Wall flush mounted injector with various orifice shape and injection conditions, were examined to enhance jet penetration and mixing in supersonic cross flow, in view of application to air-breathing accelerator vehicle. Orifice shapes with high aspect ratio were found to preferable for better penetration in the cold flow, and in the reacting flow for scramjet-mode combustion conditions. However, the effectiveness of the high aspect ratio was diminished in the dual-mode combustion conditions. Supersonic injection was applied to the high aspect ratio orifice, and further increase in penetration was observed in the cold and reactive flow for scramjet-mode combustion conditions, however, mixing enhancement due to mixing layer / pseudo-shock wave system interaction was dominant in the dual-mode combustion conditions. Difficulty in attaining ignition in the case with the high aspect ratio orifice was encountered during the combustion tests.

젤(gel) 추진제는 고체 및 액체 추진 시스템의 장점 중 높은 비추력, 저장성, 추력 제어, 비독성, 누설 방지와 같은 특성으로 고성능 추진 시스템에 활용되어 지능형 전략 미사일 또는 발사체의 부스터 및 여러 추진 시스템에 사용될 수 있다. 젤 모사 추진제는 물, Carbopol 941, NaOH 농축액을 혼합하여 제작되었으며, 물과 젤 모사 추진제를 충돌형 인젝터에서 분사시켜 분무 특성을 고찰하였다. 젤 모사 추진제의 충돌 분무에 의해 나타난 긴 액막(liquid sheet)은 강한 상호 분자력에 관련한 중합(polymeric)효과를 나타낸다. 물 분사와 비교했을 때 젤 모사 추진제의 미립화 억제와 난류 천이 지연에 관련된 높은 점도로 인하여 저조한 미립화 특성과 좁은 범위의 분무각을 나타내었다.

우주발사체 개발을 위한 75톤급 액체로켓엔진 개발에 앞서 선행개발을 통해 습득한 30톤급 액체로켓 엔진 기술을 토대로 75톤급 액체로켓엔진 연소기 기술 검증에 착수하였다. 이를 위하여 국내 연소시험 설비 여건을 고려한 기술검증 계획을 수립하고 기술검증시제를 제작하여 제한된 조건에서 성능평가시험을 수행하였다. 본 논문은 75톤급 액체로켓 연소기 기술검증을 위한 계획과 현황에 대하여 소개한다.

발사체 상단의 자세제어를 목적으로 하는 과산화수소 단일추진제 추력기 설계 및 성능평가를 수행하였다. 상용 발사체급에 요구되는 수준인 100, 250 N 급 추력기를 목표로 하였으며 검증 모델에서 성능시험을 통해 형상을 확정한 후, 최종 비행 모델을 밸브와 통합하여 개발하였다. 설계된 추력기는 특성속도, 추력, 비추력 및 펄스 응답성 측정을 통해 설계의 적절성을 검증하였다.

수소의 일반적인 특성과 온도 변화에 따른 ortho-수소와 para-수소의 비율에 대하여 살펴보았다. 수소의 독특한 특성인 넓은 연소 영역, 낮은 점화 에너지, 낮은 최대역전온도 및 수소 취성을 소개하였다. 예냉과 팽창 엔진을 사용하는 액체 수소 제조 방법과 촉매를 이용한 ortho-para 변환을 살펴보았으며, 액체로켓 추진제로서의 특성과 고려해야 할 사항들을 검토하였다.

30톤급 가스발생기 개발 경험에서 습득된 기술을 바탕으로 75 톤급 액체로켓용 가스발생기를 개발하기 위한 소형연소시험장 개량이 이루어졌다. 개량된 시험설비는 75톤급 가스발생기 개발에 활용될 예정이며, 이를 통해 획득한 자료와 개발된 시험평가 절차와 기법을 토대로 고성능 로켓엔진 개발과 실물형 시험평가 설비 개선에 활용될 것이다. 본 논문에서는 75톤급 가스발생기 개발을 위해 개량된 시험설비와 수류시험 결과를 제시한다.

본 연구에서는 액체로켓 엔진용 재생냉각 추력실 내부에서 일어나는 연소와 냉각 과정을 통합된 방법으로 해석함으로서 초기 설계 단계에서 추력 성능, 냉각 특성, 무게 및 크기 간의 trade-off를 수행할 수 있는 수치해석 절차를 제시하였다. 또한 형상 설계, 성능 분석, 냉각 해석과 종합적인 설계 평가를 수행한 실제 적용 사례를 통해 설계 도구로서의 활용도와 신뢰도를 평가하였다.

액체산소/케로신 추진제 액체로켓엔진 개발기술 확보를 위해, 연소기를 제외한 터보펌프, 가스발생기 등의 30톤급 엔진 주요 구성품을 이용한 터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험을 수행하였다. 연소기를 유량제어 요소로 모사한, 엔진시스템 모사조건에서 터보펌프+가스발생기 폐회로 연계시험기의 예냉 절차, 시동 특성, 정격조건 작동 및 정지가 성공적으로 수행되었다. 터보펌프와 가스발생기의 작동성을 검증하였다. 연계시험기의 터보펌프 회전수 및 혼합비 피드백 제어를 위한 제어시스템도 검증되었다. 본 폐회로 연계시험 결과는 액체로켓엔진 선행 기술 개발에 활용될 것이다.

고압 조건에서 작동하는 고성능 액체 로켓 엔진에 대한 이해를 위해 초임계 조건의 스월 인젝터에서 액체 산소의 동적 특성이 수치적으로 연구되었다. 난류 수치 모델은 large eddy simulation을 기반으로 하였으며 보존 방정식과 SRK 상태 방정식, Chung의 기법을 포함하고 있다. 또한 수렴 속도의 증가를 위해 예조건화 기법이 적용되었다. 수치 해석 결과는 이상 기체 상태 방정식을 적용한 결과와 비교 되었으며 인젝터 내부와 연소실에서 액상이 존재하는 영역에서의 상태량과 동적 특성의 차이가 관찰되었다.

본 논문은 액체로켓용 이중 와류 동축 분사기의 유량 특성에 대한 실험적 연구 결과를 수록하였다. 분사기의 추진제 유량 공급 특성은 매우 중요한 로켓엔진 연소장치 설계 인자이다. 분사기 유량 특성 파악을 위해 상온시험은 물을, 연소시험은 액체산소와 케로신을 사용하였다. 상온 시험 결과와 달리 연소시험 유량 계수는 혼합비, 리세스 비 변경에 따라 변화하며 그 변화 정도는 분사기 형상과 작동 조건에 따라 다르다. 연소시험 산화제 측 유량 계수 변동 원인은 물성값 변화에 따른 화염 구조 변화에 의한 것으로 판단된다.

차기 한국형 발사체의 추진제 수위 측정시스템은 적용하는 추진제의 극저온 환경 및 유량제어 특성을 고려하여 연속적인 정전용량 값 출력이 가능한 정전용량형이 채택될 예정이다. 현재 정전용량형 신호 감지방식은 2전극과 3전극 방식이 있으나 본 연구에서는 측정 정확도를 고려하여 모든 유체에 적용 가능한 3전극 방식을 채택하였다. 본 논문에는 3전극 방식의 감지원리에 대한 고찰 결과 및 감지부의 형상 변화가 정전용량값에 미치는 영향에 대한 분석 결과, 추진제 탱크 상단의 감지부 설치 위치에 따른 신호감지 영향을 확인하기 위하여 시뮬레이션 프로그램을 활용한 결과가 정리되어 있다. 본 연구에서 얻어진 자료는 실제 탱크 내의 추진제 수위 측정시스템 감지부 설계 및 제작에 활용 가능하다.

추진제로써 아산화질소를 활용하기 위해 아산화질소의 촉매 분해 특성에 대한 연구를 수행하였다. 아산화질소를 분해하기 위해 Ru와 Pt 촉매를 $Al_2O_3$ 지지체에 함침법을 이용하여 담지하였고, 관형 반응기를 사용하여 GHSV와 반응온도에 따른 아산화질소의 전환율을 측정하였다. GHSV는 낮을수록, 반응온도는 높을수록 전환율이 높았고, Ru/$Al_2O_3$ 촉매가 Pt/$Al_2O_3$ 촉매보다 우수한 성능을 보였다.

본 연구는 30톤급 액체로켓엔진의 TP-GG-CC의 시동특성에 관한 연구로써, 기수행한 TP-GG 연계시험의 결과 및 예측에 바탕을 두고 있다. CC가 장착됨에 따라 주밸브의 개방시간을 결정하여야 하며 그에따라 시동특성을 살펴보았고, 다양한 밸브 개방시간을 적용하여 적절한 결과를 얻을 수 있었다.

75톤급 액체로켓엔진 연소기의 1/2.5-scale 연소기의 시험 결과를 기술하였다. 연소기의 연소압력은 60 bar, 추진제 유량은 약 89 kg/s 그리고 노즐 팽창비는 12이다. 연소성능 및 재생냉각 성능, 연소기의 내구성 확인을 위한 수회의 설계점 연소시험과 저압조건에서의 작동성 및 연소성능을 검증하기 위한 시험이 수행되었다. 모든 연소시험은 하드웨어의 손상 없이 성공적으로 수행되었다. 본 시험결과는 향후 75톤급 연소기의 저압 연소 조건에서의 시험 가능성을 제시하고, 설계점 조건에서의 연소성능을 예측하는 기본 데이터로 활용될 수 있을 것이다.

본 연구에서는 과산화수소/케로신 촉매 점화기의 최적 설계를 위하여 점화기 설계와 운용 조건에 따른 점화 특성을 확인하였다. 그 결과 촉매대의 출구 면적은 분해된 가스가 쵸킹이 발생하지 않도록 충분하여야 하며, 케로신은 촉매대 중앙에서 미립화가 잘되도록 분무하여야 함을 확인하였다. 또한 점화기를 운용하는데 있어 예열이 없을 경우 과산화수소를 약 3초 정도 리드해야 하며, 퍼지는 케로신 공급과 같거나 늦게 공급하는 것이 바람직함을 확인하였다.

연료펌프에 대한 수력성능시험을 상온의 물을 매질로 하여 실시하였다. 시험된 연료펌프는 개방형 가스발생기 방식의 75톤급 액체로켓엔진에 적용할 목적으로 개발 중에 있다. 시험 결과, 연료펌프는 설계요구조건을 만족하였으며, 설계 유량에서의 양정과 효율은 수치해석에서 추정된 값보다 높았다. 또한 후방 베어링의 출구 압력이 예상보다 높았는데 이는 바이패스 배관의 입구가 좁기 때문이었다. 그리고 바이패스 곡관부의 차압 측정으로 누설 유량을 유추할 수 있었다.

