch vehicle structure causes a change in the pressure and flow rate of the fluids in propulsion system, and this change re-excites the fuselage structure. This mechanism constitutes a closed system to gradually increase the vibration of the launch vehicle. This paper specifically focuses on the dynamic analysis of pressure and flow changes in the propulsion system. Based on the example study of the space shuttle, the acoustic modal analysis of the propulsion system is performed to predict the modes of the supply line causing instability of the fuselage.

다목적함수 최적화 기법을 이용한 우주발사체의 포고억제기 설계

윤남경(NamKyung Yoon),유정욱(JeongUk Yoo),박국진(KookJin Park),신상준(SangJoon Shin) 한국추진공학회 2021 한국추진공학회지 Vol.25 No.1

POGO is a dynamic axial instability phenomenon that occurs in liquid-propelled rockets. As the natural frequencies of the fuselage and those of the propellant supply system become closer, the entire system will become unstable. To predict POGO, the propellant (oxidant and fuel) tank in the first stage is modeled as a shell element, and the remaining components, the engine and the upper part, are modeled as mass-spring, and structural analysis is performed. The transmission line model is used to predict the pressure and flow perturbation of the propellant supply system. In this paper, the closed-loop transfer function is constructed by integrating the fuselage structure and fluid modeling as described above. The pogo suppressor consists of a branch pipe and an accumulator that absorbs pressure fluctuations in a passive manner and is located in the middle of the propellant supply system. The design parameters for its design optimization to suppress the decay phenomenon are set as the diameter, length of the branch pipe, and accumulator. Multiple-objective function optimization is performed by setting the energy minimization of the closed loop transfer function in terms of to the mass of the pogo suppressor and that of the propellant as the objective function.

면우(면宇) 곽종석(郭鍾錫)의 학문(學問)과 사상(思想)(1) : 1896년 곽종석(郭鍾錫)의 포고천하문(布告天下文) 발송 경위

서동일 ( Dong Il Seo ) 경상대학교 남명학연구소 2009 남명학연구 Vol.27 No.-

액체로켓 기체공급계의 추진제 진동특성 및 제어기술 동향

조남경(Namkyung Cho),고현석(Hyunseok Kho),한상엽(Sangyeop Han),조인현(Inhyun Cho) 한국추진공학회 2010 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.5

액체로켓 기체공급계는 추진제를 요구되는 유량, 온도, 압력으로 엔진에 공급하여야 한다. 이를 위한 정상상태의 공급특성은 기존의 열역학 및 열전달, 유체역학 이론을 적용하여 해석하며 방법론이 잘 정립되어 있다. 발사체의 비행 중에 발생하는 탱크와 공급배관에서의 추진제의 진동은 정상상태의 공급 특성을 변하게 하며 추진제공급 요구조건을 만족시키지 못하게 한다. 이러한 진동을 발생시키는 것으로서 발사체의 가속도로 인한 슬로싱 및 엔진의 추력섭동에 의해 배관 내 추진제가 진동하는 포고 불안정이 있다. 포고와 슬로싱에 의한 발사체 제어와 구조측면에서 미치는 영향에 대해서는 기존에 많은 연구가 있으나 추진제 공급특성에 미치는 영향에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 추진제의 진동이 엔진으로의 추진제 공급에 미치는 영향을 기존 자료를 이용하여 살펴보고 진동을 제어하기 위한 기구를 살펴본다. Fuselage propellant feeding system should supply propellants to engine with required flow rate, temperature and pressure. Propellant vibration in engine and feeding line changes feeding characteristics, and frequently inhibits to satisfy the required feeding requirements. Sloshing and POGO vibration are known to be the major vibration phenomena. Concerning sloshing and POGO, vehicle control and structural dynamics aspects are extensively studied, whereas, its effect on propellant feeding performance is not clearly understood. This paper focuses on the deviation of required feeding performance due to propellant vibration. Overall characteristics of propellant vibration and its effect on propellant supply to engine are reviewed and control mechanism for suppressing vibration is introduced.

POGO와 PSD의 소개

고광웅(Kwang Uoong Koh),이한주(Han Ju Lee),정동운(Dong Woon Jeong),이상용(Sang Yong Lee) 한국추진공학회 2003 한국추진공학회지 Vol.7 No.4

포고억제장치(PSD) 동특성 모델링에 관한 연구

이준경(Jun Kyoung Lee) 한국추진공학회 2007 한국추진공학회지 Vol.11 No.5

The effectiveness of a pogo suppression device (PSD) on the response of piping system simulating the propellant supply lines of the rocket engines was investigated experimentally by other researchers. In this study, the simplified analytical model was made, and the key parameters which are difficult to derive theoretically were identified in combination with the previous experimental work. In other words, the flow transient equations for a PSD system and the key parameters used to decide the instability of the system from the linearized transfer function including inertance, compliance, and resistance were derived. From the analysis, the values of key parameters could be determined from the experimental results.

포고억제장치 설치에 따른 배관계 동특성 변화

이한주(Han-Ju Lee),김지훈(Ji-Hoon Kim),정동호(Dong-Ho Jung),오승협(Seung-Hyub Oh) 한국항공우주연구원 2006 항공우주기술 Vol.5 No.1

액체 연료 로켓의 연료 공급 라인을 모사한 시스템에 대해, PSD가 시스템의 응답에 미치는 영향을 살펴보았다. 주관의 유량 변화에 대한 주관 압력 변화의 비(시스템 응답)를 PSD 내의 기체 체적((0 ~ 2)×10?³ ㎥)과 PSD 배플의 직경(5, 50, 115 ㎜)을 변화시키며 살펴보았다. PSD 내에 기체가 있을 경우, 시스템의 고유진동 주파수가 작아짐을 확인하였다. 그리고 기체의 체적이 클수록 시스템 고유진동 주파수가 작아졌으나, 그 변화는 그리 크지 않았다. 또한 PSD 내 기체량이 많은 경우, 주관 내 압력 및 유량 변화의 진폭이 많이 감소함을 확인할 수 있었다. PSD 배플의 직경이 작아질수록 시스템 고유 진동 주파수가 작아졌으나 그 변화는 작았다. 또한 PSD 배플의 저항이 클 때, PSD 내 압력은 주관의 압력 크기보다 작고, 지연된 파형이 관찰되었다. The effectiveness of the POGO suppression device (PSD) on the response of the piping system simulating the fuel(or oxidizer) supply lines of the rocket engines was investigated. The system response defined as the ratio of the flow rate to the pressure in the main tube was obtained for various PSD gas volumes ((0 ~ 2)×10?³ ㎥) and three different baffle hole diameters (5, 50, 115 ㎜). Existence of a gas volume in the PSD reduced the system resonance frequency. With a larger gas volume, the resonance frequency became lower, but only slightly, while the fluctuations of the main tube pressure and the flow rate damped down considerably. The resonance frequency decreased with the increase of the PSD inlet restriction (or the decrease of the baffle hole diameter), though slightly. However, with a larger inlet restriction, the PSD pressure wave showed a delayed response with the smaller amplitude compared to the pressure variation in the main tube.