본 논문에서 연구하고자 하는 분사기는 다단 연소 사이클 엔진 연소기에 적용하는 분사기이다. 본 분사기에서 연료는 접선홀을 통해 와류 형상으로 분무되며, 예연소기에서 생성된 산화제 과잉 가스는 중앙에서 jet의 형태로 공급된다. 이러한 기체-액체 분사기의 상압/고압환경에서의 분무특성 및 분사기의 리세스에 따른 분무특성의 차이를 알아보았다. 이러한 결과들은 향후 다단 연소 사이클 엔진 개발의 기본 데이터로 활용될 수 있을 것이다.

본 논문은 연료 과농 연소 환경 하의 이중 와류 동축형 분사기의 유량 통과 특성 파악을 위해 수행한 실험결과를 수록하였다. 액체산소와 케로신(Jet A-1)을 사용하여 연소시험을 수행하고 유량 통과 특성을 유량계수로 표현하였다. 유량계수 산출을 위해 유량, 압력, 온도를 계측하였다. 연료 분사기의 경우, 산화제 측 분사기 형상, 연소압, 혼합비에 관계없이 일정한 유량 계수 값을 보였다. 이에 반해 산화제 분사기는 연소압과 혼합비 변화에 영향을 받는 것으로 나타났다. 화염 형성 변화가 유량계수 변화에 특히 산화제 측에 영향을 주고 있음을 밝혔다.

본 연구는 Kerosene-LOx를 추진제로 하는 가스발생기용 스월 동축형 인젝터의 리세스 길이에 따른 내부 혼합 유동의 특성 파악을 목표로 하였다. 리세스 길이는 분무 안정성, 내부 LOx post 손상 등에 영향을 미치는 중요한 요소로 액막두께, 매니폴드 압력 측정 및 내부 유동 가시화를 통해 리세스의 영향을 분석하였고, 추진제 혼합 전후의 액막두께 변화를 측정함으로써 주파수 특성을 분석하였다.

초임계 환경에서 작동하는 액체 로켓 엔진의 케로신 스월 인젝터에서 케로신 물성치에 따른 인젝터 내외에서의 분사 특성을 연구하였다. 케로신의 물성치를 계산하기 위해 surrogate 모델이 적용되었다. 난류 수치 모델은 large eddy simulation을 기반으로 하였으며 SRK 상태 방정식, Chung의 기법을 포함하고 있다. 초임계 환경의 수치 해석 결과는 천이 임계 조건의 결과와 비교되었으며 스월 인젝터 내부의 액막과 중심부 사이의 밀도 및 점성 계수 분포의 차이가 관찰되었다.

추력 75톤급 액체로켓엔진용 터보펌프 조립체 실물형에 대하여 정격 회전수에서 성능시험이 수행되었다. 실매질 대신 상사매질을 사용하였는데 산화제펌프에는 액체질소, 연료펌프에는 물, 터빈에는 고온 공기가 공급되었다. 시험 중 터보펌프는 안정적으로 운전되었으며 성능 요구조건을 만족시켰다. 운전 초기의 회전수 상승구간에서도 펌프의 양정계수와 유량계수는 일정하게 유지되었다. 터보펌프 단품성능시험과 조립체 성능시험 결과를 비교할 때 펌프 양정계수와 터빈 효율이 두 종류의 성능시험에서 비교적 잘 일치하였다.

터빈손실에 관해서 다양한 연구가 진행되어 왔다. 특히 팁 누수에 의한 손실은 주로 블레이드 높이의 5% 이하에 대해 연구되었다. 그러나 터보펌프 등 소형 터빈은 작은 크기로 인해 상대적으로 큰 팁 간극을 가지며 그에 대한 연구결과는 발표된 것을 찾기 힘들다. 본 연구는 입구유속 30m/s, 코드길이 기준 레이놀즈 수 210,000의 조건의 선형 터빈 캐스케이드에서 진행되었으며, 팁 간극은 코드길이의 1%에서 20%까지 총 6가지에 대해 손실을 측정하였다. 실험결과 팁 간극 10%에서 손실계수 최대 0.113으로 측정되었으며, 더 이상 손실이 선형적으로 증가하지 않는 것을 확인하였다.

재생냉각식 액체로켓엔진의 예비 설계 단계에서 연소기 형상을 결정하기 위한 설계 방안을 제안하였다. CEA에서 예측된 연소 후 가스 물성치를 이용하여 로켓의 성능 및 재생냉각 성능을 계산하였다. 요구 추력, 연소실 압력, 주위 압력, 추진제 혼합비에 대해 1차원 관계식과 경험식으로 최적 유량과 연소기 성능을 예측하고, Rao 노즐 설계 기법을 활용하여 최종적으로 연소기 형상을 결정할 수 있는 방안을 제시하였다.

본 연구에서는 속도 복합형 초음속 충동형 터빈의 동익 오버랩에 대해 전산해석을 수행하고, 그 성능특성을 분석하였다. 전산해석 결과를 통해 익근보다는 익단에 오버랩을 적용한 경우가 터빈의 성능을 향상시키는데 더 효과적이며, 익근과 익단 모두 오버랩을 적용한 경우가 터빈의 성능 향상 가장 큰 것으로 나타났다. 하지만 2단 동익 오버랩의 경우, 전체 터빈에서 2단이 발생시키는 출력이 약 22~23%에 지나지 않으므로 2단 동익 오버랩에 의한 터빈 성능 향상은 크지 않은 것으로 파악되었다.

액체 및 기체 상태의 산소의 물리적 특성을 소개하였으며, 산소 시스템을 설계할 때 고려해야할 점화 특성에 대하여 자세히 설명하였다. 또한 산소와 호환 및 호환되지 않는 비금속과 금속 재료에 대하여 소개하였다. 산소 시스템의 안전을 확보하기 위해 가장 중요한 것 중의 하나인 세척에 대하여 살펴보았으며, 액체 및 기체 산소 시스템의 설계시 고려해야할 주요 사항들을 소개하였다. 시스템을 구축한 후 안전한 운용을 위해 갖춰야할 절차서와 고려해야할 사항에 대하여 살펴보았다.

고농도 과산화수소를 이용하는 1,200 N 급 이원추진제 로켓 엔진 개발을 위한 기존 연구와 더불어, 특성길이의 영향 및 추력 측정을 통한 실질적인 성능을 평가하였다. 특성길이는 0.95, 1.07과 1.20 m, 총 3가지 경우에 대하여 실험을 수행하였으며, 특성길이의 증가에 따라 $C^*$ 효율 및 Isp 효율 모두 증가함을 확인하였다. 설계 당량비에서의 최대 $C^*$ 및 Isp 효율은 각각 98.4%와 93.1%로 측정되었다. 엔진 성능 평가 결과를 바탕으로 분해된 과산화수소를 이용한 엔진에서의 최적 특성길이를 제안하고, 설계 당량비에서의 추력 및 비추력 효율을 이용하여 진공에서의 엔진성능을 예측하여 보았다. 그 결과, 지상 218.4 s, 진공 253.3 s의 비추력과, 진공 추력 1035.3 N의 성능을 예상할 수 있다.

액체산소와 케로신을 사용하는 액체로켓엔진 연소기의 성능평가를 위한 가압식 연소시험설비의 구성 요구조건에 대해 기술하였다. 본 논문에서 제시한 가압식 연소시험설비의 요구조건들은 KSR-III 및 30톤급 액체로켓엔진 연소기의 자력개발 과정에서 활용된 지상연소시험장 구축과 운용 경험을 바탕으로 도출된 것이다. 따라서 본 논문은 대형 연소시험설비의 설계 및 시공을 위한 사전 검토 내역 및 기본 자료로 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

초저온 추진제를 사용하는 액체로켓용 인젝터의 개발을 위해서는 수류시험과 더불어, 연소시험을 통한 성능검증, 점화 cyclogram의 최적화 및 내부연소 유동장에 대한 열-유체역학적 특성에 대한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 대학실험실 급에서 운용할 수 있는 범위의 가압식 초저온 추진제 공급 및 제어장치를 이용하여, LOX-$GCH_4$를 추진제로 하는 동축형 스월 인젝터의 연소시험을 수행하였다. 점화 cyclogram 최적화를 통해 O/F ratio 약 2.80, 총질량유량 약 0.19 kg/s의 LOX-$GCH_4$ 추진제를 점화 및 연소시켰고, 연소실 압력은 1.43 MPa, 추력은 38.7kgf으로 측정되었다.

액체로켓엔진 공급시스템을 구성하는 배관, 오리피스, 굽힘관, 벨로우즈, 밸브, 플랜지 등의 공급계 부품들에 대한 액체로켓엔진 공급시스템 모듈을 개발하였다. 이 모듈은 각 부품별로 Sizing이 가능하며 압력강하를 계산할 수 있다. 또한, 공급시스템이 구성되면 시스템 전체 부품 개수, 압력강하, 출구압력, 무게를 도출할 수 있다.