우주발사체용 액체추진기관 개발에 있어서, 분사기는 연소성능과 안정성을 결정짓는 매우 중요한 요소로써 이에 대한 분무특성 이해는 필수적으로 이루어져야 한다. 본 연구에서 알아보고자 하는 분사기는 중앙에서 기체산화제를 제트로 분사하고 외부에서 액체연료를 와류(스월)형으로 분사하는 형태이다. 분무형상은 리세스별로 CCD 카메라를 이용한 직접사진기법을 통해 측정하였다. 실제 연소조건과의 모사를 위해 기체질소와 물을 사용하였고, 운동량비를 주요 상사인자로 두어 대기압 수류 시험조건을 도출하여 분무특성을 알아보았다. 또한 기체-액체 운동량비의 영향을 알아보기 위한 연구가 추가적으로 이루어졌다.

고농도 과산화수소를 추진제로 이용하는 연구가 활발해짐에 따라서 고농도 과산화수소의 국내 생산을 위한 과산화수소 증류에 관한 연구가 필요하게 되었다. 과산화수소의 열분해를 막기 위하여 진공 증류법을 이용하였으며, 증류 압력은 Raoult's law를 이용하여 $40^{\circ}C$ 이하에서 증류가 이루어 질 수 있도록 30 torr로 선정하였다. 실험을 위한 변수로는 증류 온도를 선정하였으며, 증류에 걸린 시간과 증류 후에 계산한 수득율을 성능 평가 대상으로 선정하였다. 실험 결과, 대체로 증류에 소요된 시간이 짧을수록 수득율이 낮으며, 리시버 내의 물의 과산화수소 농도도 더 높은 것을 확인하였다. 또한 비슷한 시간 동안 증류를 수행하였을 경우, 증류 온도가 높을수록 더 높은 농도에 도달하며, 수득율이 낮은 경향을 보였다.

고속 비행기술의 발전과 엔진효율의 향상은 비행체와 엔진의 열적부하를 증가시킨다. 극초음속까지 비행체의 속도가 빨라지면 공기흐름을 이용한 냉각이 어렵기 때문에 항공유를 주요 냉각제로서 사용하게 된다. 연료가 열 흡수원(Heat sink)으로서 사용될 때 열분해반응 또는 촉매분해반응과 같은 흡열반응(Endothermic reaction)을 거쳐 분해가 되는데 이러한 특성을 지닌 연료를 흡열연료(Endothermic fuels)라고 한다. 흡열반응은 촉매를 통해 개선될 수 있지만, 코킹침적이 형성되기 이전까지의 온도로 제한된다. 본 연구에서는 흡열연료에 관련된 주요 기술을 조사하여 기초연구에 활용하고자 하였다.

한국형 발사체용 액체로켓엔진을 개발하기 위한 75톤급 연소기 기술검증 시제를 제작하여 수류시험 및 점화시험을 수행하였다. 기존의 연소기에 새롭게 도입된 기술인 점화, 막냉각, 산화제 선공급방식을 반영하기 위해 시험설비를 수정 및 개량하였다. 산화제 및 연료 수류시험을 통해 공급라인, 점화기 라인, 연소기의 수력학적 특성, 추진제 충전시간을 파악하여 점화순서를 결정하였다. 점화 cyclogram을 통해 점화기의 점화시험을 성공적으로 수행하였으며, 향후 연소시험을 위한 기초 자료를 습득하였다.

한국항공우주연구원에서는 2004년부터 전남대 및 (주)한화와 공동으로 하이드라진 분해촉매의 국내 개발을 위한 연구에 착수하였으며 약 5년간의 개발 기간을 거쳐 2009년에는 위성에서 요구하는 성능 및 수명 요구조건을 충분히 만족하는 촉매의 개발에 성공하였으며 우주 환경에서의 장기 연소시험을 통해 최종적인 품질 보증을 완료하였다. 본 논문에서는 촉매 개발과 관련된 연구과정과 물성치 측정 및 품질 보증시험 결과에 대해서 서술하였다.

터보펌프방식 액체로켓엔진 개발의 일환으로 터보펌프 출구로부터 연소기와 가스발생기의 산화제 밸브에 이르는 액체산소 고압 배관부 기술개발모델(TDM)에 대한 기본설계를 수행하였다. 액체산소 고압 배관부는 직관, 곡관, 벨로우즈, 분기구, 오리피스, 플랜지 및 단열재로 구성되어 있다. 작동 환경, 무게, 제작성을 고려하여 소재를 선정하였다. 요구 유량과 차압 조건을 고려하여 유동해석을 통해 각 구성품의 크기와 위치를 선정하였다. 작동 온도와 최대 예상 작동 압력을 고려하여 각 구성품에 대한 기본 설계를 수행하였으며 구조해석을 통해 안전율을 평가하였다.

본 연구에서는 고농도 과산화수소와 케로신을 사용하는 저추력 엔진의 촉매방식 점화기를 설계 제작하고, 수류시험을 통해 설계 압력 대비 유량을 확인하였다. 점화 성능 확인을 위해 과산화수소 분해열이 정상상태에 도달하는 지점에서의 케로신 유량변화에 따른 혼합비를 변화시켰고, 넓은 범위의 혼합비에서 안정된 점화특성을 확인하였다.

엔진 1기당 연소시험 횟수나 시험시간은 엔진 개발 초기에 시스템이나 구성품 개발의 설계/개발 요구조건을 설정하는 데 중요한 인자이다. 해외 액체로켓엔진의 개발 및 인증 시험 이력을 통해 우주 발사체용 액체로켓엔진에 요구되는 수명에 대해 조사하였다. 소모성 발사체에 장착되는 엔진도 개발과정에서 수십회의 점화와 비행시간 대비 수배 이상의 연소 시험을 거치는 것이 확인되었다.

본 연구는 친환경 추진제인 과산화수소($H_2O_2$)와 케로신을 추진제로 하는 액체 로켓 엔진에서의 막냉 각 장치 개발을 목적으로 이를 위하여 막냉각링을 설계/제작하고, 수류 시험을 통해 분무 특성과 공급 유량을 확인하였다. 또한 설계/제작된 막냉각링의 성능 예측을 위하여 열해석을 수행하였다. 수류 실험 결과 설계 유량(42.25g/s)이 공급됨을 확인하였고, 상대적으로 유속이 빠르고 홀 개수가 많은 막냉각링이 더 좋은 분무패턴을 보임을 확인하였다. 또한 열해석 결과 설계된 막냉각링이 충분한 냉각 성능을 가짐을 확인하였다.

본 논문에서는 대형 우주 발사체에 적용 가능한 추력 75톤급 액체로켓엔진 연소기의 기본설계에 대해 기술하였다. 이 연소기는 진공추력 74.8 ton, 진공비추력 306.9 sec, 연소실 압력 60 bar, 추진제 유량 243.6 kg/s, 연소특성속도 1730 m/sec을 갖는다. 연소기의 성능에 미치는 연소특성속도, 추력계수 그리고 비추력에 대해 알아보았고, 연소기의 기하학적인 형상에 대해서도 기술하였다. 75톤급 액체로켓 엔진 연소기는 분사기를 장착한 연소기 헤드, 재생냉각 채널을 가지고 있는 연소실로 구성되어 있다.

액체 로켓 엔진의 경우 작동초기인 점화와 마지막의 소염시의 추진제 공급 순서는 안정적으로 시스템을 운영하는데 많은 영향을 끼친다. 안정적인 엔진의 작동확인을 위해 점화할 때 공급순서와 소염할 때 추진제의 공급 순서를 바꾸어 가면서 연소 실험을 수행 하였다. 본 연구에 사용된 분사기는 과산화수소와 케로신을 추진제로 사용하는 동축 스월형이며, 점화 방식은 촉매 점화를 방식을 사용하였다. 본 실험을 통해서 액체로켓엔진의 연소 시험을 안정적으로 수행하기 위해 점화와 소염할 때의 최적의 시퀀스를 찾아내었다.

본 연구에서는 친환경 추진제인 고농도 과산화수소와 케로신을 사용하는 저추력 이원추진제 로켓 엔진의 O/F ratio에 따른 연소 성능 특성을 파악하였다. 연소시험에 사용된 엔진은 6개의 동축 스월 인젝터로 구성된 멀티 인젝터와 연소실, 노즐로 구성되어있으며, 촉매 점화 방식을 사용하였다. 연소 시험은 O/F ratio 3.8에서 11.0까지 변화시켜가며 수행하였다. 연소 시험 결과를 이용하여 특성 속도($C^*$)와 압력 섭동 값을 계산한 결과, 연소 효율은 O/F ratio 5~6 구간에서 가장 좋았으며 모든 구간에서 연소실 압력대비 압력 섭동 값이 5% 미만으로 안정적임을 확인하였다.

본 논문에는 사출시스템의 성능향상을 위해 불안정 연소 현상이 발생하지 않는 상태에서 가스발생기 압력의 기울기를 증가시키는 방법에 대해 기술되어있다. 안정연소를 얻기 위해 그레인에 반경방향홀을 뚫는 방법 이외에 그레인의 세장비를 줄이는 방법을 제안하였다. 제안된 방법을 적용하여 가스발생기를 제작, 시험한 결과 기준모델과 비교시 유사한 수준의 사출종말속도에서 최대가속도를 최대 33% 줄일 수 있음을 확인하였다.

ETC(Electrothermal chemical) Gun에 대한 연구를 수행하였다. 기존의 강내탄도 전산해석 코드를 ETC 화포에 적용하도록 확장시켰다. 이를 통해 플라즈마 에너지 주입 패턴에 따른 강내탄도 성능해석 연구를 수행하였다.

파이로스타터는 일종의 가스발생기로써, 내부에 충전되는 저온 고체 추진제의 연소가스를 통해 시동에 필요한 에너지를 터빈에 공급한다. 파이로스타터의 연소관에 충전된 저온 고체추진제를 연소시키기 위한 초기 에너지를 공급해 주기 위해서는 파이로스타터 및 고체추진제의 특성과 형상에 맞는 점화기 설계가 필요하다. 이에 C.B.T 시험을 수행하여 초기 연소실 내부의 충분한 압력 증가를 확보할 수 있는 점화기의 주요 설계 인자를 결정하였다. 파이로스타터의 연계연소시험을 통해 신뢰성 있는 점화 특성을 확인하였고, 점화장약 충전량에 대한 간단한 해석을 수행하였다.

KSLV-I 2단에 적용된 킥모터는 피치, 요축 자세제어를 위해 고무와 보강제가 번갈아가며 적층된 플렉시블 씰을 사용하였다. 제작된 플렉시블 씰은 노즐에 조립되기 전에 플렉시블 씰의 성능을 확인하기 수압 구동 시험을 수행 하였다. 수압 시험을 통해 플렉시블 씰의 제작 상태를 확인하였으며, 압력 변화에 따른 피치, 요축의 구동 토크 및 축 방향 밀림량을 확인하였다. 수압 시험결과 제작된 플렉시블 씰의 구동 토크는 60kgf-m/deg이하이며, 축 방향 밀림량은 최대 6mm이하를 보이고 있다.

