2유체 동축인젝터(coaxial twin fluid injector)는 액체산소와 액체수소를 추진제로 사용하는 SSME(Space Shuttle Main Engine)이나 유럽의 Arian 5 Vulcain 엔진과 같은 저온추진제 엔진에 널리 사용되고 있다. 추진제를 미립화 시키는 장치로서 사용하는 다른 여러 형태의 인젝터에 비교할 때 저속의 액체산화제 주위에 고속의 가스연료가 분사됨으로서 발생되는 전단력에 의해 추진제가 미립화되는 특징을 가지며, 이러한 메카니즘은 매우 복잡하여 아직까지 정확히 규명되지 못하고 있는 실정이다.

본 연구에서는 액체 로켓용 추진제 분사기로 많이 활용되는 충돌형 분사기중에서 2중 충돌(F-O-O-F)형 분사기에 대한 미립화 특성을 파악하였다. 액적의 크기를 측정하기 위하여 위상/도플러 입자분석기를 사용하였으며, 모의 추진제로 물을 사용하였다. 모의 추진제의 운동량비와 압력 강하량 변화에 따른 2중 충돌(F-O-O-F)형 분사기의 미립화 특성과 크기분포에 대하여 고찰하였다. 분사기 면으로부터 100mm 떨어진 단면에서 산화제/연료의 운동량비가 MR=1.19에서 MR=6.48까지 증가함에 따라 액적크기(SMD)는 감소하였으며, 액적크기(SMD)가 운동량비(MR)에 대하여 SMD= 193.480+15.687MR-5.036M$R^2$+0.415MR$^3$와 같은 관계식에 근사되었다 또한, 연료와 산화제의 압력강하량이 증가할수록 액적크기(SMD)가 감소하였다. 충돌 분무유동장의 액적크기 분포는 Rosin-Rammler 분포함수와 Upper-limit분포함수 모두에 대하여 잘 일치하고 있다. 본 연구의 결과는 액체 로켓용 충돌형 분사기의 초기 설계단계에서 유용하게 사용될 수 있을 것이다.

액체 연료 로켓엔진의 인젝터에 대한 연구는 연소 효율과 안정성 향상에 초점을 두어왔다. 그 중 충돌분사형 인젝터는 구조가 매우 간단하면서 많은 유량의 연료를 분사시킬 수 있기 때문에 개발 초기부터 많은 연구가 이루어졌으며 실제 여러 엔진에 응용된 바 있다. 그동안의 충돌분무에 대한 연구는 주로 제트의 충돌시 생기는 액막의 분열 과정을 이해하는 데에 관심이 있어 왔으며, 아직까지는 실험적 기법에 기초하여 근사적인 분열 모델을 제시하는 데에 그치고 있다.

압축가스를 이용하여 추진제를 액체 로켓 엔진에 공급하는 경우, 공급압력은 정상 연소상태의 연소압을 기준으로 하여 설계한다. 그러나 연소초기의 연소실 압력은 대기압 상태이므로 과도한 유량이 공급되어 이로 인해 hard-start 가 발생하며, 최악의 경우 엔진의 파손을 가져온다.

3단형 과학로켓(KSR-III)의 기본형 및 응용형에 공통으로 사용되는 주엔진은 액체산소를 산화제로, 케로신을 연료로 사용하는 액체추진기관이다. 엔진 기본설계를 통하여 로켓 임무 요구사항에 부합되도록 엔진 각 부분의 기본제원을 설정하였고, 엔진의 형상을 결정하였다. 설계된 엔진의 성능검증 작업은 분사시험용 엔진, 축소형 엔진, 엔지니어링 모델 및 비행시험모델의 설계/제작/시험을 통하여 순차적으로 수행할 계획이다. 본 연구는 3단형 과학로켓 엔진의 기본설계 및 성능검증 계획에 관한 것이다.

액체 로켓 엔진은 추진기관 공급 시스템으로 작동이 된다. 추진기관 공급 시스템에는 유공압장치 및 각종 배관, 필요한 압력과 유량을 연소실과 가스발생기로 공급하는 시스템, 엔진의 점화 및 정지, 발사체의 사용 목적에 따라 부과되는 기능을 수행하기 위한 장비들이 포함된다. 공급시스템은 크게 가압가스를 이용하는 방법과 터보펌프를 이용하는 방법의 두 가지로 나눌 수 있다. 잘 알려진 바와 같이 일반적으로 추력이 큰 로켓엔진의 경우에는 터보 펌프식이, 추력이 크지 않은 경우에는 가압가스 방식이 이용된다. 일반적으로 가압가스 방식은 연소실 압력이 커질수록 추진제 탱크의 압력도 커지므로, 그 두께가 두꺼워져서 비효율적이 된다. 따라서 연소실 압력이 비교적 크지 않은 추력이 약 10t 내외에서 많이 사용되고, 시스템이 터보 펌프식보다 구조가 매우 간단하므로, 작동의 신뢰도는 매우 높다.