본 연구에서는 액체로켓 분사기에서 임계압력 이상의 추진제의 혼합과 연소과정을 수치적으로 모사하여 분석하고자 하였다. 이 과정에서 확장된 $k-{\varepsilon}$ 난류 모델을 이용하여 난류 속도장을 예측하였고 고압에서의 실제 유체 효과를 고려하기 위하여 혼합 추진제의 물성치는 SRK 상태 방정식을 이용하여 계산하였다. 또한 난류 확산 화염에서의 좀 더 정확한 난류와 화학반응의 상호작용을 고려하기 위하여 실제 유체 효과를 고려할 수 있는 층류 화염편 모델을 이용하였다. 수치적인 계산을 바탕으로 이상기체 가정을 사용한 결과와 비교하여 실제 유체의 효과와 기체메탄/액체산소 동축 전단 분사기의 제트화염 구조를 상세하게 살펴보았다.

액체로켓 연소기 재생냉각 챔버 내피에 사용되는 구리합금의 가동 수명을 예측하기 위해서 피로 수명에 대한 연구를 수행하였다. 수명을 예측하기 위해서 일반적으로 많이 사용되는 공통 경사법, 수정공통 경사법, Mitchell의 방법, Baumel 과 Seeger의 방법, Ong의 방법들이 사용되었으며, 거의 모든 데이터가 현재 널리 사용되는 방법들로 예측이 잘 되지 않아 Ong의 방법을 수정한 새로운 수명식을 제안하였다. 제안된 수정 Ong의 방법은 3X 흩어짐 범위에서 수명을 잘 예측하였다.

액체로켓엔진 단계식 연소 사이클에 대한 에너지 발란스 프로그램을 개발하였다. 엔진을 추력실, 터보펌프, 터빈, 예연소기, 공급계 부품 등으로 모듈화 하여 각 모듈 프로그램을 제어하는 방식을 사용하였다. 이를 통해 에너지, 질유량, 압력의 균형을 맞추었으며 대표적인 단계식 연소 사이클인 스페이스 셔틀 메인 엔진의 자료를 바탕으로 비교 검증하였다.

최근 무인기 혹은 소형 항공기들에 대한 수요가 증가함에 따라 소형 터보제트 혹은 터보팬 엔진의 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 소형 엔진은 요구 추력을 달성하면서 크기와 무게를 줄이는 것이 가장 중요한 설계 인자인데, 이는 곧 비추력(Thrust to Weight) 값이 매우 높음을 의미한다. 비추력 값이 높은 엔진을 설계하기 위해서, 압축기 혹은 터빈 등의 핵심구성품의 경우 크기를 줄이고 단수를 줄이는 방법이 가장 효과적이다. 특히 축류압축기의 경우 일반적으로 다단으로 구성하는데 여러 단으로 구성된 압축기 중에서 단수를 줄이고 남은 단에서의 압력비를 높이는 '고부하 압축기'를 채용함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있다. 최근 국내에서도 축류형 압축기에 대한 개발의 필요성이 꾸준히 제기되고 있으며, 이에 본 논문에서는 고부하 축류형 압축기의 설계 및 성능 리뷰 중 주요한 사항에 대해 소개하고자 한다.

Supersonic ejectors are simple mechanical components, which generally perform mixing and recompression of two fluid streams. Ejectors have found many applications in engineering. In aerospace engineering, they are used for high altitude testing (HAT) 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 (SED). This paper aims at the improvement in HAT facility by focusing attention on the vertical firing rocket test stand with shock generators. Shock generators are mounted inside the SED for improving the pressure recovery. The results clearly showed that the performance of the ejector-diffuser system was improved with the addition of shock generators. The improvement comes in the form of reduction of the starting pressure ratio and the vertical height of test stand. It is also shown that shock generators are useful in reducing the total pressure loss in the SED.

발사체 추진시스템에서 CC(Combustion Chamber) 산화제 개폐밸브는 액체산소를 연소기로 공급 및 차단함으로써 연소를 개시 및 중단시킬 뿐만 아니라, 정상운영 상태에서는 연소기 내 안정된 연소가 가능하도록 일정한 유량의 액체산소를 공급한다. 개발이 완료된 산화제 개폐밸브 EM(Engineering Model)의 주요 구성부의 성능향상을 위하여 전산구조해석을 이용한 중간플랜지, 밸브 입구의 립 부분의 설계 변경을 수행하였으며, 성능 시험을 통하여 설계변경에 의한 성능 향상을 최종확인 하였다.

공기 가열 장치는 크게 연소식과 열교환식 2가지가 있으며, 본 논문은 공기를 오염시키지 않은 열교환 방식인 청정 공기 가열 장치의 설계 방법을 기술하였다. 가열 장치는 크게 연소기 (Burner), 가열로 (Furnace), 열교환기 (Heat Exchanger), 배기구로 구성되어 되며, 가열되는 공기 유량과 입/출구 온도값으로부터 가열원인 연소기의 열용량과 연소기 연료인 LNG의 소요량을 구한다. 열교환기 내부에서 연소기의 뜨거운 연소가스와 가열되는 차가운 공기간의 열매체를 통한 간접 열교환이 이루어지므로, 가열되는 공기의 입/출구 온도에서 열교환기의 용량, 크기, 작동 최대 온도를 얻을 수 있게 된다.

본 연구에서는 추진기관의 내탄도 성능을 이론적으로 예측하는 방법 중 가장 중요한 정확도를 가늠하는 그레인 형상 및 시간변화에 따른 연소표면적 및 변화량을 산출하는 알고리즘을 구성하였으며, 구현된 프로그램에 의해 계산된 값을 모델링 프로그램에서 산출된 값과 비교하여 신뢰성을 확인하였다. 알고리즘의 기본 개념은 추진제 그레인 형상을 단면방향과 길이방향으로 요소화하여 각 요소가 시간증분에 따라 좌표 이동하여 연소현상을 표현하였으며, 이렇게 구현된 프로그램은 내탄도 해석에 활용할 수 있는 충분한 가능성을 확인하였다.

추진기관용 점화안전장치인 SAU에 적용 가능한 MEMS 관성 스위치를 고안하였다. 본 MEMS 관성 스위치는 일반적인 기계요소 설계 방식을 따라 설계하였으나 일반적인 MEMS 가속계와 다르게 목넘김 관성 스위칭 방식을 채택하여 일정 가속도 이상에서만 스위칭이 일어난다. 제작된 시료에 대한 검사 결과와 설계 데이터를 비교해 본 결과 관성 스위치의 구성 요소인 판 스프링 및 연성 힌지의 비선형요소에 의한 영향으로 인하여 설계된 스위칭 가속도 값과 근사한 차이가 유발됨을 확인하였다.

1차 유동과 2차 유동이 일정 압력으로 혼합하는 초음속 이젝터의 설계 인자들에 대한 연구를 수행하였다. 선정된 이젝터의 설계 인자는 1)질량유량비 2)면적비 3)1차유동의 마하수 이다. 이를 위해 이젝터 유동을 1차원으로 가정하였으며 손실이 있는 경우와 이상적인 경우에 대해 이적테의 성능을 압력비의 항으로 모사하였고 요구되는 이젝터의 수축률을 계산하였다. 또, 이젝터의 최적 설계를 위해 손실을 고려한 경우와 이상적인 경우를 비교하여 작동조건에 필요한 설계점을 도출하였다.

The high specific impulse of the ramjet engine, combined with the ability of a gel to carry metal particles, make the Gel Fuel Ramjet a most adequate solution for a mid-high range sustainer. The goal of the present study is to verify experimentally the feasibility of such a concept. A test facility and a lab-scale motor have been designed and built to investigate atomization, ignition and firing processes of a gel hydrocarbon fuel, with and without metal additives, as well as to check the ramjet operation as a whole. The present paper presents the experimental system in detail as well as qualitative results of a few firing tests.

항공용 연료계통의 핵심부품인 연료승압펌프(FBP)의 신뢰도를 예측/평가하기 위하여 운용중에 지속적으로 발생되는 고장자료에 근거하여 고장추세분포를 도출하는데 Weibul Distribution 형태의 통계학적인 방법(Statistical Methods)을 사용하였다. 이를 토대로 하여 고장 자료분포를 시각적으로 분석하여 신뢰성 예측을 하였다. 분석결과, 형상모수(${\beta}$), 척도모수(${\eta}$) 및 평균고장시간(MTTF)을 산출하였다. 결과로부터 주요 고장원인이 기계부품의 마모나 노후화로 인하여 발생하는 마모고장기이며 산출된 평균고장시간 이전에 예방정비를 수행해야 사전에 고장을 방지할 수 있음을 알 수 있다.