강내탄도 전산해석 코드를 이용하여 고체 추진제 형상에 따른 강내탄도 성능을 예측해 보았다. 기존의 연구에서는 볼형의 추진제만을 다룬데 반해 이번 연구에서는 추가적으로 실린더형과 단공형의 추진제를 다루었다. 각 추진제의 형상에 따라 비표면적이 달라지고 이로 인해 강내탄도의 성능변화가 나타남을 확인했다.

본 연구에서는 추진기관 탄자 및 파편 충격시험을 실시하여 그 특성을 분석 평가 하였다. 연소관은 카본 에폭시 복합재를 사용하였고 추진제는 둔감 특성을 향상 시켜주기 위해 HTPE 추진제를 사용하였다. 반응 형태를 정량적으로 판단하기 위해 음압 및 열유속 센서를 사용하였다. 탄자 및 파편 시험한 HTPE 모타들의 반응형태는 Type V 인 연소반응을 나타내었다.

본 연구에서는 추진기관 급속가열시험을 실시하여 그 특성을 분석 평가 하였다. 연소관은 카본 에폭시 복합재를 사용하였고 추진제는 둔감 특성을 향상 시켜주기 위해 HTPE 추진제를 사용하였다. 반응 형태를 정량적으로 판단하기 위해 음압 및 열유속 센서를 사용하였다. 급속가열 시험한 HTPE 모타들의 반응형태는 Type V 인 연소반응을 나타내었다.

박격포는 근거리 진지전이나 직사화기 곡사화기로는 사격할 수 없는 배사면의 적을 큰 낙각의 탄도를 그리는 포탄으로 공격할 수 있으므로 보병부대에서 효율적으로 운용되고 있다. 육군에서는 정확성, 기동성 및 사거리가 증대된 120미리 박격포의 도입 필요성을 제기하고 있으며, 관련 연구도 꾸준히 진행되고 있다. 본 연구에서는 120미리 박격포탄 중 사거리연장탄에 사용되는 로켓추진제의 조성을 설계하여 시제품을 제조한 후 지상연소시험과 발사시험을 통해 120미리 박격포용 사거리연장탄의 개발 가능성을 알아보았다.

본 연구에서는 HTPE 추진제 원료 및 HTPE 둔감 추진제 조성 2종에 대하여 DSC와 TGA를 사용하여 열분해 특성을 고찰하였다. AN이 포함된 HTPE 002는 약 $125^{\circ}C$에서 AN의 상전이 과정($II{\rightarrow}I$)을 거친 후, 약 $200^{\circ}C$범위까지 BuNENA와 AN이 함께 발열특성을 가지고 분해됨을 알 수 있었다. 추진제 HTPE 001과 HTPE 002의 열폭발에 대한 임계온도, $T_c$,를 Semenov의 열폭발 이론과 몇 가지 가열속도에서 측정된 비등온 곡선으로부터 계산되었고, 임계온도 계산에 사용된 열분해에 대한 활성화 에너지는 Kissinger방법으로 측정하였다.

로켓시스템의 에너지원으로 적용할 수 있는 기체발생기용 복합 고체추진제의 개발과정을 기술한다. 80%의 고체입자 부하율과 양호한 유동성, 그리고 $-50^{\circ}C{\sim}70^{\circ}C$에서 경화에 적절한 추진제 물성을 갖는 HTPB를 바인더로 하여, 낮은 화염온도, 적은 고체입자 잔사, 무독성 생성물의 추진제 제조가 가능한 AN을 제1종 산화제로, 탄도특성 제어에 필요한 AP를 제2종 산화제로 추진제 주요 조성이 구성된다. 기본조성을 근거로 하여 일련의 물성개선 시험이 수행되었으며 최대응력 8 bar 및 최대응력점 변형율 30%, 그리고 탄성계수 1000 psi 수준의 물성을 갖는 추진제 조성을 얻을 수 있었다.

우주발사체 상단 고체추진기관은 고고도에서 위성체가 목표 궤도에 진입할 수 있도록 추력을 제공하는 역할을 하며, 적용되는 혼합형 추진제는 진공 및 방사선이 노출되는 우주환경에서 고성능은 물론 기계적 성질 및 내탄도 특성에서 변형이 없어야 한다. 본 논문에서는 우주발사체 상단 고체추진기관용 혼합형 추진제에 대한 조성 개발 및 표준모터와 고공환경 모사 시험설비를 이용한 성능시험평가에 대한 내용을 기술하였다.

Experiments were conducted in a constant pressure combustion chamber using schlieren system to investigate the effects of carbon dioxide/nitrogen/helium diluents on cellular instabilities of syngas-air premixed flames at room temperature and elevated pressures. Laminar burning velocities and Markstein lengths were calculated by analyzing high-speed schlieren images at various diluent concentrations and equivalence ratios. Experimental results showed substantial reduction of the laminar burning velocities and of the Markstein lengths with the diluent additions in the fuel blends. Effective Lewis numbers of helium-diluted syngas-air flames increased but those of carbon dioxide- and nitrogen-diluted syngas-air flames decreased in increase of diluents in the reactant mixtures. With helium diluent, the propensity for cells formation was significantly diminished, whereas the cellular instabilities for carbon dioxide-diluted and nitrogen-diluted syngas-air flames were not suppressed.

대향류확산화염에서 수축하는 화염디스크로부터 화염구멍으로 천이에 대한 실험 연구가 수행되었다. 이러한 연구는 버너직경, 전체신장율 그리고 속도비에 따라 묘사된다. 적절히 작은 버너 직경을 사용한 경우 고신장율 화염임에도 반경방향의 전도 열손실의 효과가 기여하는 것을 실험적으로 입증하였다. 그리고 화염소화 모드는 세 가지로 분류되며 특히, 충분히 큰 고신장율 화염의 표면에서 화염구멍 또는 줄무늬로 나타났다. 그리고 버너직경에 따라 화염소화모드를 구분 짓는 임계화염반경이 존재한다.

고속회전 연료분사시스템의 분무특성을 연구하였다. 분무특성에 영향을 주는 직렬식 분무오리피스의 직경을 각각 1mm, 2mm, 3mm, 4mm, 5mm와 분무오리피스 수를 3개, 6개, 12개로 변화시켜가며 분무특성 연구를 수행하였다. PDPA 측정 시스템을 이용하여 분무입자의 크기와 속도, 분무분포 등을 측정하였고, 고속카메라를 이용하여 분무가시화를 수행하였다. 실험결과, 분무오리피스로부터 분출된 단일 액주의 길이는 회전속도에 의해 제어되며, 분무입자의 크기(SMD)는 분무오리피스의 직경과 수가 증가함에 따라 작아지는 경향을 보였다. 결국 분무입자의 크기를 제어하는 기본 메커니즘은 분무 오리피스내의 액막의 두께에 의해 결정됨을 알 수 있었다.

고체 로켓 추진제로 널리 사용되는 물질은 AP/HTPB 복합추진제이다. 고체 로켓 주위에 열 하중이 가해진다면(화재 등) 추진제가 발화할 수 있고, 사고의 원인이 된다. 본 연구에서는 AP/HTPB 복합추진제의 주위에 열 하중을 가함으로써 AP/HTPB의 발화특성을 확인해 보았다.

가스터빈 연소기의 화염 특성을 알기 위하여 분할 연소기 시험을 수행하였다. 점화시험은 여러 가지 연소기 유입 공기속도와 공기과잉율에 따라 토치 점화장치를 이용하여 수행되었다. 또한, 연료를 충분히 공급한 상태에서 점화를 수행한 후 점차 연료량을 감소시켜가며 희박연소한계를 측정 하였다. 실험 결과, 공기과잉율 6에서 안정한 점화를 보였고 이 값은 연소기 공기 유입속도에 따라 점점 증가함을 보였다. 최소 실화한계는 연소기 공기 유입속도 40 m/s에서 약 4였고, 이 값 또한 연소기공기유입속도에 따라 약 10 까지 증가함을 보였다.

본 연구는 케로신-LOX를 연료와 산화제로 하는 액체로켓엔진의 가스발생기용 스월 동축형 인젝터의 리세스 길이에 따른 분무특성 파악을 목표로 하였다. 리세스 길이에 따른 두 추진제의 혼합 형태가 내부 혼합, 팁 혼합, 외부 혼합 등으로 분류되고, 인젝터 외부의 분무안정성에 영향을 미치므로 분무특성과 큰 연관성을 가진다.

Since the coupling of cavitation modeling with turbulent flow is the difficulty topic, a numerical simulation for two phase flow remains as one of the challenging issues in the society. This research focuses on the development of numerical code to deal with incompressible two phase flow around conical body combined with cavitation model suggested by Kunz et al. with k-e turbulent model. The simulation results are compared to experimental data to verify the validity of the developed code. The calculation results show very good agreement with experimental observations. Also, the calculation of cavitation in cryogenic fluid is being done by implementing the temperature sensitivity in government equations and it is still in the progress. This code have been being further extended to 3D compressible two phase flow for the study on the fluid dynamics around inducers and impellers in turbo pump system.

추력 75톤급 액체로켓엔진용 기술개발/검증 시제인 가스발생기의 연소시험이 수행되었다. 가스발생기 분사기 및 헤드의 성능을 먼저 확인하기 위해 heat-sink 형태의 연소실이 사용되었다. 본 논문에서는 연소시험을 위한 준비상황 및 기술검증시제 연소시험에서 얻어진 압력, 온도 분포, 압력 섭동 등의 결과들을 설명하였다.

본 연구의 목적은 실제로 서인천 발전본부에서 운용하고 있는 GE 7FA+e DLN 2.6 가스터빈 연소기의 연소특성과 배기배출물에 대한 제어 연구를 소개하고 모형 가스터빈 연소기의 연소동특성 및 연소불안정 현상을 확인하고자 한다. 모형 연료노즐은 실제의 1/3 크기로 상사하여 제작되었고, 실제 노즐과 동일한 각도의 2단 스월러(swirl vane)를 가지고 있다. Plenum과 연소기의 형상은 실 가스터빈과 유사한 음향학적 특성을 가질 수 있도록 설계되었고 실험은 공기온도, 노즐출구 속도, 당량비, 연소실 길이를 변수로 이루어졌으며, 그 결과 연소실의 연소불안정 mode는 각각의 실험 변수에 따라서 연소실의 공진주파수의 영향, 연소온도와 공기-연료 혼합기 분포에 의해서 mode가 전이되는 현상을 확인하였다.