Thermal behavior of spacecraft propulsion system utilizing monopropellant hydrazine ($N_2$H$_4$) is addressed in this paper. The thermal-control performance to prevent propellant freezing in spacecraft-operational orbit was test-verified under simulated on-orbit environment. The on-orbit environment was thermally achieved in space-simulation chamber and by the absorbed-heat flux method that implements an artificial heating through to the spacecraft bus panels enclosing the propulsion system.

로켓 엔진 설계는 연소 과정 동안에 발생하는 모든 복잡한 현상을 고려하여 이루어져야하지만 이러한 물리적 변수들을 만족시키면서 설계를 하는 것은 불가능하기 때문에 최근 수치 해석의 발달로 내부 연소 과정에 대환 체계적 접근이 활발히 진행되고는 있으나 아직은 경험과 직관에 따라 각 변수의 중요성을 판단하고 있다고 해도 과언은 아니다. 최근 RP-1과 액체 산소를 추진제로 하는 연소실 압력 200psi, 최대 추력 2.8$\times$$10^{5}$lbf의 액체 엔진 개발을 목표로 본 연구팀은 분사기용 소형 엔진(연소실 압력 200psi, 추력 350lbf) 실험을 시점으로 단계적으로 추력을 증가시키면서 단열재의 삭마 실험과 연소 불안정성을 위한 실험을 준비하고 있다. 첫걸음으로서 135$^{\circ}C$로 FOOF형의 비동류형(unlike) 충돌 제트로 구성되는 3개의 인젝터가 배열된 분사기 시험용 엔진에 관한 실험을 수행 중에 있으나 상대적으로 매우 간단한 엔진임에도 불구하고 실험적으로 내부 연소 과정을 정확히 이해하는 것도 현재로서는 여전히 용이하지 않다.다.

액체로켓 엔진의 분사기와 연소실 설계에 사용될 재생냉각형 칼로리미터의 냉각유로를 설계하였다. 사용할 펌프의 수두는 5기압이며 이로써 끓는점 아래에서 작동할 수 있고 동시에 넓은 냉각 면적을 가지는 유로의 형상을 결정하였다. 유로에서의 압력강하와 온도분포는 전산유동해석에 의하여 구하였고 열부하는 기존의 연소 해석과 1차원해석에 의한 결과를 적용하였다. 해석결과로서 유로의 폭이 4mm에서 2.5mm까지 2단계로 줄었다가 다시 2단계로 늘어나는 냉각유로를 설계하였으며 이 때 높이는 2mm로 일정하게 유지하였다. 유량 변화에 의한 레이놀즈 수는 1.9$\times$$10^4$, 2.4$\times$$10^4$, 2.9$\times$$10^4$이며 세 경우 모두 주어진 펌프수두 이내의 압력강하를 보였으나 온도상승과 성능상의 여유를 고려하여 레이놀즈 수 2.4$\times$$10^4$인 경우를 최종 설계안으로 결정하였다.