75톤급 개방형 액체로켓엔진에 장착되는 터보펌프의 초음속 충동형 터빈의 로터 전방 두께에 따른 성능 특성 변화의 시험적 연구를 수행하였다. 75톤 터빈 시험에서는 로터 두께 대 피치비가 30톤 로터 대비 각각 1.9배와 1.4배인 로터의 성능을 비교하였다. 시험 결과 로터 두께가 상대적으로 작은 로터의 설계 상사점 효율이 1.5% 상승하였고, 동일 회전수에서 최대 효율이 나타나는 압력비도 증가하였다.

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 측정하였다. 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 값은 연소기 공기유입속도에 따라 약 10까지 증가함을 보였다. 화염특성 시험결과, 화염안정성은 연소기 유입속도가 커질수록 희박화염소실한계는 넓어짐을 알 수 있었고, 연소기 유입 공기속도가 약 65 m/s에서 가장 큰 화염소실한계를 보였다.

부분흡입형 초음속 터빈의 노즐과 1단 로터 사이의 축방향 간극이 터빈의 단 성능과 유동장에 어떤 영향을 미치는지 알아보기 위해 터빈에 대한 3차원 유동해석을 수행하고 그 결과를 분석하였다. 상용 유동해석 프로그램 $FLUENT^{TM}$를 사용하였으며 다섯 가지 경우의 축간극에 대해 계산을 하였다. 노즐-로터 축간극이 팁 누설 유량의 증가와 로터 출구의 유동각에 영향을 주는 것을 확인하였다.

추진시스템 전자 제어장치는 추진시스템 내부의 각종 센서신호를 입력 받아 신호처리를 통해 제어알고리즘을 수행하는 장치이다. 기존의 아날로그 센서를 이용한 시스템에서는 센서와 전자제어장치의 전송에 의한 영향으로 신호감쇄가 일어나고 노이즈에 민감한 단점이 있었다. 디지털센서는 센서와 AMP, AD Converter가 하나의 모듈 안에 포함되어 있어 전송선에 의한 영향을 감소시킬 수 있으며, 전자제어장치에서 별도의 S/W 필터를 적용할 필요가 없어 제어 알고리즘의 수행시간을 단축시킬 수 있다. 본 논문에서는 디지털센서를 사용한 전자제어장치의 회로설계 및 제어알고리즘 적용에 따른 신호처리 방안에 대한 내용을 기술하였다.

초음속 항공기에서 피치 편향이 가능한 추력편향 노즐에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 초음속 항공기의 비행조건에서 터보팬 엔진의 기본성능을 도출하였으며, 이를 바탕으로 이차원형태의 피치 편향이 가능한 추력편향 노즐을 설계하였다. 상용 해석프로그램인 Fluent 를 이용하여 축소확대 노즐에 대한 기본 유동특성을 파악하고, 피치 추력편향시의 유동특성과 비교하였다.

고압관, 가압관, 발사관으로 구성된 Ballistic Range의 일종인 2단식 경가스 총을 사용하여 초음속 액체 제트의 분무 특성을 연구하였다. 135 bar의 압축공기는 고압관과 가압관 사이에 OHP필름으로 구성된 격막을 파열시킨 후 가압관의 발사체를 약 250 m/s의 속도로 가속하였다. 가속된 발사체는 액체 저장부에 충돌하여 액체를 초고압으로 가압한 후 초음속으로 분사시키며, 특히 초음속 액체 제트는 미립화된 다중 제트의 형태를 나타내고 액체 제트 전방 영역에서 충격파를 수반한다. 다양한 분사 노즐의 기하학적 형상에 대한 분무시험결과 초음속 액체 제트의 속도와 충격파 각도가 각각 다르게 생성되었으며, L/d가 9.9, 11.9, 23.8의 조건에 대하여 L/d가 23.8의 경우에 액체 제트의 분사속도가 마하수 1.53으로 가장 낮게 측정되었다.

고체로켓모터 추진제 그레인의 핀-슬롯 표면에서의 연소로 인해 생성된 고온, 고압의 연소가스는 그레인 핀-슬롯 및 내삽노즐을 통해 외부로 방출되면서 형성되는 유동은 매우 복잡하고 다양한 형태를 가진다. 핀-슬롯형 그레인 및 내삽노즐을 가지는 고체로켓모터의 2D, 3D 스케일모델에 대한 공기유동 모사시험을 수행하였으며, 회전력 발생 등과 같은 내부유동발생 메커니즘을 규명할 수 있는 효과적인 연기-유동장 가시화 기법의 적용방법에 대한 검토가 이루어 졌다. 실험모델의 투영부를 통해 다양한 광원 및 촬영장치 방향을 이용하여, 축류 실험모델 노즐 선단부에서의 비대칭 와류튜브에 의한 선회류를 가시화하였다.

본 연구에서는 1980년대 이후로 선진국에서 수행되고 있는 고체 로켓 모타의 둔감화를 위한 정책 및 기술개발에 관한 노력을 조사하였다. 그리고, 추진제와 연소관 등 둔감화에 필요한 추진기관 각 부품별 개발 방향을 정리하였고 실제 시스템 적용 사례를 살펴보았다. 이러한 조사분석 결과를 토대로 국내의 추진기관 둔감화 개발방향을 제시하였다.

고체추진기관의 연소 생성물 중 $Al_2O_3$는 노즐목으로 빠져나가지 않고 연소관내부에 침적될 수 있다. 침적된 슬래그에 의한 고무내열재의 열반응을 모사하기위하여 특별한 추진기관을 설계하여 시험하였다. 이 특별한 추진기관 시험 중 슬래그 침적양상을 Dynamic Radioscopy로 촬영함으로서 처음 설계한데로 원하는 위치에 슬래그가 침적된다는 것을 입증하였다. 본 논문에서 개발한 시험방법은 새롭게 설계하려는 추진기관내부의 온도와 압력을 그대로 모사할 수 있어 슬래그에 의한 고무내열재의 재료 특성평가 및 연소관의 내열고무두께를 결정하는 설계자료로 사용할 수 있는 모사시험 방법이다. 연소평균압력 770 psi이고 연소시간 50초인 추진기관의 EPDM내열재를 모사 시험한 결과 열량이 큰 슬래그에 의한 고무 열반응량이 연소가스 유속에 의한 삭마량보다 적음을 알 수 있었다.

The objective of this paper is to present new binder systems that can be applied in composite rocket propellants, to improve properties of these propellants not only for better performance, but also to reduce waste and pollution. These novel systems are based on the thermoplastic elastomer (TPE) binders, which consists of copolymers with the addition of a plasticizer, and additives. The effect of the novel TPE binder systems on the burning rate and mechanical properties of AP based propellants was studied. The results show that propellants based on the novel TPE binders have a better energy performance than today's workhorse hydroxyl terminated polybutadine/ammonium perchlorate propellant, exhibit a similar range of burning rate, possess appropriate mechanical properties, and exhibit good processing and aging characteristics at low cost.

The technology of production of the thermoplastic composite rocket propellants is based on a two-phase production procedure. The first phase represents the production of a semi-product in the sheet (foil) form (thickness: 0.5 mm ~ 5 mm), whereas the second phase is realized independently from the first one and it is based on the semi-produced product and thus the final form of the propellant grain is realized in relation to the defined geometry. Well done mechanical characteristics of the propellant grain enable that the same thing could be used as a mandrel in the filament winding procedure in creating the motor chamber of the composite material.

본 연구에서는 고체 추진기관의 침식연소 해석을 위한 비정상 일차원 내탄도 해석 모델을 개발하였다. 연소실 축방향 유동과 압력변화를 해석하기 위해 연속방정식과 운동량 보존식을 연립하여 수치해석 하였다. 기존에 검증된 고체 추진기관 무차원 내탄도 해석 프로그램과 해석 결과를 비교하여 개발한 해석 모델을 검증하였다. 그레인 직경 대 길이비가 큰 모터의 축방향 연소속도, 압력, 속도 변화를 고찰하였다.

본 논문에는 가스발생기를 사용한 사출시스템의 성능향상 즉 최대가속도를 줄일 수 있는 방법 중 하나인 노즐마개의 파열압 저감에 대한 내용이 기술되어있다. 여러가지의 노즐마개를 제작하여 공압시험으로 파열압을 측정하여 노치의 형상과 파열압과의 관계를 조사하였다. 파열압을 저감시킨 노즐마개를 적용하여 가스발생기를 제작, 시험한 결과 기준모델과 비교시 최대가속도를 저감에 효과적임을 확인하였다.

최근에 인공위성을 궤도에 올리는데 막대한 비용이 들어가므로, 소형이면서 좀 더 신뢰도가 높은 인공위성이 요구되어 왔다. 추진제의 새로운 바인더(HTPB, GAP)와 산화재(CL20, ADN)의 발명은 로켓의 추력을 다양하게 하는데 많은 기여를 했다. 제조 공정을 획기적으로 변화시키는 낮은 온도에서 녹는 열가소성 추진제는 비용을 상당히 절감시켰다. 인공위성을 궤도에 정확하게 안착시키는데 어려움이 있었던 고체 연료 로켓은 액체추진제를 사용하는 PBS를 상단에 추가 설치함으로 정확도를 증진시켰다. 이 논문에서 또한 선진화된 노즐재료와 연소관에 대해서도 방향을 제시한다.