사각 스월 연소기의 냉각 유동에 의한 비반응 난류 유동 특성을 파악하기 위하여 3차원 Large Eddy Simulation(LES)을 수행하였고, 후처리 기법으로 Proper Orthogonal Decomposition(POD) 분석을 이용하였다. 해석에 이용된 연소기 모델은 GEAE사의 LM6000 연소기이다. 냉각 유동의 유입시 전단층(shear layer)의 속도 증가로 인해 중심 재순환 영역의 와류 강도는 강해진 반면 코너 재순환 영역의 와류 강도는 약해진 것을 관찰하였다. 또한 연소실 내 압력변동 폭이 감소하였으며, longitudinal acoustic mode의 감쇠가 두드러지게 나타난 것을 확인하였다.

희석된 동축공기 수소 난류확산화염에서 연료의 구성이 화염 길이에 미치는 영향에 대한 연구를 수행하였다. 화염의 길이는 동축공기와 연료 제트의 속도비의 함수로 표현하였고, 이론적 예측과 비교하였다. 네 조건의 연료 구성에 대해 연구를 수행하였다. 동축공기 제트 화염의 길이 예측을 위해 near-field concept에서의 유효 직경을 이용한 스케일링 관계식을 유도하였다. 실험 결과 가시 화염의 길이는 이론적 예측과 크게 일치하였다. 여러 연료 조건에서의 희석된 수소 제트의 화염에서도 스케일링 분석은 유효하였다.

산소를 추진제로 사용하는 발사체를 발사하기 위한 발사대 및 그것을 시험하기 위한 설비를 보유하고 있는 건물은 언제나 누출된 산소로 인한 화재 및 폭발의 위험성을 지니고 있다. 또한 질소, 헬륨 등과 같은 각종 고압가스류를 사용하고 있기 때문에 밀폐된 공간에서의 가스 누출로 인한 질식사의 위험에도 노출되어 있다. 따라서 이러한 공간 내의 공기 중 산소 농도를 관리하여 발생할 수 있는 사고를 미연에 예방할 수 있어야 한다. 본 논문에서는 산소 농도 관리의 방법과 시스템 구성 및 적용 결과를 정리하였다.

과팽창 상태 추력 노즐 내부의 측력(Lateral Force)발생에 대한 기초적 연구 분석을 실험적, 수치 해석적 방법으로 수행하였다. 엔진 정지 과정시 추력 노즐 내에 발생하는 압력진동을 조사하였다. 구동 압력비 변화에 따른 벽 압력 분포를 측정 및 쉴리렌 가시화를 수행하였다. RSS(Restricted Shock Separation)에서 FSS(Free Shock Separation)로 천이하는 순간 벽 압력 피크값이 발생하였다.

본 논문에서는 2차유동손실을 일으키는 주요 요인 중의 하나인 말굽와류의 강도를 감쇄시키기 위해 일반적인 날개 앞전의 형상을 결정하는 변수를 정하고 이를 최적화 하였다. 근사최적설계 기법을 이용최적화를 수행하였다. 유동해석과 최적화 프로그램으로는 $FLUENT^{TM}$과 $iSIGHT^{TM}$를 이용하였다. 최적화 수행결과, 기준 모델의 경우보다 전압력 계수가 약 9.79% 감소하였다.

친환경 추진제인 $N_2O$ 단일추진제 추력기 개발을 위하여 $N_2O$ 촉매 분해 시험을 수행하였다. 백금(Pt), 이리듐(Ir)을 알루미나 펠렛에 코팅한 촉매를 삽입하여 압력을 달리하고 분해 반응이 시작되는 최저 예열 온도를 측정하였다. 실험 결과 Ir이 $N_2O$ 분해 반응에 더 적합하며 최저 요구 예열 온도도 낮게 나타났다. 또한 요구 예열 온도는 챔버 압력이 증가함에 따라 감소하였다. 그러나 지속적인 분해 반응시험을 통해 Ir의 산화 반응에 의한 반응성 저하 현상이 나타남을 실험적으로 확인하였다.

본 연구에서 적용한 발사체용 산화제 터널형 배관은 액체산소를 터보펌프까지 전달하는 장치로 산화제 탱크 하부에 설치된 연료탱크를 관통하여 설치된다. 터널형 배관은 연료탱크를 우회하여 설치되는 우회 배관에 비해 무게가 절감되나 열전달 표면적이 커져 연료 탱크에 저장된 연료의 온도를 변화 시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 터널형 배관의 극저온 성능시험을 통하여 배관 특성 및 연료 탱크로의 열전달 현상을 고찰하였으며, 또한 발사체에 적용가능성을 확인하였다.

소형 정찰 UAV의 새로운 동력원으로 적용하고자 하는 연료전지 시스템의 경량화를 위한 연구로 알루미늄 분리판의 성능을 측정하였다. 흑연 분리판과의 성능 비교를 통해 알루미늄 분리판이 흑연 분리판에 비해 무게 대비 높은 성능을 보이는 것을 확인하였다. 작동온도에 따른 성능 변화를 확인하기 위해 40 / 50 / $60^{\circ}C$의 작동온도에서 알루미늄 단위 전지의 성능을 측정한 결과 건조한 반응기체의 경우 일반적인 작동온도 보다 비교적 낮은 $40^{\circ}C$에서 가장 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였다.

MEMS를 적용한 추진기관용 점화안전장치를 설계하고 제작하였다. MEMS는 일반적인 기계요소 설계 방식을 따라 설계하였다. 제작된 시료에 대한 검사 결과와 설계 데이터를 비교해 본 결과 스프링의 비선형 요소에 의한 영향과 가공오차 등으로 인하여 설계된 성능 값과 근사한 차이를 나타냈다. MEMS가 결합된 점화안전장치의 성능 시험을 실시함으로써 MEMS 적용 가능성을 입증하였다.

본 연구에서는 감광유리를 이용한 PEM 마이크로 연료전지 바이폴라 플레이트의 제작 공정을 확립하고 성능 측정을 수행하였다. 감광유리는 무게가 가볍고 내화학성이 뛰어나며 제작이 용이하다. 비등방성 식각, 열 및 UV 접합, 그리고 금속 층 적층을 통한 MEMS 제작 공정이 확립되었다. 성능 측정 결과 활성화 영역에 은이 적층된 마이크로 연료전지의 성능이 그렇지 않은 것보다 우수하였으며 두 경우에서 측정된 마이크로 연료전지의 성능은 모두 국내외 마이크로 연료전지 연구 수준과 동등한 수준이었다.

극저온 가압제를 사용하는 가압시스템에서 가압제의 공급을 차단하기 위하여 많이 사용되고 있는 밸브로는 공압구동밸브나 솔레노이드밸브, 파이로밸브 등이 있다. 공압구동밸브와 솔레노이드밸브는 파이로밸브에 비하여 구조가 복잡하고 무게가 무거운 단점이 있어, 본 연구에서는 극저온 및 고압에 적용이 가능하고 구조가 비교적 간단하고 무게가 가벼운 극저온 헬륨가스용 파이로밸브를 개발하여 내압 및 기밀시험과 진동시험, 극저온 공급시험을 수행하였다.

홀 추력기는 전기추력기의 한 종류로 비교적 간단한 구조와 높은 추력밀도 및 비추력으로 소형위성에 적합하다고 판단되어 주목받고 있으며, 이에 국내에서도 과학기술위성 3호의 핵심기술로 선정되어 자체 개발 중에 있다. 여러 요구조건 분석을 통해 입력전력 300 W, 추력 10 mN, 추력효율 35% 및 비추력 1000 s이 개발목표로 설정되었으며, 이를 만족하는 추력기의 개발을 위해 다양한 구조의 프로토타입 제작 및 실험을 수행하였다. 그 결과 현재까지 약 290 W 입력전력과 0.97 mg/s의 제논 연료유량에서 11 mN의 추력을 37%의 추력효율로 얻는 만족할만한 결과를 얻었다.

본 논문에서는 PAV 추진기관에 대한 현황 및 전망을 조사하고 검토하였다. 현재의 수송교통 체계가 포화상태로 가고 있기 때문에 그 대안으로 개인용 항공기(PAV, Personal Air Vehicle)의 출현이 강하게 요구되고 있다. 왕복엔진의 경우 효율과 가격의 측면에서 우수하다는 장점을 지니고 있어 큰 출력을 필요로 하지 않는 PAV에 적합하다고 생각할 수 있다. 최근 친환경 시장이 급격히 성장하고 있어 기존 왕복엔진이나 가스터빈엔진 기술의 발전과 더불어서 연료전지와 배터리를 이용하는 친환경적인 추진기관을 선호하는 추세가 높아지고 있다.

성공적인 발사나 시험 운용을 위해서는 여러 가지 위험 요소들을 사전에 제거하여야 한다. 오염된 추진제 사용은 발사 혹은 시험을 실패하게 하는 원인들 중 하나이다. 특히 액체산소를 산화제로 사용하는 발사체 및 공급시스템의 경우 기계적 불순물, 유지분, 수분 등의 오염원들로 청정상태를 유지하지 못할 경우 예기치 못한 화재나 폭발의 위험도가 높아지게 된다. 본 논문에서는 이러한 오염원들을 제거하고 시스템을 청결하고 안전한 상태로 유지하기 위한 방법을 제시하고 그 적용결과 및 교훈을 정리해 보았다.

액체추진제로켓엔진의 추진제 공급유로 내 압력보정을 목적으로 설치된 오리피스는 엔진의 시동 및 정지시, 압력파를 발생시키는 원인이 되며 압력파로 인한 저주파 불안정을 막기 위해서는 오리피스의 개도에 따른 동특성의 변화를 살펴볼 필요가 있다. 오리피스의 동특성 변화를 확인하기 위해 오리피스 공급 압력을 급격하게 증가하도록 하였고 오리피스의 개도를 바꿔가며 동적인 압력변화를 측정하였다. 오리피스의 개도가 증가함에 따라 오리피스에 의한 수격현상은 감소하였으며 오리피스 하류의 수력학적 영향이 지배적으로 나타나는 것을 확인하였다.

Supersonic ejectors are simple mechanical components, which generally perform mixing and/or recompression of two fluid streams. Ejectors have found many applications in engineering. In aerospace engineering, they are used for altitude testing of a propulsion system by reducing the pressure of a test chamber. It is composed of three major sections: a vacuum test chamber, a propulsive nozzle, and a supersonic exhaust diffuser. This paper aims at the improvement of ejector-diffuser performance by focusing attention on reducing exhaust back flow into the test chamber, since alteration of the backflow or recirculation pattern appears as one of the potential means of significantly improving low supersonic ejector-diffuser performance. The simplest backflow-reduction device was an orifice plate at the duct inlet, which would pass the jet and entrained fluid but impede the movement of fluid upstream along the wall. Results clearly showed that the performance of ejector-diffuser system was improved for certain a range of system pressure ratios, where as there was no appreciable transition in the performance for lower pressure ratios and the orifice plate was detrimental to the ejector performance for higher pressure ratios. It is found that an appropriately sized orifice system should produce considerable improvement in the ejector-diffuser performance in the intended range of pressure ratios.