금속성형공정은 칩의 발생 없이 금속의 모양을 큰 소성변형으로 유용한 임의의 형태로 변화시키는 금속가공의 한 분야로써 제품을 생산함에 있어서 생산에 소요되는 시간을 최소로 줄이면서 기계적 성질이 우수한 제품을 생산하는 방법이다. 소성가공 공정에서 성형하중은 금형의 파손 및 마모에 영향을 미치고, 금형이 과도한 탄성변형으로 인한 제품의 치수 정밀도 저하시키기 때문에 성형하중 저감 설계는 소성가공 공정 설계에서 중요한 인자로 작용하고 있다. 원통형 제품을 성형하는데 주로 이용되고 있는 압출공정은 펀치 진행 방향과 동일한 방향으로 제품이 성형되는 전방압출 공정과 펀지 진행 방향과 반대로 제품의 성형되는 후방압출 공정으로 구분된다. 후방압출공정은 튜브 형성의 제품, 포장용 캔 및 변속장치 부품등을 생산하는데 주로 사용되는 공정으로서, 우수한 표면상태, 치수정밀도 및 향상된 기계적 성질을 얻을 수 있으며 높은 생산성과 낮은 제조원가를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Sach의 Boring out 측정방법은 튜브 또는 실린더 등의 축대칭 부품의 3차원 잔류 응력을 측정하는데 적용할 수 있다. 이 방법은 잔류응력이 층제거시 이완된 변형율로부터 결정된다는 원리에 근거하고 있다. 적용시 가정사항으로는 1) 잔류응력 분포가 축대칭이어야 하고 2) 응력 분포가 축방향을 따라 균일해야 한다는 것이다. 그러나 실제부품은 길이가 제한되어 있기 때문에 잔류응력 분포가 균일하다는 가정이 적용될 수 없다. 본 연구에서는 시편의 길이 대 외경 비를 변화시켰을 때 유한요소해석을 이용하여 층제거시 이완된 변형율로부터 계산된 측정값과 유한요소 해석값을 비교하여 이 측정방법의 적용한계와 타당성을 조사하였으며 얻어진 결론은 다음과 같다. Sach의 Boring out 측정방법을 적용하기 위해서는 부품의 외경 대 길이 비가 3이상일 경우 측정값과 해석값은 거의 일치하는 경향을 보이며 비가 증가할수록 측정오차가 줄어들 것으로 판단된다.

온도에 따라 물성치가 변화하는 재료의 열응력 예측은 연속주조공정에 의한 제품 생산에서 중요하다. 연속주조공정에서 금속이 급속히 냉각됨으로 인하여 응력이 크게 발생될 뿐만 아니라 금속 내부에 크랙이 발생될 수 있으며, 이는 최종제품의 품질에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 연속주조공정에서 양호한 주조제품을 얻기 위해서는 냉각조건 등과 같은, 주조시 수반되는 여러가지 주조결함의 원인을 제어해 주어야한다. 주조결함에는 주물 주입에 기인하는 결함과 주입 완료 후 응고과정에서 주물의 수축으로 기인하는 결함이 있다. 공기 및 가스의 포집, 개재물의 혼입 등이 전자에 속하며, 응고층 내부의 온도차, 응고수축(solidification shrinkage), 응력변형 등으로 인한 주물변형 및 표면결함 등이 후자에 속한다. 주물의 응고시에 고상화된 영역에서의 온도구배와 시간에 따른 온도변화는 금속내부에서의 열변형으로 인한 열응력을 발생시키고, 이것은 잔류응력이나 크랙 등과 같은 최종제품의 결함의 원인이 될 수 있다.

액체 램제트 엔진의 특성은 흡입구를 통해 들어오는 유입공기의 상태에 따라 많이 달라진다. 흡입구에 들어오는 공기의 유입각이 일정각도를 넘어서면 유입공기의 왜곡이 심하여 정상적인 연소가 불가능 할 수 있다. 따라서 다양한 비행조건에 따른 램제트 엔진의 특성을 파악하기 위하여 외부 유입영역, 흡입구, 연소기, 노즐 및 출구 대기 영역을 함께 계산하여 유동 특성과 연소 특성을 파악하고자 하였다. 흡입구는 마하 2.0을 기준으로 설계하고, 4각 덕트에서 완만하게 원형 덕트로 변화되는 확대관의 형상으로 비행체에 붙어 있는 것으로 격자를 구성하였다. 흡입구에서의 유동 조건은 비행체을 지난 유속이 마하 2.0과 2.2의 경우에 대하여 수치 실험을 수행하였으며, 비반응 유동 해석과 연소가 있는 반응 유동해석 결과를 흡입구를 포함하지 않았던 선행 연구 결과들과 비교하였다. 유입각이 영 일 때의 흡입구를 포함한 계산 결과는 흡입구에서 생성되는 충격파에 의한 손실로 총압력이 흡입구를 포함하지 않았던 선행 연구 결과와 차이가 있었으나 유동 특성에는 큰 차이가 없었다. 그러나 유입각이 증가함에 따라 흡입구로 유입되는 공기의 량이 감소하고 그에 따른 유동의 왜곡이 심하여 연소특성에 변화를 보여 주었다.