본 논문에서는 서방에서의 격막형 펄스분리장치를 적용한 다중펄스 로켓모타 기술개발 현황과 소요 기술을 분석하였으며, 전방 및 후방 점화 시스템 방식의 이중펄스 로켓모타에 대한 개념설계 결과를 제시하고 있다.

고온의 연소가스에 노출되는 디퓨저 냉각에 필요한 열량을 계산하였다. 디퓨저 내부는 공기와 혼합된 연소가스가 흐르고 디퓨저 벽체는 채널로 구성된 공간에 물이 흐르도록 되어 있다. 디퓨저 구조물과 유체 간에 또는 유체 자체적인 열전달과 구조물 내부의 열전달 현상은 복합적인 형태로 나타나는데 고온에서 작동하는 점을 고려하여 복사, 대류, 전도 모두를 적용 하였다. 열전달량 계산은 경험식에 근거한 1차원 해석과 CFD 해석의 2가지 방법으로 수행하였다. 1차원 해석은 경험식을 통해 얻어진 결과를 적용하여 열전달량을 산출하였고, CFD 해석은 DO 복사 열전달 모델을 적용하여 계산하였으며, 계산의 타당성을 검정하기 위하여 두 방법을 비교하였다. 총 열전달량의 차이는 1% 미만으로 거의 같았으나, 1차원 계산은 열전달 모델의 단순화로 디퓨저 입구에서의 순환영역을 구현하지 못하여 전체적인 열전달량 분포에서는 차이를 보였다. 디퓨저의 안정성을 확보하기 위한 냉각수 용량은 2가지 계산 결과를 조합하여 각 구간별로 최대 열전달량을 근거로 도출하였다.

분출냉각은 높은 압력과 온도의 가혹한 환경에서 운용되는 액체로켓과 공기흡입식 엔진을 위한 가장 효과적인 냉각방법이다. 연소기 라이너와 터빈 베인은 다공질 벽면을 통과하는 냉각재(공기 또는 연료) 뿐만 아니라 차단막으로 작용하는 공기에 의해 냉각된다. 그러나 이의 실용화는 유용한 다공질 재료의 제한에 의해 방해를 받아왔다. 벽면 내에서 내부 열전달을 증가시키는 보다 현실적인 방법을 찾는 노력을 통해 Lamilloy$^{(R)}$ 및 Transply$^{(R)}$와 같은 다층 기공 구조물을 개발하게 되었다. 본 논문은 액체로켓, 가스터빈 및 스크램제트의 추진기관 적용을 위한 분출냉각의 최근 연구동향을 고찰하였다.

기존의 재래식, 전단, 튜브 스피닝이 모두 축대칭 제품의 형상화된 맨드릴을 사용하여 가공하여 왔다. 이러한 고전적 기법에서 한걸음 더 나아가 비축대칭, 열처리를 동반한 스피닝, 맨드릴이 자유로운 새로운 공법이 시도되고 있다. 본 조사에서는 주로 자유 맨드릴 공법에 대하여 동향을 조사하였다.

본 연구에서는 물의 증발잠열을 이용한 새로운 형태의 미니채널 열교환기의 제작 및 시험결과를 제시하였다. 서로 다른 세가지 형태의 물 유로를 가지는 열교환기를 제작하여 주어진 설계조건에서 실험을 통해 서로간의 냉각성능 및 압력손실 효과를 확인하였다. 고려된 세 가지 형태의 물 유로 형상에 대한 실험 결과 완전식각된 Type 2 열교환기의 공기 냉각성능이 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 따라서 향후 제작성 및 열교환 성능을 고려하면 Type 2를 채택하는 것이 타당할 것으로 생각된다. 그러나 고온조건에서의 실험 결과 Type 1의 성능도 우수한 것으로 확인되어 고온조건의 운용을 고려할 경우에는 Type 1에 대한 추가의 성능 및 특성 확인시험을 통한 보다 면밀한 분석이 필요하다. 본 연구로 개발된 열교환기는 항공기용 환경조절장치 적용을 목표로 하였으며, 특히 공간과 중량의 제한이 있는 이동시스템 내에서 유한한 시간동안 외부로부터 냉매의 추가 공급 없이 많은 열을 흡수해야 하는 경우에 효과적으로 이용될 수 있을 것으로 기대된다.

고체 추진기관 연소관 내열재의 숯 및 삭마 두께를 예측하기 위한 방법을 제시하였다. 내열재 두께를 계산하기 위해서는 열 및 구조 경계조건을 정확히 알아야 한다. 제안된 방법은 연소관에서 복사, 대류 및 $Al_2O_3$ 조건에서 내열 고무의 열분해 현상을 규명하는데 매우 유용하다. 간단하고 빠르게 고무계 내열재를 초기에 설계하기 위하여 단순화된 수식 과 실험이 사용되었다. 연소관 후방 돔 부위의 숯 및 삭마 두께를 예측하는데 이용이 가능하며 실제 연소 시험을 통하여 적용 가능성을 확인하였다.

이중 펄스 로켓 추진기관은 하나의 연소관 안에 특성이 다른 2개의 추진제가 격벽에 의해 2개의 공간에 분리되어 있는 고체 추진기관이다. 유한요소법을 이용한 탄소성 동적거동해석에 의하여 펄스분리장치 파열판의 파열해석을 수행하였다. 원주방향 슬릿을 가진 파열판의 슬릿 크기를 변경한 해석을 수행하여 파열형상, 파열시점을 해석함으로써 슬릿의 설계 변수가 파열판에 미치는 영향을 검토하였다. 해석 결과는 펄스분리장치 파열판 슬릿 크기의 변경을 통한 파열압력의 조절에 사용할 수 있다.

본 연구에서는 유도무기 동체 내에 고체 추진기관을 삽입하여 장착할 경우 적용할 수 있는 연결장치와 조립체 개념을 제안하였다. 유도탄 동체 내에 추진기관을 삽입하여 장착하는 경우는 동체가 비행중 받는 하중에 더하여 추진기관의 연소에 의해 야기되는 여러 가지 효과 즉, 추력에 의한 축하중, 진동, 연소 중 발생하는 추진기관의 축방향 변형 등을 견디는 구조여야 한다. 본 연구에서 제안된 추진기관 연결장치를 통해 간결하면서도 설계 요구조건을 모두 만족하는 추진기관 장착 시스템을 구성할 수 있었다.

연소기 재생냉각 챔버 노즐확장부의 외피구조물 제작을 위한 성형치구 설계에 대한 연구를 수행하였다. 연소기 챔버에서 두께가 얇은 외피구조물은 판재의 성형을 이용하여 제작한다. 노즐확장부 외피구조물의 성형에서 노즐확장부와 동일한 형상의 치구로 성형하면 성형 후 구조물의 형상이 노즐확장부와 일치하지 않고 탄성복원에 의하여 그 형상이 변화한다. 따라서 노즐확장부 형상과 동일한 형상으로 성형을 완성하기 위해서는 탄성복원을 고려한 성형치구의 설계가 필요하다. 본 연구에서는 초기 성형 후 탄성복원에 의한 노즐형상과 실제 구조물의 형상과의 오차를 없애기 위하여 오차를 보상한 새로운 성형치구용 형상을 생성하였다. 구조해석 결과 설계 수정된 성형치구로 성형하면 노즐 형상과 성형된 구조물과의 형상 오차가 매우 작게 감소함을 확인할 수 있었다.

극초음속 항공기 기술의 발전은 비행체 속도를 증가시키기 위해 진행되어 왔다. 하지만 비행체의 속도가 증가할수록 엔진에서 발생되는 열과 공기와의 마찰열이 증가하게 된다. 이러한 열적부하 처리를 위해 탄화수소형 흡열연료를 이용한 비행체 냉각에 대한 연구가 미국, 프랑스, 러시아 등 선진국에서 이루어지고 있다. 흡열연료(Endothermic fuels)는 열분해 또는 촉매분해와 같은 흡열반응(Endothermic reaction)을 통해 열을 흡수하는 액체 탄화수소 비행체 연료이다. 본 연구에서는 흡열연료의 모델연료로써 methylcyclohexane, n-octane, n-dodecane을 선정하여 흡열특성 연구를 진행하였다. 실험조건은 흡열연료가 사용되는 각 연료의 초임계 조건이며 온도별 분해율 분석, 열분해 생성물분석, 흡열량 계산을 수행하였다. 본 연구의 목표는 모델연료의 흡열특성을 규명함으로써 실제 비행체에 널리 사용되는 케로신 연료의 흡열특성 예측에 기여하는 것이다.