신기전은 고려말 최무선에 의해 주화로 개발되었다. 조선시대로 넘어와 세종 30년(1448년) 총통등록(銃筒謄錄)이 편찬되면서 신기전으로 명칭이 바뀌었고, 그 크기와 용도에 따라서 소 중 대 산화 신기전으로 구분이 되었다. 이 중 대신기전은 15세기 개발되었던 로켓형 화기 중에 세계 최대, 최고의 성능을 자랑한다. 본 연구에서는 대신기전 복원의 마지막 단계인 비행실험을 수행하였으며, 이 결과를 통하여 대신기전의 성능에 대하여 평가하였다.

형상에 따른 오리피스의 동특성을 확인하기에 앞서 정상 상태에서의 성능에 대한 연구가 선행되어야 한다. 이를 위해 수치해석을 통해 개도, 두께, 팽창각에 따른 오리피스의 성능을 예측하였다. 유동 해석 알고리듬은 SIMPLEC을 사용하였고, 차분 기법은 PRESTO, QUICK 기법을 사용하였으며, 난류 모델은 $k-{\omega}$ STS를 사용하였다. 오리피스의 개도가 증가하면서 유량계수는 급격하게 증가하였고, 두께가 증가하면서 유량계수는 급격하게 증가하였다가 서서히 감소한다. 팽창각이 45도일 때 유량계수가 가장 작게 나타났다.

액체로켓에 산화제를 충전하는 과정은 크게 산화제 탱크의 냉각, 고유량 충전, 소유량 충전, 온도 보정을 위한 추가 충전으로 나눌 수 있다. 나로호(KSLV-I) 1단의 산화제는 액체산소를 사용하며, 각 충전모드에 해당하는 유량 및 온도 요구조건이 제시되어 있다. 이러한 유량 및 온도 요구조건을 만족하기 위해서 산화제 공급시스템에는 유량조절용 밸브와 열교환기가 설치되어 있다. 본 연구에서는 발사체 산화제 충전과정에서 정밀한 유량 공급을 위하여 상용 1차원 열-유동 해석 프로그램인 Flowmaster를 이용하여 1차원 유동 시스템 해석을 수행하였다. 아울러 제한된 인증 시험을 통하여 각 모드에서의 유량 조건을 만족시키기 위한 유량제어밸브들의 유량 보정 민감도를 해석적으로 구하였다.

본 논문에서 155mm 자주포 K9에 사용되는 추진장약 K676의 포구속도 확률분포에 관하여 분석하였다. K676 추진장약의 로트별 수락시험으로 얻어진 포구속도 자료를 분석하였으며 각 시험탄의 포구속도는 기준탄의 사격결과 값으로 보정하였다. 최근까지 수행된 사격시험으로 얻어진 모든 시험값에 대하여 적합도 검정을 하였으며, 정규분포, 2모수 와이블분포 및 3모수 와이블분포 중 정규분포가 가장 적합한 확률분포임을 확인하였고 와이블분포도 충분히 활용할 만하다. 변동계수로부터 추진장약의 양산능력이 균일하게 유지되고 있음을 알 수 있다.

공압시스템은 지상설비 및 발사체 공급시스템에 광범위하게 활용되고 있다. 공압시스템의 목적은 수요처에서 요구되는 유량 및 압력을 요구조건에 맞게 공급하는 것이다. 발사체 관련 가스공급은 타 분야 가스공급과는 달리 대유량의 가스공급이 일반적으로 요구되며, 이때 공급압력이 감소되어 유량을 공급하는 동안 요구되는 압력을 만족시키지 못하는 현상이 흔히 발생한다. 공급시 압력감소는 레귤레이터의 특성과 직접적으로 연관되어 있다. 본 논문은 대유량 가스공급시 공급압력 감소와 관련된 레귤레이터의 특성을 제어이론의 측면에서 검토하였고 이를 개선시킬 수 있는 방법을 이론적으로 제시하였다.

75톤급 액체로켓엔진의 성공적인 개발을 위해서는 각 구성품에 대한 다수의 시험이 수행되어야 하며 이러한 상황은 연소기에서도 동일하다. 하지만 한국항공우주연구원에서 운용 중인 시험설비는 75톤급 연소기를 정상 추력으로 수행하기에는 부족하다. 연소기 개발 시험에 접어들기 이전에 시험설비는 준비가 되어야 하기 때문에 시험설비의 구축이 급박하다. 본 논문에서는 이와 같은 긴급한 필요성으로 수행한 75톤급 액체로켓엔진 연소기 시험설비의 기본설계 내용을 기술한다.

유체 공급 배관 내에 오리피스를 설치하여, 압력진동의 감쇠효과를 수치해석 및 실험을 통하여 조사하였다. 압력진동이 작다는 가정에 기초하여 오리피스의 음향학적 감쇠 효과를 실험적으로 확인 하였으며, 평균 유동이 있을 경우 관찰되는 감쇠 특성을 수치적으로 조사하였다. 오리피스의 위치에 따른 압력진동의 마디, 즉 속도 진동의 배가 되는 위치에 오리피스를 설치할 때 가장 효과적인 압력 진동이 감쇠 되었다. 배관 내 평균 유속이 있을 경우 공진주파수가 감소하였고, 이에 따라 최적 감쇠 효과를 갖는 오리피의의 위치도 변화함을 알 수 있었다.

산화제로 액체산소를 사용하고 산화제 탱크 내부에 가압제 용기가 설치된 액체추진기관의 가압시스템에서는 가압제 용기에서 극저온으로 토출되는 가압제가 가스발생기 후단의 열교환기를 통과하여 극저온에서 고온으로 온도가 상승되어 추진제 탱크의 얼리지로 공급된다. 이러한 가압시스템을 개발하기 위해서는 열교환기를 모사할 수 있는 가열장치를 적용하여 인증시험을 수행하여야 한다. 본 연구에서는 가압시스템 개발시험에 적용할 수 있는 극저온 헬륨가스 가열장치를 개발하였고 이에 대한 가열시험을 수행하였다.

터보프롭 항공기는 감속장치로 인한 출력한계 및 프로펠러로 인한 최대속도 한계 등으로 대형항공기로 거의 사용되지 않았으나 최근 경제적, 환경적 요인으로 수요가 증가하고 있다. 본 논문에서는 Pratt & Whitney 사의 PW127F 터보프롭 엔진과 Hamilton Standard 사의 568F 프로펠러로 구성된 ATR72-500 중형 터보프롭 항공기의 추진시스템을 Gasturb11 소프트웨어를 이용하여 모델링하였으며 성능해석 결과 추진시스템 모델이 성공적으로 구성되었음을 보여주었다.

압축기에 불안정한 특성인 선회실속(Rotating stall)이 발생하면 압력 및 효율이 저하되고, 기계적인 손상도 야기한다. 이러한 불안정성을 개선하고 안정 운전영역을 넓히기 위해 4단 저속 축류압축기에 공기 분사(Air injection) 방법을 적용하여 안정성 개선 실험을 실시하였다. 동익 팁에 축방향으로 공기를 분사할 수 있도록 하기 위해 코안다 효과를 적용한 노즐을 사용하였고, 8개의 인젝터를 1단 동익 상단에 등간격으로 설치하였다. 축류 압축기 80% speed로 운전하면서 선회실속이 발생하기 전에 공기 분사를 실시하였고, 모드(Mode) 발생 유량의 5.4%에 해당하는 공기를 분사하여 약 4%의 안정성 개선 효과를 얻었다.

극심한 작동환경에 노출되는 부품은 일반적으로 수명이 줄어들게 된다. 액체로켓의 터보펌프는 높은 회전속도로 인한 높은 원심력과 높은 온도와 같은 환경에서 작동한다. 이와 같은 환경에서 작동하는 터보펌프는 극심한 피로와 크리프의 영향으로 재료의 내구성이 떨어지게 된다. 75톤급 터보펌프 터빈의 내구성을 확보하기 위하여 피로와 크리프의 영향을 고려한 손상률을 계산하였다. 터보펌프 피로해석에는 ABAQUS/CAE와 MSC.Fatigue를 사용하여 해석을 수행하였으며, 크리프 해석을 수행하기 위해서 Larson-Miller parameter 곡선과 로빈슨 법칙을 사용하였다. 본 연구에서는 터보펌프의 터빈에 대한 내구성을 확보하기 위하여 피로의 영향과 크리프의 영향을 비교, 분석하였다.

소형 무인항공기 추진용 덕티드 팬의 실험적 연구가 수행되었다. 이 논문에서는 덕티드 팬의 입구, 로터 뒤, 스테이터 뒤에서 허브에서 팁 방향으로 $45^{\circ}$ 경사 열선으로 측정하여 비정상 3차원 유동 특성을 연구하였다. 경사열선 요각을 고정시켜 데이터를 획득하였다. 이 데이터는 위상평균기법을 이용하여 평균되었다. 이 데이터는 Newton-Rhapson 수치해법을 통하여 3개의 비선형 연립방정식을 풀었다. 축 방향, 반경 방향 그리고 원주 방향 속도의 윤곽을 통해 팁 후류, 이차유동 그리고 팁 누설유동과 같은 유동 특성을 확인 하였다.

Currently, a new generation of ducted fan UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) is under development for a wide range of inspection, investigation and combat missions as well as for a variety of civil roles like traffic monitoring, meteorological studies, hazard mitigation etc. The current study presents extensive results obtained experimentally in order to investigate the tip clearance effects on performance characteristics of a ducted fan for small UAV systems. Three ducted fans having different tip clearance gap and with same rotor size were examined under three different yawed conditions of calibrated slanted hot-wire probe. Three dimensional velocity flow fields were measured from hub to tip at outlet of the ducted fan. The analysis of data were done by PLEAT (Phase locked Ensemble Averaging Technique) and three non-linear differential equations were solved simultaneously by using Newton -Rhapson numerical method. Flow field characteristics such as tip vortex and secondary flow were confirmed through axial, radial and tangential velocity contour plots. At the same time, the effects of tip clearance on axial thrust and input power were also investigated by using wind tunnel measurement system. For enhancing the performance of ducted fan, tip clearance level should be as small as possible.