램 가속기에 대한 연구는 램 가속기의 작동 조건이 고온, 고압, 초고속이라는 점과 가속기 내부에서 급격한 화학반응이 수반된다는 특성으로 인하여 실험과 해석상의 상당한 어려움이 존재한다. 램 가속기는 작동 모드에 따라 탄체 후방의 열적 질식 조건을 이용한 열적 질식 모드(Thermally Choked Mode)와 탄체 표면에 형성되는 데토네이션파를 이용한 초폭굉모드(Superdetonative Mode)로 나뉘어진다. 본 연구는 초폭굉 모드로 작동하는 램 가속기의 작동 성능 향상을 위한 방법으로 수치 최적화 기법을 이용한 램 가속기 내부 예 혼합기의 조성비 최적화를 수행하였다. 설계 변수로는 수소와 질소의 조성비를 선정하였으며, 최적 설계 목표는 일정한 질량과 형상을 갖는 탄체를 초기속도 2500m/s에서 3000m/s로 가속시키기 위하여 필요한 최소 램 가속관의 길이로 정하였다. 본 연구에서는 구베법에 기반한 Simplex 방법 및 SLP(Sequential Linear Programming)등의 수치 최적화 기법을 적용하였고, 가속기 내부의 유동장은 해석의 효율성을 고려하여 이차원 비점성 유동으로 가정하였고, 비평형 화학반응 해석을 수행하였다.

최근 세계적인 관심을 끌고있는 레이저 광원에 의한 공기흡입추진기술의 연구 동향을 소개하고 레이저 추진 램가속기의 응용 방법, 제안된 램가속기 탄체 형상, 작동원리, 사용 레이저 특성을 제시하고, 레이저 추진 기술의 주요기술인 레이저 유도 플라즈마 유동의 해석을 위한 매우 간단한 추력면 형상에 대한 수치계산 결과와 현상의 설명을 제시한다.

액체램제트 추진기관은 고체로케트 추진기관에 비해 복잡한 구조와 작동원리를 가지고 있지만 산화제인 공기를 대기로부터 직접 흡입하므로 비행체의 크기와 중량을 줄이고 순항거리를 최대한 증대시킬 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 램제트 추진기관의 개발 및 실용화를 위해서는 램제트 추진기관의 유동 및 연소지상시험 설비의 구축이 필수적이다. 본 연구에서는 그 기초연구로서 연소기 입구의 속도, 온도와 같은 실제 액체램제트 추진기관의 비행조건을 완벽하게 모사할 수 있는 Vitiated Air Heater의 설계기술 확보에 연구목적을 두었다.

IRR형태의 액체 램제트 추진기관의 공기 흡입구 유동과 내부 연소 유동을 파악하기 위한 수치적 해석을 수행하였다. 해석은 다원 혼합기체에 대한 압축성 Navier-Stoke 방정식과 공기/Kerosene에 대한 화학 반응을 고려하였으며, 결합된 형태의 k-$\omega$/k-$\varepsilon$ 2 방정식 난류모델을 이용하였다. 기본 유동 해법으로는 고차의 시간 및 공간 정확도를 가지는 근사 Riemann 해법과 LU-SGS 방법을 이용하였다.

KSR 3단 AKM Motor Case를 개발하기 위해 추진기관 경량화에 가장 유리하고 비강도 및 비강성이 뛰어난 복합재 연소관을 고려하여 직경 300mm급의 축소형 모델을 선행 개발하였다. Netting 이론에 의해 연소관 두께를 결정하고 체적을 최소화 하기 위해 구형으로 연소관 형상을 설계하였다. 연소관을 제작하기 위한 맨드렐은 분리, 조립식으로 설계, 적용하였고 연소관 기밀 유지 및 추진기관 연소시 연소관을 보호하기 위한 삭마성 재료로 EPDM base의 고무 내열재 조성을 개발하였다. 고무 내열재는 맨드렐 위에 적층하고 Vacuum bagging 상태로 Autoclave에서 가황하여 적용하였다. 국내 최초로 Prepreg를 사용하는 Dry process로 고무 내열재가 적층된 맨드렐 위에 Winding하고, Vacuum bagging 상태에서 경화하여 연소관을 제작하였으며, 이 때 사용한 Carbor/Epoxy Perpreg 재료의 기계적 성질 및 열특성 시험을 병행하였다. 제작된 연소관은 수압 시험을 통하여 구조적 안정성을 입증하였고, NDT 검사를 통해 재료간 계면 상태를 분석하였다. 시험이 끝난 연소관은 향후 점화기 개발을 위하여 점화제 종류 및 약량을 변경하여 점화 시험을 수행하여 점화기 개발을 위한 기초 데이터를 확보하였다.