본 연구에서는 개방형 로켓엔진시스템의 제어시스템을 구성하기 위한 선행연구로서, 시동특성을 예측하기위해 Simulink 모델을 구성하였다. 구성품별 동특성 모델을 바탕으로 로켓엔진시스템의 예측 프로그램을 구성하였으며, 대상으로 하는 시스템의 천이 작동상태에서의 동특성 변화의 예측과 더불어 그 모델링의 타당성 검증을 위하여 실제 개방형 로켓엔진 상사모델의 수류실험을 통해 실험적으로 측정하여 비교하였다. 또한 Simulink모델이 제어시스템을 구성하기위해 적합한지를 판단하기위해 기 수행된 천이 동특성 예측 프로그램의 결과와 비교하였고 검증하였다.

본 연구의 목적은 열안정성을 향상시키는 첨가제 (열안정제)를 이용하여 exo-tetrahydrodicyclopentadiene (exo-THDCP, $C_{10}H_{16}$)의 열안정성을 향상시키는 것이다. 실험은 반응 진행 중 미량의 시료 추출이 가능한 회분식 반응기에서 수행되었다. 추출한 시료를 gas chromatography-mass spectrometry (GC-MS)를 이용해 성분 분석하여 첨가제 성능-exo-THDCP의 열분해성-을 확인하고, 반응시간에 따른 exo-THDCP의 분해생성물의 성분 및 조성 변화를 통해 첨가제의 작용 메커니즘을 규명하였다. 열안정제로써 수소공여체를 사용하여 실험한 결과 1,2,3,4-tetrahydroquinoline (THQ), benzyl alcohol (BnOH) 등을 첨가하였을 때 exo-THDCP의 열안정성이 향상되었다. 이러한 수소공여체 물질들은 개시반응이 진행된 exo-THDCP 라디칼에 수소원자 (hydrogen radical)를 제공함으로 라디칼의 반응성을 완화시켜 1차 생성물의 활성을 감소시키어 2차생성물질인 $C_{11}$ 이상 생성물의 발생을 감소시키는 것으로 밝혀졌다.

다양한 형상의 인젝터 내부 젤 추진제 유동을 수치적으로 연구하였다. 모사 젤 추진제의 유변학적물성치를 측정하고 plain-orifice, chamfered-orifice 및 venturi 형상 인젝터의 유동 특성을 분석하였다. Plain-orifice 및 chamfered-orifice 인젝터의 경우 하류방향으로 유동이 진행할수록 점도가 높아지는 특성이 나타났으며 Venturi 형상의 경우 인젝터 내부 유동에서 낮은 점도가 지속적으로 유지됨을 알 수 있었다. Reynolds 수가 증가할수록 이러한 경향이 뚜렷하게 나타나는 것이 확인되었다.

석유대체자원을 이용하여 항공유의 제조기술 연구를 수행하고 있는데, 핵심 연구분야인 크게 3분야로 바이오매스, 석탄, 천연가스등으로부터 얻어진 합성가스를 제조하기 위한 전처리 제조분야, 이러한 정제된 합성가스를 사용하여 피셔트롭스(Fischer-Tropsh) 반응단계를 거쳐 탄화수소를 제조하는 단계, 마지막으로 탄화수로부터 항공유에 적합한 upgrading기술인 크래킹(cracking) 및 이성화(isomerization) 반응단계로 구분된다. 본 발표에서는 국내외 연구동향 및 주요단계에 중점기술에 관해 언급하고자 한다.

The ignition and the burning characteristics of aluminum and magnesium particles ($30-110{\mu}m$ in diameter) isolated due to electrodynamic levitation were experimentally investigated. The burning time, the ignition delay time, the flame temperature, and the flame diameter were measured. The thermal radiation intensity was measured using the photomultiplier tube and the combustion history was monitored by high-speed cinematography. Two-wavelength pyrometry measured the temperature of the burning particles. The burning times of aluminum particles were measured approximately 5 to 8 times longer than those of magnesium particles. Exponents of $D^n$-law, for the burning rate of magnesium and aluminum particles of diameters less than $110{\mu}m$, are found to be 0.6 and 1.5, respectively. The instant of aluminum ignition is clearly distinguished with the ignition delay time little less than 10 ms, however the burning history of magnesium particle exhibits no distinct instant of the ignition. The ignition delay time of magnesium particle (less than $110{\mu}m$) were approximately shown in the range from 50 to 200 ns. The flame temperatures of single metal particles are lower than the boiling point of the oxide. The nondimensional flame diameters for magnesium are decreased with increasing of the diameter. The nondimensional flame diameters for aluminum are not changed significantly.

본 연구에서는 고체 로켓 모타의 추력을 조절하기 위해 요구되는 추진제의 요구조건들에 관하여 우선적으로 조사하였다. 그리고, 추력 조절이 가능한 로켓모타용 추진제에 관한 국내외 개발 동향에 관하여 조사하였으며, 현재 연구가 진행되고 있는 추진제에 관한 이론적 성능 및 연소 특성에 관하여 기술하였다.

마이크로 크기의 단일 알루미늄 해석을 위한 간단한 모델을 작성하고, 현상의 주요 파라메터를 도출하는 연구를 수행하였다. 금속 입자의 연소는 점화와 준정상상태의 연소 단계로 구성하였고, 각 단계는 액적 연소의 경우와 유사하게 보존 및 이송 방정식들을 사용하여 모사되었다. 모델은 기존의 실험 데이터와의 엄격한 비교를 통해 신뢰성을 검증하였고, 이 과정에서 현상의 주요 변수를 도출하여 그 영향을 평가하였다. 주요 변수로는 초기 입자크기, 산화 피막 두께, 대류 열전달의 유무, 외기온도, 압력 등이 선정되었고, 간단한 열역학적 모델임에도 불구하고 정량적으로 실험 데이터와 유사하게 각각의 파라메터의 영향을 평가할 수 있음을 확인하였다.

두산중공업(주)에서 개발 중인 발전용 가스터빈 DGT-5 엔진의 작동 특성을 평가하였다. 다양한 연료 스케쥴과 여러 가지 조합의 bleed valve 개폐 제어에 대한 영향을 분석하기 위한 시험을 통해 시동 특성을 개선하였고, 시동부터 부하운전 전체 작동 영역에서 압축기에서의 불안정 현상 없이 엔진이 안정적으로 작동됨을 확인하였다. 순간적인 부하 변동과 load rejection에 대한 엔진의 동적 거동 분석을 통해 실제 계통 병입 조건에서 급격한 부하변동 시 엔진이 안정적으로 제어될 수 있음을 확인하였다.

대기 중의 수증기는 가스터빈엔진의 주요성능에 많은 영향을 끼친다. 습공기의 영향은 기온 및 기압이 높은 여름철 해면 고도, 높은 비행 마하수 그리고 낮은 엔진 회전수에서 그 영향이 더욱 두드러진다. 이러한 습공기 유입에 따른 가스터빈 엔진의 성능변화의 정도를 살펴보고자 200lbf 급 초소형 터보제트 엔진의 고공환경 성능시험을 통해 습도가 엔진성능에 미치는 영향에 대하여 알아보았다. 고공환경 엔진시험을 통해, 건공기 유입에 비해 습공기 유입 시 순추력에서 2.826% 낮게, 비연료소모율에서 1.325% 높게 측정되었다.

두산중공업(주)은 개발 중인 5MW급 발전용 가스터빈의 작동 특성과 설계 인자들을 검증하기 위한 엔진 시험설비를 구축하였으며, 개발 엔진의 모든 성능 인자들을 안전하고 신뢰성 있게 평가하기 위해서 요구 조건을 충족시킬 수 있도록 엔진 테스트 셀을 설계하였다. 구축된 테스트 셀은 엔진의 시동에서 최대 출력조건까지 엔진의 전체 운전 상태를 효과적으로 재현할 수 있기 때문에 다양한 조건에서의 엔진시험 결과를 활용하여 지속적인 설계 개선을 위한 기반시설로 활용 가능하다. 더욱이 개발 엔진의 파생형 모델 개발과 상업모델 출고시험에 활용함으로써 엔진 제작사로서의 개발 경쟁력 제고에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한국형발사체 추진기관 개발을 위한 연소기 연소시험설비, 터보펌프 실매질 시험설비, 엔진 지상 및 고공모사 연소시험설비, 추진기관시스템 시험설비 구축 계획에 대해 간략히 기술하였다. 연소기, 터보펌프, 엔진 시험설비에서는 75톤급 액체로켓엔진의 부품 및 엔진시스템의 개발 및 인증시험을 수행할 예정이고, 추진기관시스템시험설비에서는 한국형발사체 1/2/3단용 추진기관시스템의 개발 시험을 수행할 예정이다. 추진기관 시험설비는 나로우주센터에 건설될 예정이며 구축 일정, 예산, 안전거리, 효율성 등을 고려하여 구축하고자 한다.