로켓엔진 연소기의 음향 불안정 억제를 위해 헬름홀츠 공명기의 음향학적 최적 설계 설계조건을 실험적, 해석적으로 연구하였다. 표준 음향시험 절차에 따라 음향파관에 공명기를 장착하여 음향파응답 신호를 측정하였다. 측정된 신호를 토대로, 흡음계수를 계산하였고, 이로부터 공명기의 음향감쇠 성능을 파악하였다. 헬름홀츠 공명기를 스프링-댐퍼 시스템으로 상사하여, 음향학적 감쇠성능을 이해하였다. 헬름홀츠 공명기의 설계변수로 목의 길이와 공동의 크기 등을 선택하였다. 공동의 크기가 커질수록 흡음성능이 증가하였고, 목 길이가 길어질수록 흡음성능이 감소하였다.

본 연구는 MIL-HDBK-310을 기준으로 한 고도별 대기상태 즉, 온도, 습도 및 압력을 모사하여 고도에 따른 피시험물의 성능을 MIL-STD-810F 및 AIAA-2466에서 정한 시험 절차에 따라 평가하는 챔버를 개발하는 것이다. 이를 위한 대기차단 구조물, 시험부 및 공기순환유로, 고도모사 배기장치, 온도제어장치, 습도제어장치 및 설비제어장치 등을 설계하는데 고려하여야 할 사항을 기술하였다.

75톤급 액체로켓엔진 터보펌프 조립체에 대한 열응력 해석을 수행하였다. 터보펌프 시스템의 거시적인 거동을 조사하기 위하여 전체 조립체를 해석 대상으로 고려하였으며 해석의 효율성을 높이기 위하여 2차원 축 대칭 모델로 해석하였다. 실제 운전 조건을 고려하여 예냉, 운전 및 운전 후 단계에 대한 열전달 조건을 상정하여 해석하였으며 각 단계에서의 온도 분포, 응력 분포 및 변형량을 예측하였다. 해석에는 터보펌프를 감싸고 있는 단열재의 영향 및 베어링에서 발생하는 발열량을 고려함으로써 최대한 정확한 예측이 가능하도록 하였다.

액체로켓 엔진에서 산화제를 가스발생기에 공급하는 가스발생기 산화제 개폐밸브는 가스 발생기 연소압 이상의 높은 압력에서 구조적인 안정성을 확보하여야 한다. 본 연구에서는 내압 하중 조건을 받는 밸브의 경량화를 위하여 응력 집중 부위의 형상을 변화시켜가며 정적 응력 해석을 수행하였다. 그리고 최대 응력이 항복응력을 넘지 않으며 최소 중량을 가지는 밸브 형상을 제시하였다. 또한, 응력 집중부에 대한 전체 밸브 사이즈 변화의 영향도 살펴보았다.

본 연구의 그라파이트는 로켓 노즐목 재료로 많이 사용되는 것으로써 다른 어떤 내열재료보다 로켓추진기관의 작동시간 동안 그 형상을 유지할 수 있는 삭마저항성과 열전도도가 큰 재료이다. 노즐목으로 사용되는 그라파이트는 내삭마성, 사용가능 온도, 가격, 무게측면에서 유리하지만 열충격 강도가 상대적으로 작기 때문에 설계시 구조적인 안전성을 충분히 확보해야만 한다. 본 연구에서는 로켓 노즐목으로 많이 사용하는 ATJ 그라파이트에 대하여 실험과 해석을 통하여 고온 파괴 인성치를 결정하였으며, 열충격시험 결과를 그라파이트 재료의 비선형성을 고려한 hypo elastic 기법을 이용한 해석적 방법으로 비교하여 해석의 정확성을 확인하였다.

재생냉각형 액체로켓 연소기 챔버에서 열차폐 코팅이 미치는 열/구조적인 영향에 대하여 유한요소 해석을 통하여 고찰하였다. 열차폐 코팅은 현재 개발하고 있는 연소기에 사용되는 NiCrAlY-$ZrO_2$과 향후 적용할 가능성이 있는 Ni-Cr 두 종류를 적용하였다. 열/구조해석 결과 NiCrAlY-$ZrO_2$ 코팅이 Ni-Cr 코팅에 비하여 열차폐에 의한 온도감소 효과가 크게 나타났다. 결과적으로 냉각채널의 온도와 변형 또한 NiCrAlY-$ZrO_2$ 코팅을 적용하였을 때 Ni-Cr 코팅보다 감소하였다. 외측구조물의 구조안정성에 있어서 Ni-Cr 코팅이 미치는 영향은 없었으나, NiCrAlY-$ZrO_2$ 코팅은 외측구조물의 유효응력을 감소시켜 챔버의 구조안정성을 증가시켰다.

섬유 방향 물성은 복합재 연소관의 내압 변형 및 파열 압력에 직접적인 영향을 미치므로, 우수한 성능의 복합재 연소관 개발을 위해서는 정확한 섬유 방향 물성 측정이 우선되어야 한다. 그러나 복합재 연소관의 섬유 방향 물성은 제작 공정 변수(와인딩 장비, 작업자, 작업환경 등)와 크기 효과에 의해 비교적 큰 영향을 받으므로 기존의 시편 시험 방법으로는 정확한 섬유 방향 물성 측정이 어렵다. 제품으로부터 다량의 링 시편을 채취, 시험할 수 있는 Hoop ring 시험 방법이 제시되었고, 실물 연소관의 수압 파괴 시험으로부터 구한 섬유 방향 물성과 근접된 좋은 일치를 나타내었다.

고체 및 액체 추진기괸에 적용하기 위하여 액체 실리콘 함침법(LSI)을 이용한 C/SiC 복합재료를 개발하였다. 연소시험을 통하여 C/SiC 복합재료의 우수한 성능을 확인하였으며 산화에 의한 삭마 모델을 제시 하였다.

본 논문에서는 CFRP 복합재 압력용기의 저속충격후 잔류강도 저하량의 정량적인 연구 결과에 대해 논한다. 낙하식 충격시험을 이용하여 복합재 압력용기에 다양한 충격에너지별 충격하중을 가한 후, 압력용기를 원환시험편으로 가공하여, 각 시험편의 원주방향 파열압력이 측정되었다. 또한, 유한요소모델을 구축하여 충격에너지별 변형거동과 응력분포에 대해서도 고찰하였다. 본 연구결과 저속 충격후 CFRP 복합재 압력용기의 잔류강도 저하량을 정량적으로 평가할 수 있는 실험기법이 개발되었다.

본 연구에서는 기존의 접착제를 대체용 접착제로 대체 가능한지의 여부를 조사하기 위하여 구조용 접착제에 대해 일련의 열화 시험을 수행하였다. 구조용 접착제는 온도, 수분, 자외선 등의 자연환경 조건을 모사할 수 있는 가속노화시험기를 통해 복합적인 환경인자에서 1000시간 동안 노출시켰다. 구조용 접착제의 기계적 특성은 하중 시험기를 통해, 화학적 특성은 적외선 분광 분석 장치를 통해 평가하였다. 연구결과에 따르면 대체용 접착제가 환경인자에 노출될 경우 기존의 접착제에 비해 안정적이기 때문에 기존의 접착제는 대체용 접착제로 대체 가능할 것으로 판단하였다.

EPDM(Ethylene-propylene diene monomer)계 고무의 난연성 향상을 위하여 무기계 난연재료인 $Al(OH)_3$와 $Sb_2O_3$를 첨가하여 물성 및 열적 특성을 조사하였다. 각 시편의 물성은 큰 차이를 보이지 않았으나, 난연재료의 함량이 증가할 수 록 비중과 경도는 높아지는 반면에 신율은 낮아지는 경향이 있었다. 본 연구에서는 열분석과 난연성 시험을 실시하였고, 결과적으로 난연재료의 함량이 10phr 이상에서는 난연 효과가 확연히 나타나는 것으로 판단되었다.

복합재료 구조물의 충격 특성을 향상시키기 위해 형상기억합금을 삽입한 복합재료 평판의 충격실험을 수행하였다. 형상기억합금은 일반 금속 재료에 비해 큰 극한 변형율과 강도를 가질 뿐 아니라 변형시에 상변화를 통해서 많은 변형에너지를 흡수할 수 있는 특징을 가진다. 이러한 형상기억합금을 복합재료에 삽입하여 충격에 약한 복합재료의 충격 저항성을 향상시키기 위한 연구를 수행하였다. 먼저 여러 온도에서 형상기억합금의 인장실험을 수행하여 형상기억합금의 열-기계학적 특성을 파악하였다. 이후 형상기억합금, 철, 알루미늄 선을 삽입한 복합재료 평판의 충격 실험을 통하여 보강재에 따른 충격 특성을 파악하였다. 또한 형상기억합금의 두께 방향으로의 삽입위치에 따른 충격 특성을 파악하였다.

Analysis of the uncertainty to have engineering solution of gas-dynamic and hydrodynamic problems is based on the comparison the prospective engineering solution with experimental result. In this paper, the mathematical model to estimate heat flux along gas-dynamic channel wall and the solution sequence are shown. Statistical information and generalizing experimental characteristics about gas- and hydro-dynamic channels were applied to the mathematical model. As the results, it is possible to draw a conclusion that models of the integrated approach, using the averaged statistical data of generalizing characteristics for a turbulent flow, without consideration of the turbulent mechanism (characteristic pulsations), can predict a nominal operating regime for gas-dynamic and hydrodynamic systems. The probable deviation of operating regime for newly designed the gas-dynamic channel can achieve 20% from a regime predicted on a basis 1-D or 3-D modelling irrespective of a kind of used models.

The supersonic gas ejector, as gas dynamic appliance, has been applied for a long time because of simplicity and reliability. However, for the prediction of ejector performances with given parameters, that is, working gas pressure and the nozzle shape, it is necessary to raise accuracy of modelling for properties of ejector gas flow. The purpose of the represented work is to compare one-dimensional modelling and numerical results with experimental results. The ejector with a conic nozzle has been designed and tested (Mach number at the nozzle exit section was 3.31, the nozzle throat diameter - 6 mm). Working gas - nitrogen, was brought from system of gas bottles. Diameter of the mixture chamber at the nozzle exit section was limited by condensation temperature of nitrogen and equaled 20 mm. The one-dimensional theory predicted the minimal starting pressure equaled 8.18 bar (absolute) and 0.051 bar in the vacuum chamber. Accordingly the minimal starting pressure was 9.055 bar and 0.057 in the vacuum chamber bar have been fixed in experiment.