고대로부터 이용되어온 풍력에너지는 특히 풍황이 양호한 서유럽을 중심으로 꾸준히 개발되어 왔다. 최근 세계 여러 나라에서는 화석에너지의 고갈과 심각한 환경오염 문제 등으로 인하여 청정에너지의 개발에 많은 투자를 하고있으며 이에 따라 우리 나라에서도 풍력발전기의 개발이 진행되고 있다. 풍력에너지의 효율적인 이용을 위해서 여러 가지 형태의 발전시스템이 시도되어 왔으나 최근에는 성능 및 효율성이 우수하고 일정 출력을 낼 수 있도록 깃 각 조정이 가능한 수평축 풍력발전시스템이 주로 사용되고 있으며 대형화함으로서 대두되는 경량화 문제를 해결하기 위해 복합재를 이용한 회전날개를 개발하여 이를 사용하고 있다.

파괴인성의 정량적 평가는 균열이 내재할 수 있는 구조물의 설계 및 사용중 건전성 확보를 위하여 필요하다. 파괴인성의 측정은 광탄성법, 코스틱법 및 모아레법 등에 의하여 주로 평가되고 있으나 고가의 장비가 필요하고 실험으로 구현하는데 어려움이 있기 때문에, 실험이 비교적 간단하고 신뢰성이 있는 스트레인 게이지법에 관한 연구가 최근에 이루어지고 있다. 본 연구는 항공기나 로켓의 추진기용 구조재로 사용되는 마레이징강과 티타늄 합금을 이용하여 파괴인성시험을 수행하였다. 균열선단의 변형률장은 Westergaard 응력 함수를 사용한 다중변수해로 표현하였고, 스트레인게이지에서 얻은 변형률을 대입하여 파괴인성치를 산출하였다. 스트레인게이지법에 의한 파괴인성치는 ASTM E399의 규정에 의한 실험결과들과 비교하여 그 유용성을 제시하였다.

로켓의 노즐의 확대부와 같은 내열특성 증진이 필요한 곳에 주로 적용되어온 Involute 구조는 얇은 두께의 fabric 프리 프레그룰 일정한 패턴에 맞추어 재단한 후 적층하여 제작되어진다. 이렇게 제작된 노즐 확대부와 같은 구조물은 내삭마 및 구조 특성이 향상되고, 적층 및 성형 중 발생하는 링클과 보이드도 많이 예방할 수 있는 장점을 가진 것으로 알려져 있다. 이와 같은 장점 때문에 60년대부터 제작되어 노즐 확대부에 적용되어온 Involute 구조는 기하학적 복잡성으로 인해서 본질적으로 구조물의 비등방성 및 비균질성을 수반하게 되며, 이에 따른 열 및 구조해석의 어려움이 존재하게 된다. 70년대 Pagano에 의해서 그 기하학적복잡성이 수학적으로 규명되기 시작하여 80년대 가장 활발한 구조해석이 수행되어 노즐의 설계에 적용되었으며, 90년대 들어와서는 비선형 해석 및 최적설계 기법을 도입한 Involute 구조물의 기하학적 형상 및 구조적 최적화가 진행되고 있다. 하지만 국내에서는 아직까지 Involute 구조의 구조해석이 생소한 분야로서, 앞에서 언급한 일련의 진행 과정과 특징 등을 요약 및 정리할 필요가 있다 따라서, 본 발표는 비등방성 및 비균질성의 Involute 구조물에 대한 구조해석 기법들을 파악하고 그 적용 방법을 생각해 보고자 한다.

일반적인 제어대상 시스템을 모델링하여 제어기를 설계할 경우 시스템을 제어하는 액츄에이터의 saturation 현상을 무시하고 설계하는 경우가 자주 있다. 만일 시스템이 SISO이며, 충분히 안정하고 동적 특성이 빠른 경우에는 saturation 무시가 주는 영향이 크게 나타나지 않지만, 만일 시스템이 MIMO이며 비선형일 경우 비선형 요소인 입력 saturation에 의하여 시스템의 특성이 변형되고 크게는 불안정화 된다.