본 연구는 스크램젯의 연소특성 연구 및 스크램젯 엔진의 지상연소시험의 필수 장비인 공기가열기의 개념 연구에 대한 것이다. 공기가열기는 스크램젯의 흡입구나 연소실로 고온의 공기를 공급하기 위한 다양한 방법 중 하나이며, 고온의 연소가스와 실제 공기에 보다 유사한 혼합기체(혼합공기)를 얻을 수 있는 연료를 사용하여야 한다. 본 연구에서는 이러한 형식을 갖는 외국의 공기가열기를 조사하고, 스크램젯 비행체를 개발하기 위한, 액화천연가스(CH4)와 수소를 연료로 사용하는 공기가열기의 인젝터를 개념 설계하였다.

High pressure gas is a widely used storage mode for hydrogen fuel. A typical hydrogen tank that is charged with hydrogen gas can function as a hydrogen supply source in a large number of applications. The filling process of a high-pressure hydrogen tank should be reasonably short. However, when the fill time is short, the maximum temperature in the tank increases. Therefore the process should be designed in such a way to avoid high temperatures in the tank because of safety reasons. The paper simulates the fast filling process of hydrogen tanks using Computational Fluid Dynamics method. The local temperature distribution in the tank is obtained. Results obtained are compared with available experimental data. Further work is going on to improve the accuracy of the calculations.

155mm 탄약에 사용되는 항력감소제는 다년간의 생산을 통해 안정적인 성능 및 품질 신뢰도를 확보하여 왔다. 이러한 기반 하에 비행시험 평가 대체기법의 타당성에 대한 연구를 수행하였으며 이를 통해 품질 안정성에 대한 확인뿐 아니라 비용감소, 시험 적체 해소 및 전력화 지연 방지 등의 대내외적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

여러 형태의 풍동장치 중에서 Ludwieg Tube(LT)는 높은 레이놀즈수 유동을 실현할 수 있는 가장 적합한 장치로 알려져 있다. 일반적으로 LT는 격막의 위치에 따라 두 종류로 구분된다. 본 연구에서는 상류막 방식과 하류막 방식 LT의 작동특성을 조사하기 위하여, 수치해석적인 방법을 적용하였다. 수치해석에서는 2차원 축대칭, 비정상, 압축성 Navier-Stokes 방정식에 유한체적법을 적용하였다. 그 결과, 본 수치해석은 시동과정의 유동 메커니즘을 파동선도를 이용하여 상세하게 설명하였으며, 시동 시간과 작동시간의 특성을 조사하였다.

본 연구에서는 가스 연료와 공기 혼합물 내 압력파에 의해 유도되는 화염 가속과 연소폭발천이 현상을 수치적 계산을 통하여 살펴본다. 실험에 기반을 둔 초기 조건 하에서 점성력, 열전단, 몰질량 확산, 그리고 화학 반응을 고려한 reactive compressible Navier-Stokes 방정식을 사용하여 계산을 수행하였다. 반복되는 압력파와 화염의 상호 작용에 의해 발생되는 화염의 Richtmyer-Meshkov (RM) 불안정성에 의해 증가된 화염면을 통하여 생기는 hot spot들에 의한 폭굉의 발생을 모델링하였다. 또한 압력파의 강도 변화에 따른 연소폭발천이 현상의 변화를 살펴보았다.

KSLV-I의 비행시험 시 발생된 고온 고압의 플룸이 발사체와 발사대 구조물에 미치는 영향을 감쇠시키기 위하여 발사대의 화염유도로 냉각장치에서 다량의 물을 분사하였다. 본 연구는 물분사가 플룸 및 유동장에 미치는 효과를 분석하기 위해 간략화 된 2차원 축대칭, 2-Phase 모델로 수치해석을 수행하였다.

본 연구는 V-gutter형 보염기를 장착한 연소기 내에 발생한 연소 주파수의 발생 메커니즘에 대해 규명하는 것이다. 연소기는 $40{\times}40mm$의 단면적을 가진 긴 덕트 형상을 가지고 있으며, 10,12,14mm의 폭을 가진 V-gutter 형의 보염기를 장착하였다. 연료로 CNG를 수직 분사하여 실험을 수행하였다. 연소시 발생하는 주파수는 연소기의 형상에 기인한 1L 종방향 모드가 발생함을 확인하였다. 또한 보염기의 크기가 화염 가능 영역의 범위에 영향을 미침을 확인하였다. 그리고 종방향 모드의 압력변동이 화염 구조에 중요한 영향을 미침을 확인하였다.

상용 전산유체해석 프로그램을 사용하여 오리피스형 분사기에서 수직분사 액체 제트의 다상유동을 해석하였다. 본 연구의 목적은 오리피스형 분사기 분무 특성을 이해하고 연소기 내부 위치에 따른 유동조건와 항력계수와의 관계식을 구하는 것이다. 수치해석 결과 모형 램젯 연소기에서 수직분사 유동해석은 난류점성모델인 Realizable $k-{\varepsilon}$ 모델과 다상유동모델인 DPM 모델이 유효함을 확인하였다. 또한 오리피스형 분사기에서 레이저 흡수법을 사용하여 측정한 실험결과(증기농도분포)는 수치해석 결과와 잘 일치하였다.

감압비등에 의한 미립화는 더 미세한 직경의 액적을 얻을 수 있고, 분무각이 증가하며, 더 좋은 혼합특성을 갖는 다는 점에서 단순 압력식 미립화와 차이가 난다. 감압비등이란 과열된 액체를 포화 압력 이하의 대기 중으로 분사하여 급격한 비등에 의해 이루어지는 미립화이다. 본 연구는 금속 연료를 이용한 추진기관의 산화제인 물 공급기술에 감압비등과정을 이용한 와류분무를 적용시키기 위해 수행됐다. 분열길이와 같은 거시적 특성은 Charge-Couple Device(CCD) 카메라를 이용해 측정하였고, Sauter Mean Diameter(SMD)와 SMD분포와 같은 미시적 특성은 Global Sizing Velocimetry(GSV) 시스템을 이용해 측정했다. 실험은 압력과 온도, 대류 속도를 변화시키며 진행했다.

추진제 주입압력 350 psia 에서 0.95 lbf 의 정상상태 공칭추력을 내는 단일액체추진제 하이드라진 추력기의 펄스모드 시험 결과를 추진제 공급압력, 추력기 작동환경 진공도, 그리고 추력펄스 등의 변이와 함께 추력기의 열적 반응거동과 더불어 제시한다. 시험자료는 임펄스 비트, 진공 비추력, Force Centroid 등의 펄스모드 성능특성인자로 변환되어 상세한 분석이 이루어지고, 1 lbf급 표준형 단일추진제 로켓엔진의 펄스모드 기준성능과 성공적으로 비교된다.

금속분말을 청정 에너지원으로 이용하기 위해 금속분말 소형 연소기의 구현이 필요하다. 이를 위한 선행연구로 연료 공급 시스템인 핀틀인젝터형(pintle injector type) 금속분말 공급장치의 중요 성능인 분사량을 실험적으로 측정하였다. 분사량 측정 시험에 앞서 간단한 금속분말 공급 시험으로 확인된 문제점을 장치의 변경을 통해 해결하였다. 측정 시험의 결과, 연료 공급 장치에 이송 가스 압력이 상승함에 따라 많은 질유량의 금속분말이 분사되었고 압력에 따른 정량적 분사량을 확인하였다. 이송 가스와 금속분말의 혼합 성능을 개선하여 균일한 분사를 하고자 이송 가스를 25 Hz로 가진 하여 공급하였고 가진이 없는 경우의 실험결과와 비교하였다.

제트연료변경에 따른 엔진 운용 특성 변화를 살펴보기 위해 JP-8 연료와 JP-S 연료를 사용하여 소형터보제트엔진의 지상시험 및 고도시험을 수행하였다. 비중이 18% 높은 JP-S 연료에 대한 연료조절 시스템 특성은 동일 연료공급명령에 대한 실 연료공급량이 JP-8 연료보다 8% 많이 공급되었다. 시동 특성은 연료조절시스템의 명령 대비 공급량의 차이로 인한 점화시점 및 엔진 회전수 가속율 등의 변화를 제외하고는 유사한 특성을 보였다. 정상상태 성능 특성은 순 추력의 일부 구간을 제외하고는 순추력과 공기유량, 배기가스온도 등 대부분의 엔진 성능 변수가 1% 이내로 유사하였으나 연료소모량만은 연료의 발열량 차이로 인해 최대 5 %이상 차이가 발생하였다. 이를 동일 추력 대비 비 연료소모율로 비교할 때 지상시험에서는 약 1.1~2.6 %, 고공환경시험에서는 5 % 이상 차이가 발생하였다.