로켓노즐 유동은 성능에 대단히 중요한 영향을 미치나, 고온 고압의 가스 유동 특성으로 직접적인 측정이 매우 어렵다. 이러한 문제 해결을 위해 수력학적 상사(hydraulic analogy)기법이 개발되었으며, 본 연구에서는 고온 고압의 로켓 노즐 유동에 대한 수력학적 상사의 적용 가능성이 시험되었다. 로켓 모타의 축대칭 De Laval 노즐 내부 유동현상에 관한 연구가 수력학적 상사를 이용하여 설계된 2차원 수문형 시험장치(2-D Sluice-Type Water-Table)에서 수행되었다. 정량적인 시험을 위해서는 $k{\neq}2$인 기체 유동에 대한 비상사성 문제 해결이 필요하며, 본 연구에서는 시험대를 경사시켜 유동방향 중력가속도 영향을 감소시킴으로서 점성에 의한 비상사성 문제 해결을 시도하였다. 유동 가시화를 통해 수력학 상사에 대한 이해를 깊이할 수 있었으며, 수력학적 상사 실험(2차원 등엔트로피 유동)의 관련 분야에 대한 다양한 적용 가능성이 확인되었다.

항공기의 초음속 배기노즐에서 피치 및 요 편향과 함께 가변으로 작동하는 추력편향 노즐에 대한 연구를 수행하였다. 최대속도 마하 1.8, 비행 반경 400Nm에 대한 가상의 항공기에 대한 엔진모델을 생성하여, 항공기의 각 작동영역에 대한 싸이클 해석을 수행하여 추력편향 노즐의 기본사양을 구성하였다. 이를 바탕으로 2차원 추력편향 노즐을 설계하고, 유동 분석은 피치 및 요각의 편향에 의해 수행되어졌다.

center-body디퓨져에 대한 형상 설계 요소를 분석하고 수치적 기법을 통한 설계형상 변수를 구성하였다. 수치기법으로는 Center-body 디퓨져의 내부유동해석을 위하여 2차원 축대칭 Navier-Stokes equation와 $k-{\omega}$난류모델을 사용하였다. 또한 center-body디퓨져의 시동압력과 진공도 및 형상설계변수에 대해서 2차목 디퓨져와 비교하였다.

Supersonic microjets acquire considerable research interest from a fundamental fluid dynamics perspective, in part because the combination of highly compressible flow at low-to-moderate Reynolds number is not very common, and in part due to the complex nature of the flow itself. In addition, microjets have a great variety engineering applications such as micro-propulsion, MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems) components, microjet actuators and fine particle deposition and removal. Numerical simulations have been carried out at moderate nozzle pressure ratios and for different nozzle exit diameters to investigate and to understand in-depth of aerodynamic characteristics of supersonic microjets.

고농도 과산화수소를 산화제로 이용하는 하이브리드 로켓의 자연 점화 연구를 수행하였다. 별도의 점화기 없이 촉매 반응을 통한 과산화수소 분해가스를 파라핀 및 폴리에틸렌에 분사함으로서 점화를 하였고 연속적인 재점화 및 즉각적인 점화 특성을 확인하였다. 안정적인 연소를 위해 파라핀은 PE에 비해 높은 연소실 특성길이가 요구된 반면, 펄스 응답특성은 점화지연 13 ms, 상승시간 30 ms 로서 폴리에틸렌의 응답성에 비해 두 배 가량 빠른 특성을 보였다.

본 연구에서는 추력 650 kgf 급의 PE/N2O 하이브리드 로켓 모터의 지상 연소시험을 수행하였다. 초기 실험에서 산화제 유량이 작게 유입됨으로 인해 연소실 압력 및 추력이 설계치 만큼 확보되지 못함을 확인 하였다. 이를 보완하기 위해 노즐목 감소 및 산화제 유량을 증대하여 실험을 수행하였고, 실험에서 발생하는 연소현상을 분석하였다. 또한 sub-scale과 lab-scale의 실험결과를 통해 scale에 따른 연소특성 변화를 비교 분석 하였고, 동일 산화제 유속에서 sub-scale의 후퇴율이 lab-scale의 후퇴율보다 차이는 작지만 낮게 나타남을 확인했다. 본 연구의 결과를 통해 실제 하이브리드 사운딩 로켓 개발을 위해 고려되어야 할 사항을 파악할 수 있었다.

PE/$LN_2O$를 적용한 소형 하이브리드 추진 시스템을 설계, 제작 및 발사하여 하이브리드 로켓 발사체 개발에 대한 기반 기술을 확보하였다. 외부 액추에이터를 적용한 밸브 시스템을 하이브리드 엔진에 적용하였고, 밸브 개폐 시스템이 문제없이 작동함을 확인했다. 연료 그레인을 설계하기 위해 내탄도 설계를 수행했고, 로켓의 비행궤도를 예측하기 위한 외탄도 해석을 수행하여 로켓을 설계 제작 하였고, 발사 실험을 통해 하이브리드 로켓 설계의 타당성을 확인 하였다. 제작된 하이브리드 로켓은 무게 9 kg, 외경 110 mm, 전장 1.7 m로 성공적으로 발사하였으나, 추력 비행구간 중에 사출이 되어 최적 비행을 하지 못했다. 또한 설계치에 못 미치는 낮은 추력특성 등의 문제점을 확인하였고, 추후 하이브리드 발사체 개발에 대한 개선사항을 제시하였다.

본 연구에서는 경사진 그레인 포트 형상을 가진 고체 연료를 사용한 하이브리드 로켓의 연소 특성을 실험적으로 고찰하였다. 수렴 형상의 그레인 포트를 가지는 연료를 사용함으로써 경사각이 없는 연료에 비해 후퇴율을 17.5% 증가시킬 수 있었으나 확산 형상 연료에서는 후퇴율의 차이가 없었다. 또한 수렴 형상을 사용한 경우 특성속도 효율이 증가하였으며 이를 통해 하이브리드 로켓 연료에서 수렴 형상의 그레인 포트가 연소 효율 및 성능을 개선하는데 효과적임을 확인하였다.

본 연구에서는 연소실의 축방향 압력과 속도변화를 도출할 수 있는 비정상 내탄도 해석모델을 개발하고 이를 바탕으로 산화제 변화에 따른 연소실 압력분포 변화를 해석할 수 있다. 개발 모델 검증을 위하여 연소실 전후단의 압력을 측정한 실험결과와 해석결과를 비교하여 실험과 해석결과가 유사함을 확인하였다. 하류방향으로 산화제 유량이 변하고 이는 연소실 압력 및 후퇴율, 연소가스 유속의 변화에 영향을 미침을 고찰하였다.

하이브리드 로켓의 연소 과정에서 DC-shift 현상을 관찰할 수 있다. 이와 같은 현상은 갑작스런 구조적 문제를 일으키거나 추력의 상승 또는 감소를 가져와 추력 성능의 저하를 유발한다. DC-shift 현상에 대한 이해를 통해 하이브리드 로켓의 연소 안정의 조건을 알 수 있다. 이 논문에서는 예-혼합실과 후-연소실을 장착하고 산화제 공급 유동 조건을 달리 함으로서 Negative DC-shift 현상을 유도하고 다양한 산화제 공급 유동 조건에 따른 Negative DC-shift 현상의 발생 조건과 특징에 대하여 알아보았다. Negative DC-shift 현상에 대한 실험적 연구를 통하여 Negative DC-shift 현상의 발생 원인과 현상의 특징에 대해 정의하였다.

본 연구에서는 Lab-Scale의 하이브리드 연소기를 이용하여 하이브리드 로켓의 추력제어 범위와 연소 시간에 따른 추진제의 후퇴거리를 분석하기 위하여 산화제 유량에 따른 추진제별 연소 특성을 파악하였다. 산화제 유량을 제어하기 위해서 니들 밸브와 스텝모터를 결합하여 스텝모터의 구동에 의해 니들밸브의 개폐량을 조절할 수 있도록 배관 시스템을 설계하였다. 산화제 유량 변화를 통해 추진제에 따른 질유량과 후퇴율 관계식을 유도하였다. 추력제어를 하면서 명령 추력 값에 따른 산화제 유량을 통해 후퇴거리를 예측하였으며 실제 추력제어 연소 실험을 통해 신뢰성을 확인하였다.

스마트무인기의 추진동력계통은 터보프롭 항공기와 유사한 피치 가버닝 개념으로 조종사가 엔진동력을 직접 입력하고 제어기는 프롭로터의 회전속도를 일정하게 유지하는 방식을 사용한다. 본 논문에서는 스마트무인기의 지상시험 결과 중 엔진관련 데이터를 추출하여 전기 작동기로 구동되는 엔진 Power Lever 각도의 변위값과 가스발생기 회전속도의 상관관계 및 동력 변화를 엔진성능계산프로그램으로 예측한 결과과 비교한다.

가스터빈 엔진의 성능은 그 구성품 성능 특성에 큰 영향을 받는다. 보통 이러한 구성품 성능 특성은 여러 조건에서의 수많은 실험을 통해 얻을 수 있지만 그것은 제작사의 고유 재산이기 때문에 쉽게 제공되지 않는다. 그렇기 때문에 보통 성능 덱을 이용하거나 소유하고 있는 엔진 성능 맵을 스케일링 하여 사용한다. 하지만 이러한 방법은 탈설계점에서 오차를 보인다. 이에 본 연구에서는 소형 가스터빈 엔진 실험 장치를 구성하여 몇 구간에서의 실험을 통해 데이터를 축적하고 이를 이용하여 구성품 성능 맵을 축척하는 방법을 제시하였다. 그리고 프로그램을 이용하여 대상 엔진의 정상상태 성능 모델을 구성하여 실제 측정 데이터와 새롭게 생성된 구성품 맵을 사용했을 경우, 그리고 기존의 방법을 이용한 경우를 비교하였다.

터빈 형상에 따른 가스터빈 엔진의 성능을 전산유체역학을 기반으로 하여 개발된 프로그램을 통하여 예측하여 보았다. 압축기, 연소기, 터빈의 상호작용을 고려하여 엔진의 성능을 예측하였다. 압축기와 터빈의 해석은 각각 2차원과 3차원의 Navier-Stokes 방정식을 사용하였다. 연소기에서는 화학평형방정식을 적용하여 온도변화를 계산하였다. 계산은 터빈 노즐의 fillet 설치의 유무에 따라 두 가지 형상을 적용하여 비교하였다.

제어법칙 설계를 위한 초음속 엔진의 동적 모델링을 수행하였다. 초음속 유동장과 연소 유동장에 대한 적절한 보존 방정식을 이용하여 관심 있는 위치에서의 유동 특성을 관측할 수 있도록 모델을 구성하였고, 제어기 설계 후 대기 외란에 의한 제어 안정성을 평가하기 위하여 비행 중 엔진이 받게 되는 공기의 외란을 모델링하였다. 모델링 결과 CFD에 의해 비교 검토된 성능해석 모델과 정상상태 성능이 매우 일치한 결과를 보였으며 자유흐름의 외란 특성이 엔진 모델과 결합하여 엔진 유동장의 다양한 형태로 표현됨을 확인 하였다.