소·중형 상업용 항공기나 초등 훈련기용으로 많이 이용되고 있는 터보프롭엔진의 정상상태 성능해석을 위한 프로그램을 개발하였다. 프로그램의 검증을 위하여 지상정지조건에서의 성능 및 비행마하수에 따른 출력 등을 상용 정상상태 해석 프로그램인 TURBOMARCH 해석결과와 비교하였다. 비교결과 각 구성품의 입 ·출구 온도 및 압력, 출력 등에서는 약 3%이하의 오차율을 보였으며, 마하수 변화에 따른 출력 비교에서도 최대오차율이 2.4%로 프로그램의 신뢰성을 확인하였다. 개발된 프로그램을 이용하여 비행마하수 0.2, 80% 동력터빈 회전수에서 가스발생기 회전수를 5% 간격으로 나누어 부분부하 성능해석을 수행하였으며, 동력터빈 회전수에 따른 성능해석도 수행하였다.

응답 함수는 추진제의 연소 불안정성을 예측하는데 사용되는 중요한 측정 방법중 하나이다. 복사 열속과 압력은 연소 불안정을 일으키는 주요인으로 알려져 있다. 최근에는 레이저 기술의 발달로 비접촉 방식으로 외부에서 연소장을 교란하여 불안정성을 판단하는 실험 연구가 많이 이뤄지고 있다. 이러한 실험 연구에 대한 해석 및 예측을 위하여 많은 연구자들이 이론 응답 함수를 구하려는 노력들을 하고 있다. De Luca 등이 복사열에 대한 응답 함수를 제안한데 이어 Brewster 등은 QSHOD 가정과 추진제 내부로의 복사열 흡수비를 고려하여 응답 함수를 구하였다 Lee 등은 ZN 방법을 사용하여 Brewster의 응답 함수를 재계산 하였다. 이와 같은 이론 응답 함수들은 연소 불안정성에 대한 유용한 정보들을 제공하였음에도 불구하고, 현상을 너무 단순화하였다는 한계를 가지고 있다.

소·중형 산업용 항공기나 초등 훈련기용으로 많이 이용되고 있는 터보프롭 엔진의 성능진단을 위해 선형 GPA 기법을 적용하였다. 대기조건은 지상정지조건으로 하였으며 계측변수의 선정에 따른 오차율을 알아보기 위해 다양한 손상을 가정하였다. 가스터빈 엔진에서 가장 쉽게 발견될 수 있는 성능저하 원인인 압축기 오염과 터빈 부식이 발생하였을 경우를 가정하였다. 다중 손상일 경우 선형 GPA 기법의 신뢰성을 알아보기 위해 압축기에만 오염이 발생하였을 경우, 압축기와 압축기 터빈에 각각 오염과 부식이 발생하였을 경우, 압축기 터빈과 동력터빈에 동시에 부식이 발생하였을 경우, 압축기, 압축기 터빈, 동력터빈이 모두 오염과 부식이 발생하였을 경우를 가정하였다.

To illustrate the global variation of the droplet mean diameters and the turbulent flow characteristics in counterflowing internal mixing pneumatic nozzle, the experimental measurements at five axial downstream locations(i.e., at Z=30, 50, 80, 120, and 170mm) were made using a PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer) under the different air injection pressures ranging from 40 ㎪ to 120 ㎪. A nozzle with axi-symmetric tangential-drilled four holes at an angle of 15$^{\circ}$ has been designed and manufactured. The distributions of velocities, turbulence intensities, turbulence kinetic energy, turbulent correlation coefficients, spray angle, droplet mean diameters, volume flux, number density are quantitatively analyzed. It is possible to discern the effects of increasing air pressure. It indicates that the strong axial momentum in spite of more or less disparity between the velocity components means more reluctant to disperse radially, and that axial fluctuating velocities are substantially higher than those of radial and tangential ones, suggesting that the disintegration process is enhanced under higher air assist. The larger droplets are detected in the spray centerline at the near stations and smaller ones are generated due to further subsequent breakup at farther axial locations are attributed to the internal mixing type nozzle characteristics. Despite of the strong axial momentum, the poor atomization around the centre close to the nozzle exit is attributed to the lower rates of spherical particles which are not subject to instantaneous breakup. As it goes downstream, however, substantial increases in SMD(Sauter Mean Diameter) from the central part toward spray periphery are understandable because the droplet relative velocity is too low to bring about any subsequent disintegration.