이중연소 램제트 엔진의 연소기 내부의 연소 현상을 이해하기 위하여 gas generator를 포함하고 있는 이중연소 램제트 엔진의 연소기에 대한 비정상 연소 수치해석을 수행하였다. Gas generator의 당량비 변화에 따른 연소기 내 유동의 변화를 파악하였으며, 주요 위치에서의 압력거동을 분석하고 연소기 전 영역에서의 음향모드를 분석하여 본 연구에 사용된 연소기의 동적거동을 파악하였다.

초음속 연소에서 연료를 분사하는 분사구의 형상에 따른 연소 성능의 변화를 파악하기 위하여 실험과 준일차 해석(Quasi-One Dimensional Analysis)을 수행하였으며, 결과 값을 본 팀에서 동일 설비 및 조건으로 2008년에 시험을 수행한 데이터와 비교해 보았다. 연료 분사구 형상은 2008년 수행하였던 시험모델과 비교하여 연료 분사구의 크기를 줄이고 개수를 증가시켰으며, 연료 분사구의 크기 및 개수는 동일한 연료 압력에서 연료의 분사량과 침투깊이가 동일하도록 결정되었다. 실험결과 공동이 없을 시에는 연료 분사구의 크기를 줄이고 개수를 늘렸을 때 연소성능이 큰 폭으로 증가하였지만, 일자형 공동에서는 그 영향이 미미하였다. 하지만 지그재그형 공동에서는 연료 분사구의 크기를 줄이고 개수를 늘렸을 때 오히려 연소성능이 저하되었다.

V-gutter 형 화염안정화장치를 장착한 공기흡입식 엔진의 연소기에서 발생하는 저주파 연소 불안정을 저감시키기 위해 화염안정화장치 뒤쪽에 2차 연료를 분사하는 장치를 고안하였다. 해당 장치는 모델 연소장치를 통해 성공적으로 발생된 110~120 Hz, 180dB 크기의 저주파 연소불안정을 84%까지 저감시키는 데에 성공하였다. 연소불안정의 감소는 2차 연료 공급 유량에만 의존하였으며, 특정 값 이상의 연료 공급량에서만 효과가 나타났다. 이와같은 결과는 2차 연료 공급에 의해 화염안정화장치 뒷면의 화염이 주연료 공급량의 섭동과 독립적으로 유지되어 연소 시스템과 연소기의 음향 시스템의 연계를 끊어주기 때문인 것으로 생각된다.

Crossflow에 미치는 영향을 최소화하면서 liquid Jet의 미립화 및 혼합특성을 향상시키기 위한 JICF의 분무 특성에 대해 실험적으로 연구하였다. Crossflow의 온도, 속도, 압력과 liquid Jet의 속도, 압력을 변화시키면서 crossflow와 liquid jet의 momentum ratio(q)의 변화에 따른 spray boundary (outer boundary, inner boundary)를 측정하고 실험식을 유도하여 선행연구자의 결과와 비교하였다. 특히, injector의 형상에 따른 jet penetration를 측정하여 dual orifice injector의 경우 전단 오리피스의 영향으로 후단 오리피스에서의 jet penetration은 single orifice injector 분사노즐과 비교할 때 약 18% ($L_h$=4 mm) 증가하는 것을 확인하였다.

$CH_4-O_2$ vitiated 공기가열기에서의 유동 오염도 분석을 위해 가열기 및 노즐 영역에 대한 평형 및 평형 유동장 계산을 수행하였다. 유동장은 일차원 비점성 유동으로 가정하였으며 계산 결과는 측정값과 비교하였다. 연구결과 연소 지연이나 중단 현상에 영향을 주는 오염원으로써 NO 성분의 존재를 파악하기 위해서는 비평형 유동장 계산이 고려되어야 함을 알 수 있었다.

한국항공우주연구원의 스크램제트 엔진 시험설비(이하 SETF)는 극초음속 추진기관 성능시험 설비로 일반 공력 풍동과 달리 엔진이 구동하는 비행 고도, 마하수에서의 엔탈피를 모사해야 한다. SETF는 불어내기 식으로 고압공기 공급원으로부터 공급된 고압 공기를 축열식 가열시스템으로 가열시킨 후 시험부에 장착된 노즐을 통과. 팽창하여 엔진 시험 조건을 모사하며, 공기 이젝터를 구동하여 고고도 조건과 설비 시동 조건을 구현한다. SETF의 시험부는 자유제트 형식으로 시험엔진 시작점을 노즐 출구면에 일치시킬 경우 비행체에서 발생되는 경계층과 엔진의 상호 작용을 파악할 수 있는 반면, 설비 시동 특성을 예측하기 힘들어 시험을 통한 설비 특성 파악이 필수적이다. 본 논문에는 SETF의 마하수 및 시험 모델 변화에 따른 시동 성능 그리고 시동 성능 개선을 위하여 수행된 이젝터 설계 변경 과정을 정리하였다.

스크램젯 엔진을 이용하여 마하 4로 비행하는 2단 비행체의 개념 설계를 통해 그 가능성을 탐색하였다. 설계 목표는 225 kg의 탑재물을 싣고 500 km를 비행하는 비행체이다. 순항 속도까지 가속하는 1단은 고체 로켓을 사용하며, 2단 엔진은 케로신이 연료이다. 설계 결과, 1단은 길이 3.59 m, 추력 52.9 kN, 2단은 추력 6.85 kN이다. 비행체는 길이 7.55 m, 직경 508 mm, 이륙 중량 2.1 톤이며, 17 km의 고도에서 목표 거리를 6분 동안 비행한다.

축열식 가열기 형태의 초음속 풍동을 이용하여 스크램제트 엔진 흡입구의 성능 연구를 수행하였다. 본 시험모델은 측벽배치변화가 성능에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 격리부 성능연구에서는 Oblique shock train과 Normal shock train의 압력분포를 확인할 수 있었으며, 격리부의 불시동 한계성능을 분석하였다.

본 연구에서는 빠른 후퇴율을 갖는 용융성 고체연료를 사용한 연소 실험을 수행하여 연소 중 압력진동 특성을 분석하고 연소 불안정의 위해성을 검토하였다. 빠른 후퇴율을 가지는 용융성 고체연료는 기존의 폴리머계 연료에 비해 압력 진동의 진폭이 증가하였다. 그러나 연료 그레인 내부 직경의 증가가 연소실 압력 진동의 증폭을 제한하여 급격한 연소 불안정은 거의 일어나지 않았다. 축방향 인젝터를 사용하는 경우 연료 연소량의 큰 증가와 예연소실에서의 와류 진동이 큰 압력 진동을 유발하였다.

순수 파라핀에 10 wt%의 LDPE를 첨가한 용융성 혼합 연료로 제작한 다이아프램을 장착한 연료를 사용하여 하이브리드 로켓 연소 실험을 수행하였고 다이아프램이 없는 파라핀 연료의 결과와 비교하였다. 용융성 다이아프램을 설치한 경우 강화된 난류와 열전달로 인해 다이어프램 후방의 연료 후퇴율이 크게 증가하였으며 특성속도와 비추력이 증가하였다. 연소 불안정 해석에서는 심각한 연소 불안정이 관찰되지 않았다. 이를 통해 용융성 다이어프램이 용융성 연료를 사용하는 하이브리드 로켓의 낮은 연소 효율 개선에 효과적임을 확인하였다.

본 연구는 하이브리드 로켓 연소에서 원통형 멀티 포트 그레인과 스월 인젝터 적용 시 각각 후퇴율 증가의 장점을 취합하고자 수행하였으며, 연료 포트 수와 스월 인젝터의 배치에 따른 후퇴율 변화에 대한 실험을 수행 하였다. 실험 결과 멀티 포트 그레인에 샤워 헤드 형태의 인젝터를 적용한 것보다 스월 인젝터를 적용한 경우의 후퇴율이 증가되는 것을 확인 할 수 있었다.

산화제로 $GN_2O$, 고체 연료는 HDPE(High Density PolyEthlene)를 사용하여 End-Burning 하이브리드 연소 실험을 수행하여 GOX/HDPE를 사용한 결과와 연소 특성을 비교하였다. 스월 인젝터 출구의 산화제 분사 속도 차이로 인해 $GN_2O$를 사용한 경우에 GOX를 사용한 경우보다 낮은 후퇴율이 나타났으나 연소 효율은 $GN_2O$/HDPE가 GOX/HDPE의 경우보다 높게 나타났다. 연소실 압력 및 추력은 연소 시간동안 비교적 일정하게 유지되었다.

본 논문은 소형 항공용 엔진에 적용되는 영구자석 발전기와 단극 발전기의 특성을 기술한다. 영구자석 발전기는 소형화와 빠른 동특성을 장점으로 갖는데, 빠른 동특성은 전적으로 DC/DC 컨버터의 특성에 따르며, 이러한 컨버터는 부피 및 비용의 증가를 가져온다. 반면, 단극 발전기는 계자권선의 자속제어를 통한 단순한 전압제어가 장점이다. 최근, 전자부하들의 넓은 입력전압 범위와 시스템 효율성 등을 고려해 DC/DC 컨버터 없는 영구자석 발전기가 추천된다.