항공기 부품은 다양한 고도의 운용조건을 만족해야 하므로 고고도 성능평가는 필수적이다. 본 연구에서는 가스터빈 엔진의 고공 점화특성을 확인하기 위하여 실물형 보조동력장치를 바탕으로 축소형 모델 연소기를 설계, 제작하여 22,000ft에 해당하는 대기온도 조건을 모사, 점화실험을 수행하였다. 저온 환경 모사를 위해 공기 공급배관에 열교환기를 설치하였고 냉각제로는 드라이아이스를 사용하였다. 실험결과 연소기로 공급되는 공기의 온도가 낮아질수록 점화가 가능한 공기과잉 구간은 감소하였음을 확인하였다.

현재 운용중인 UAV(Unmanned Aerial Vehicle) 추진기관의 현황 및 추진기관 종류에 따른 장, 단점을 분석하였으며, 차세대 UAV 추진기관의 개발 전망 및 UAV 추진기관에 적용될 가스터빈 엔진의 특성 및 요구조건을 제시하였다.

초음속 충동형 터빈의 성능에 관해 시험적 방법으로 고찰하였다. 초음속 충동형 터빈은 고온, 고압의 연소가스로 구동되나, 연구원 내의 시험장치 한계 및 위험성으로 인해 고압의 공기를 이용하여 상사점에 대한 성능 시험을 수행하여 실매질 시험시의 터빈 성능을 예측하였다. 실제 연소가스로 구동되는 노즐 면적을 가지는 본품용 터빈 시험기를 공기로 구동시킬 경우 상사 조건을 정확히 맞추기는 어렵다. 그러므로 두 가지 상사 조건 시험을 통해 실제 설계점은 두 가지 상사점 사이에 존재하며 이 설계점은 공기의 물성치에 맞게 계산된 노즐 면적을 가지는 시험용 터빈 시험기를 통해 예측된 상사점과 비슷한 구간에 있음을 나타내었다.

수소를 연료로 하는 스크램제트 엔진의 수치해석에 비해 탄화수소를 연료로 하는 스크램제트 엔진의 수치해석이 적은 편이었다. 본 논문에서는 탄화수소 계열의 연료 중에 에틸렌을 연료로 하였고, 미공군연구소에 있는 Direct-connect 스크램제트 연소기를 모델로 2차원 수치해석을 수행한다. 에틸렌의 점화 지연 특성을 볼 수 있었고, 모델 스크램제트 내에 연소를 발생시키기 위해 Air throttling을 하였다.

초음속제트 엔진의 동적거동 모사를 수행하고 흡입구에서의 버즈 마진 확보와 추력 제어를 위한 PI 제어 알고리즘을 연구하였다. 먼저 연료유량 제어를 통해 요구추력을 추종하고 노즐 목 면적 제어를 통해 흡입구에서의 버즈마진이 항상 양의 수를 갖도록 흡입구 출구 압력을 조절하였다. 비행 마하 수, 고도, 받음각 변화에 따라 추력제어와 버즈 마진 제어를 위한 비례 게인과 적분 게인을 각각 구하고 시뮬레이션 하였다. 그 결과 비행 마하 수 2.1에서 3.0, 받음각 $0^{\circ}$에서 $10^{\circ}$ 사이의 운용영역에서 제어목표를 만족함을 확인하였다.

본 연구를 통하여 스크램제트 엔진을 적용한 극초음속 추진기관 개발에 대비하여 로켓 기반 복합사이클 엔진 개념연구를 수행하였다. RBCC엔진은 지상고도 정지 상태에서 출발하여 고도 30km, 마하 8 에 도달하는 것을 목적으로 하며, 마하 3까지는 이젝터 제트 모드, 마하 3-6 영역에서는 램제트 엔진모드, 마하 6 이상의 영역에서는 스크램제트 모드로 구동한다. 본 논문에는 RBCC엔진의 각 작동 영역에서의 설계 기법 및 해석 기법을 논의한다.

일본 JAXA가 보유하고 있는 Blow down 방식의 초음속 풍동 "RAMSYS"를 이용하여 스크램제트 엔진 연소기의 연소시험을 수행하였다. 시험결과로 Cavity가 없는 경우보다 Cavity를 장착한 경우에 연소압력이 높게 나타나는 것으로 확인되었으며 본 연구를 통하여 새롭게 적용한 zigzag cavity는 가장 높은 연소압력을 보여 스크램제트엔진의 안정적인 운영에 기여할 것으로 기대된다.

모델 스크램제트 엔진의 3차원 유동특성 이해를 위하여 다단의 충격파를 발생 시키는 흡입구부터(외부 유동영역) 공동형 보염기, 연소기, 노즐이 포함되는 엔빈 내부 전영역을 통합한 수치해석을 수행하였다. $k-{\omega}$ SST 난류모델과 Sarkar모델이 적용된 저 레이놀즈 수 k-e 난류모델의 해석결과를 실험 결과와 비교하였으며, 흡입구의 측면효과(intake side wall effects)를 살펴보기 위하여 측면의 유무에 따른 유동특성을 관찰하였다. 본 연구에 소요되는 계산시간의 효율성을 위하여 계산영역을 다중블럭으로 구성하였으며, MPI(Massage Passing Interface) 병렬 계산 기법을 적용하였다.

The mixing characteristics of pylon injection in a Scramjet combustor and effects of film cooling to protect pylon from air-heating. Three-dimensional Navier-Stokes equations with $k-{\omega}$ SST turbulence model were used. Fuel hydrogen and air were considered as coolants. There were remarkable improvements of penetration and mixing rate with the pylon injection. There also over-heating on the front surface of pylon without film cooling. The coolant injected parallel to the front surface of the pylon protect the pylon from over-heating.

대한항공은 2003년 소형위성발사체(KSLV-I) 사업 참여와 함께 2005년부터는 국내 액체로켓엔진 개발관련 한국항공우주연구원 주관의 각종 개발에 참여하고 있다. 본 논문에서는 현재 국내에서 진행중인 75톤급 액체로켓엔진 시스템 선행개발관련 대한항공이 수행하고 있는 분야별 업무의 소개와 함께 대한 항공의 향후 추진 계획을 다루고자 한다.

액체로켓엔진 연소기의 내벽에 사용하기 위한 니켈/크롬 도금 공정 개발을 수행하였다. 열충격 시험을 통해 니켈 도금 조건을 선별하였고 니켈/크롬 도금이 수행된 축소형 연소기의 연소시험을 통해 도금 층의 내구성 검증을 수행하였다. 시험결과 도금 층의 균열 및 박리는 발견되지 않았고, 이 결과로부터 현재 사용중인 대기 플라즈마 용사된 세라믹 코팅의 대안으로 니켈/크롬 도금을 액체로켓엔진 연소기에 사용할 수 있으리라 사료된다.

30톤급 액체로켓엔진 연소기 개발 기술을 바탕으로 75톤급 기술검증용 연소기 시제품을 제작하였다. 시제품 제작에서 검증하고자 하였던 일부 기계가공 공정 및 접합 기술들은 75톤급 연소기에서도 동일하게 적용할 수 있음을 확인하였다. 새롭게 설계된 연소기 헤드부는 새로운 공정을 적용하여 제작하였다. 기술검증용 시제품을 통해 확립된 공정 및 기술들은 대형 액체로켓엔진 연소기 제작 기술의 신뢰성을 향상 시킬 것이다.

본 논문에서는 한국형 우주발사체의 TVC 시스템 및 제어밸브류 분야에서 (주)한화 항공우주/기계연구소의 개발 현황을 소개하고 있다. KSR-III TVC 시스템의 성공적인 개발을 기반으로 당소는 KSLV-I의 TVC 시스템 및 RCS 계통의 제어밸브들을 개발하였으며 KSLV-II의 선행 연구로서 엔진 공급 계통의 산화제 및 연료 유량제어밸브와 산화제 개폐밸브의 개발에 참여하고 있다. 항공우주 핵심 구성품 및 시스템 개발 분야에서의 축적된 경험과 기술력을 바탕으로 한화는 향후 KSLV-II 개발에 일익을 담당하고자 한다.

INCONEL 718합금은 상온, 고온 및 저온환경에서 기계적 특성이 아주 우수하다. 상온에서의 모재 강도는 약 900MPa이며, 열처리 후 시효경화처리에 의해 강도가 약 1300MPa까지 증가한다. 이러한 INCONEL 718합금의 기계적 특성은 시험결과에서도 유사한 값을 나타내었고, GTAW 용접부의 상온 기계적 특성도 모재보다 우수한 강도를 나타내었다. 또한 저온에서의 기계적 특성은 모든 시험조건에서 상온보다 높은 강도를 나타내었으며, 열처리 모재시편과 용접시편은 1400MPa에 달하는 고강도를 나타내었다. 이러한 결과를 바탕으로 INCONEL 718합금의 저온 기계적 특성이 우수한 것을 증명하였고, 용접성 또한 모재의 특성과 같이 상온 및 저온 특성이 우수한 것을 알 수 있었다. INCONEL 718 합금과 STS 316L의 이종접합의 경우에도 $-100^{\circ}C$환경의 인장강도가 상온보다 300MPa 이상 증가하는 것을 알 수 있었다. 따라서, INCONEL 718합금은 $100^{\circ}C$이하부터 일정온도까지는 기계적 특성이 계속 증가 할 것으로 사료되며, 극저온 고압 상태로 공급되는 산화제 배관 제작에 적합한 소재로 판단된다.

(주)한화 대전사업장은 2003년부터 약 5년간의 개발기간을 통해 국내최초 우주발사체인 KSLV-I의 상단 킥모타를 개발 완료 하였으며 현재에는 한국형 우주발사체 개발 사업에 참여하여 1단 부스터인 액체 추진기관의 추진제를 공급하는 터보펌프의 초기 구동을 위한 파이로스타터를 개발중에 있다.

이젝터 시스템은 주유동 제트에 발생되는 전단 응력과 압력차에 의해 흡입 챔버 압력에 영향을 미치거나 이차 흡입 유동을 유도한다. 이젝터는 터빈 기반 복합사이클 추진기관 및 로켓엔진의 고고도 모사 설비, 압력회복장치, 담수화 시스템, 이젝터 램젯시스템과 같이 많은 분야에 적용되어 널리 사용된다. 본 연구에서는 아음속 및 음속 조건에서 작동하는 이젝터의 형상 및 운전 조건을 결정하는 설계 절차를 수립하고자 하였다. 또한, 이론적 방법과 시험적 연구를 통해 축소 확대 디퓨저가 장착된 이젝터의 작동 특성을 파악하였다. 결국, 수치해석을 통해 요구 성능을 만족하는 이젝터의 최적 형상을 결정하였으며 다양한 노즐 목 및 챔버 직경을 변화시킨 이젝터에 대한 성능 시험을 통해 계산 결과를 검증하였다.