본 연구에서는 가스 발생기에서 발생되는 고온, 고압의 가스를 이용하여 유도탄을 수직 발사하는 사출 시스템에 대해 해석적 연구를 수행하였다. 사출 시스템에 의한 수직발사 방식은 발사관내에 설치된 가스 발생기에 의해 생성된 가스가 사출 실린더의 피스톤을 구동시켜, 피스톤에 연결된 유도탄을 요구되는 높이로 사출 시킨 후 유도탄이 점화되는 발사방식이다. 이러한 발사방식은 유도탄 자체의 부스터 발사방식에 비해 유도탄의 화염에 의한 영향이 적다. 현재 사출 시스템은 가스발생기, 가스 튜브, 사출 실린더와 피스톤으로 구성되어있다. 본 논문은 가스 발생기에서 사출 실린더까지의 내부 유동장을 일차원적으로 모델링하였고, 가스발생기, 가스튜브, 실런더 내의 유동과 열전달 과정 및 유도탄의 동적거동에 대한 미분방정식을 연립하여 4th-order Runge-Kutta 방법으로 계산하였다. 또한 가스튜브와 사출 실린더의 열전달 손실에 대하여 1차원 비정상 열전도 방정식의 수치적 계산을 통해 에너지 손실을 계산하였다. 특히 해석에 사용된 작동유체인 추진제 가스의 열학적 상태량은 온도 함수의 5차 다항식으로 표현하여 사용하였다. 이론적인 해석을 통해 사출 장치 시스템의 성능 요구조건과 신뢰성을 만족시키기 위한 가스발생기의 추진제 그레인 및 사출 시스템 설 계 조건을 도출하였다.

점화천이(Ignition transient)는 일반적으로 점화 신호를 주는 순간부터 로켓모타가 평형상태(equilibrium) 혹은 설계 작동조건에 도달했을 때까지의 시간 구간으로 정의되며, 이 시간 동안에 높은 연소실 압력 증가율에 의한 동연소효과(dynamic burning effect)와 연소가스의 높은 cross-flow 속도에 의한 침식연소효과(erosive burning effect)에 의해 추진제의 연소증가 현상을 일으킨다. 이런 두가지의 증가된 연소효과와 더불어 과대하게 설계된 점화기로부터 유입되는 질량유량에 의해 연소실을 채우는 시간(Chamber filling) 중에 압력 과잉(pressure overshoot)이 나타난다 그러나 동연소효과 및 침식연소효과의 경우 추진제의 종류와 로켓모타의 형상 등에 의해서 복합적으로 나타나는 현상이기 때문에 모든 로켓모타에 대해서 공통으로 적용할 수식이나 방정식이 존재하지 않는다.

추진기관의 연소실과 같이 큰 열부하를 받는 경우 막냉각은 연소실을 보호하기 위해서 사용되는 대표적인 냉각기법이다. 막냉각의 성능을 극대화하기 위해서는 냉각유체를 2차원 슬롯을 통해서 분사시키는 것이 가장 효율적이지만 여러 가지 이유 때문에 실제 적용에 있어서는 슬롯입구 부근에 작은 구멍을 만들어 이로부터 분사되는 유체를 통해서 냉각시키게 된다. 본 연구에서는 주어진 덕트에서 분사율, 분사방법, 슬롯의 형상에 따른 슬롯 출구에서의 유동장 및 온도장 측정과 함께 물질전달 방법을 이용하여 슬롯 립(slot lip) 내벽에서 자세한 국소 열/물질전달계수를 구하였다. 분사율 0.5와 1.0에 대해서 주유동과 같은 방향으로 분사시켜줄 경우와, 유동을 제한시켜 주고 이차유동의 방향을 각각 주유동과 같은 방향과 반대방향으로 분사시키는 방법에 대하여 실험하였으며, 슬롯 입구에 경사슬롯을 설치하여 냉각유체를 분사시키는 방법에 대해서 실험하였다.

로켓 모터 내에서 높은 충전률을 유지하면서 연소면적을 증대시켜 추력기체 생성량을 증대시키는 가장 효율적인 방법으로는 금속선, 필라맨트, strip, rod 등의 열전도체와 hollow fiber를 단면연소 그레인에 삽입시키는 방법이 있다. 이러한 연구는 1950년대 ARC의 Rumbel에 의해 PVC와 AP가 주성분인 혼합형 추진제를 대상으로 처음 시도되었으며, Kubota, Caveny, Gossant, King등에 의해 복기추진제와 혼합형 추진제를 대상으로 금속선의 종류, 직경, 형태, 수 및 기하학적 배열 등에 따른 실험적 이론적 연구가 이루어져 왔다.

초음속 과소 팽창 제트가 경사진 평판에 충돌을 하게 되면 평판의 표면과 노즐출구에서 팽창된 자유제트(Free jet)와의 상호 간섭으로 인해 매우 복잡한 유동 구조가 형성된다. 예를 들면, 수직평판에서 발생되는 판 충격파(Plate shock)는 경사평판에서는 Upper plate shock, Lower plate shock, Intermediate plate shock과 같이 여러 형태로 발생되어 평판에서의 압력분포에 있어 수직일 경우와 다소 다른 경향을 보여준다. 본 연구의 주요 목적은 평판의 경사각을 변화시킬 때 평판 표면에서의 복잡한 유동 현상을 이해하는데 있다.

The Coanda effect is the tendency for a fluid jet to atach itself to an adjacent surface and follow its contour without causing an appreciable flow separation. The jet is pulled onto the surface by the low pressure region which develops as entrainment pumps fluid from the region between the jet and the surface. Then the jet is held to the wall surface by the resulting radial pressure gradient which balance the inertial resistance of the jet to turning. The jet may attach to the surface and may be deflected through more than 180 dog, when the radius of the Coanda surface is sufficiently large compared to the height of the exhaust nozzle. However, if the radius of curvature is small, the jet turns through a smaller angle, or may not attach to the surface at all. In general, the limitations in size and weight of a device will limit the radius of the deflection surface. Thus much effort has been paid to improve the jet deflection in a variety of engineering fields. The Coanda effect has long been applied to improve aerodynamic characteristics, such as the drag/lift ratio of flight body, the engine exhaust plume thrust vectoring, and the aerofoil/wing circulation control. During the energy crisis of the seventies, the Coanda jet was applied to reduce vehicle drag and led to drag reductions of as much as about 30% for a trailer configuration. Recently a variety of industrial applications are exploiting another characteristics of the Coanda jets, mainly the enhanced turbulence levels and entrainment compared with conventional jet flows. Various industrial burners and combustors are based upon this principle. If the curvature of the Coanda surface is too great or the operating pressure too high, the jet flow will break away completely from the surface. This could have catastrophic consequences for a burner or combustor. Detailed understanding of the Coanda jet flow is essential to refine the design to maximize the enhanced entrainment in these applications.

일반적으로 배관계를 통하는 유체 유량을 조절하거나 감압하는 목적으로 각종 밸브가 널리 이용되고 있다. 이러한 밸브는 작동 유체의 종류나 밸브형상에 따라 여러 가지로 분류할 수 있으나, 밸브가 유동에 미치는 저항특성, 밸브에서 발생하는 유동관련 소음진동, 기밀도, 내구 및 보수성 등을 고려하여 적절한 밸브를 선정하게 된다. 종래 버터플라이 밸브는 주로 비압축성 유체유동을 조절하기 위하여 사용되어 왔으나, 최근 다양한 방면에서 압축성 유동을 제어하기 위하여 그 활용이 증대되고 있다. 이것은 버터플라이 밸브의 형상이 매우 단순하여 밸브가 유동에 미치는 저항이 작으며, 제작 및 설치가 용이하기 때문이다.

최근 미사일 및 차세대 비행체에는 초기 고기동이나 무수한 제어력의 특성을 지닌 TVC 시스템이 많이 사용되고 있다. 기존의 공력 조타에 의한 비행 자세 제어방법은 속도의 2승에 비례하는 제어력을 발생하지만, TVC(Thrust Vector Control)를 이용하면 추력 방향을 변경하여 제어력을 얻음으로써 방향 제어에 보다 월등한 성능을 발휘할 수 있기 때문이다. TVC를 이용한 방향제어는 저속도 경우와 공기가 희박한 고 고도에서도 충분한 제어력을 얻을 수 있다. 그러나 그 우수성에 비추어 국내에서는 아직 그 성능에 대해 충분한 자료가 없는 실정이다.

일반적으로 이젝터(ejector)는 노즐로부터 팽창하는 높은 운동량을 가지는 주 유동과 주변의 낮은 운동량을 가지는 유동사이에서 생기는 강한 전단력을 이용하여, 분류 주변의 유체를 보다 고압의 부분까지 압축하여 수송하는 장치이다. 이젝터는 노즐(nozzle)과 디퓨저(diffuser)로 되어 있으며, 회전부분이나 활동부분을 가지지 않는 유체기계이므로 고장이 적고, 소형임에도 불구하고 대용량의 유체를 압축할 수 있는 특징을 가지고 있다. 그러나 이젝터의 구동은 유체의 전단력만을 이용하므로 효율이 낮은 단점이 있으므로, 이젝터 형상의 최적설계 및 성능개선을 위한 연구가 필요하다.