본 시험장치는 가스터빈엔진의 이론적 열역학 계산을 실제 성능시험을 통해 비교해보고 관련 교육기관, 연구소 등에 가스터빈 엔진의 작동 원리와 구조에 대한 기초지식을 제공하도록 개발되었다. 추력 80lbf급 마이크로 터보제트 엔진을 대상으로 하여 NI DAQ(데이터 수집)장치와 LabVIEW 프로그램을 이용하여 실시간 계측되는 데이터와 기준 엔진 성능 시뮬레이션 데이터를 비교 할 수 있는 프로그램을 개발하였다.

다양한 비행환경에서 장시간 체공하며 운용되는 UAV에서 추진시스템을 신뢰성 있게 운용하는 것은 매우 중요하다. 이런 UAV에 사용되는 터보프롭 엔진의 정확한 손상진단은 신뢰성과 이용률을 향상시킬 수 있다. 본 연구에서는 엔진 측정 파라미터들의 변화로부터 퍼지 이론을 적용하여 손상된 구성품을 식별한 후 훈련된 신경망 알고리즘을 식별된 손상 패턴에 적용하여 손상된 양을 정확히 진단할 수 있는 방법을 제안하였다. 이렇게 제안된 진단 방법은 단일손상과 다중손상 모두 진단할 수 있다.

본 논문은 한국형 기동헬기(수리온)에 탑재되는 T700/701K 터보 샤프트 엔진의 개발 현황을 기술한다. T700/701K 엔진은 군용 헬기엔진으로 널리 사용되고 있는 GE사의 T700엔진을 후방 구동형으로 최초 개조 개발한 엔진이다. 주요 개발 내용은 크게 엔진 장착 요구조건에 의한 후방 구동형 개조, 동력터빈 성능 향상 및 엔진 운전 신뢰성 향상을 위한 2채널 FADEC 시스템 적용 등이다. 2006년 6월 사업이 착수되어 개발 및 인증시험용 엔진의 초도 운전이 2008년에 성공적으로 수행되었으며 예비비행정격시험 수행을 통해 2010년 3월에 첫 비행을 성공적으로 수행하였다. 현재 LCF 시험과 일부 해석을 제외하고 군 인증을 위한 해석 및 시험이 완료 되었으며 2011년 상반기에 인증완료 예정이다.

본 기술 논문은 일반적으로 공개된 미국의 자료를 중심으로 향후 유도무기의 발전 방향을 고찰하면서 이때에 요구되는 추진기술을 조사하였다. 미국의 각 군별 유도무기 및 추진체계의 개발내용을 조사 함으로써 향후 국내의 기술적 대비에 대하여 서술하였다. 세계적으로 정치적 경제적 환경이 변화하고 있으며 국방이 경제성장 동력의 역할을 하기 위해서는 산업체의 역할이 더욱 요구되고 있다. 이를 위하여 산업체는 중, 장기적으로 세계적 경쟁력을 갖는 부품개발 전략을 구축해야 할 것이다.

블레이드 구조변형 효과를 고려한 스테이터-로터의 케스케이드 모델의 상호간섭의 평가를 위하여 유체-구조 연계 해석 시스템을 수행하였다. 고정된 스테이트와 회전하는 로터는 상호 간섭 영향이 유동해석에 고려되었다. 또한 정적인 유체-구조 연게해석과 수렴률 증진을 효과적으로 수행하기 위하여 큰 인공감쇠를 가지는 Newmark 시간 적분 기법을 적용하였다. 수치 실험을 통해 탄성축 위치에 따른 구조 변형 효과가 케스케이드 성능에 미치는 영향을 파악하였다. 구조 변형 효과가 고려된 경우 일반적인 강체 블레이드모델에 대한 성능 예측 결과와 다소 차이가 유발될 수 있음을 보였으며 공력 탄성학적 영향을 확인하였다.

볼트 몸체의 특정부위를 팽창시켜 결합된 상대물과의 압착을 통해 풀림이 방지되는 볼트를 개발하였다. 볼트 풀림현상은 볼트가 사용되는 분야에서 많은 문제점을 일으켜왔다. 이를 해결하기 위하여 현재 여러 종류의 풀림방지 장치가 개발되어 사용되고 있지만 완벽한 풀림방지기능을 갖는 것은 개발되지 못했다. 이와 같은 문제로 볼트가 적용된 구조물들은 진동, 충격 등의 외부 하중에 의해 풀림이 발생되었고 이를 유지보수하기 위하여 일정 기간마다 다시 조여주어야만 했다. 본 연구는 볼트 내부 형상, 화약량, 공이뭉치를 설계인자로 하여 볼트 몸체 특정부위의 팽창을 조절할 수 있는 기술을 확보하였으며 팽창률에 따른 풀림방지 성능이 선형 비례한다는 것을 확인하였다. 따라서 현장에서 사용될 때 요구되는 풀림 방지기능을 팽창률 제어를 통해 만족시킬 수 있는 풀림방지 볼트를 개발하게 되었다.

전투기에 장착되는 정보수집용 포드의 냉각 장치인 ACM에 대한 성능 시험평가를 수행하였다. 시험평가 대상인 ACM은 역 브레이튼 공기 사이클로 작동되는 터보기기로서, 항공기의 비행속도에 의한 램 공기를 에너지원으로 사용하여 추가적인 에너지의 공급 없이 냉각 기체를 발생시킨다. 또한 습기에 민감한 전자장비의 냉각에 이용하기 위하여 열교환기를 함께 구성하였다. 성능시험을 통하여 개발 대상 ACM 및 열교환기는 요구 성능을 만족함을 확인하였다.

고성능 소형 액체로켓에 적용되는 산화제 과잉 예연소기의 시제품 제작을 수행하였다. 항공우주연구원에서 해석, 설계한 모델을 바탕으로 예연소기의 레이아웃을 설계하고 시제품 설계와 제작을 위해 수류시험용 평판 브레이징 시제품 제작 및 시험, 구조강도 시험용 헤드 시제품 제작 및 시험, 구조강도 시험용 채널 시제품 제작 및 시험 등을 진행하였다. 이러한 일련의 시험을 통해 예연소기 시제품을 설계하고 제작을 위한 세부사항을 확인하였으며, 이러한 노력을 통해 향후 고성능 액체로켓 개발을 위한 기술기반을 확립할 수 있으리라 사료된다.

5000도 이상의 고열류 유동을 발생시키는 개량형 고온플라즈마 토치는 신소재, 환경 및 에너지 사업 등, 첨단 기술의 실험을 위한 아크젯 풍동의 핵심장비이다. 개량형 고온플라즈마 토치는 내부 아크의 분기현상이 없는, 균일한 고순도의 유동을 발생할 수 있지만 까다로운 구조 및 작동조건 때문에 상용화가 어렵다. 본 연구에서는 개량형 고온플라즈마 토치를 이용한 플라즈마 발생 장치의 성능 평가 실험을 수행하였다. 400kW급 플라즈마 발생 장치의 성능평가 결과, 전류 280 ~ 320 A 및 전압 250 ~ 1350 V 범위에서의 설계 성능을 확인하였다.

단거리 함대공 미사일인 RAM은 경량화 및 상황 대처 능력이 탁월하고 신속한 선박 자체의 방어용 미사일로서 미국과 독일의 NATO 협력 프로그램에 의해 공동으로 개발하여 양산되고 있으며, 미국과 독일 외에 한국해군도 도입하여 신형함정에 장착함으로써 선박 자가 방어 능력을 갖추고 있다. 이에, 독일에서 개발한 나선형의 레일 타입 복합재 발사관에서 요구하고 있는 RAM 발사관의 공정 개발과 인증시험을 국내에서 성공함으로써 나선형 유도탄 발사관에 대한 구조 성능 분석을 수행함은 물론 환경 특성평가 시험에 대하여 종합적인 연구를 통하여 향후 복합재 발사관의 개발에 많은 도움과 적용이 있을 것으로 판단된다.

추력 150 lbf 급의 초소형 터보제트 엔진이 개발되었다. 본 엔진은 소형 무인항공기(UAV), 기만기, 대공망 제압용 유도무기 등 다양한 무기체계에 적용이 될 수 있도록 고성능, 소형, 저가로 설계되었으며, 시제엔진을 제작하여 지상 성능 시험 및 고도 시험을 수행하였다. 본 논문에서는 소형, 저가, 고효율 터보제트 엔진을 구성하는 각 엔진 구성품의 특징, 구조, 구성품 및 엔진 시험 결과 등에 대하여 기술하였다.

본 논문에서는 직경 대 길이비(L/D ratio)의 값이 큰 composite 추진제를 사용하는 고체 추진기관 설계에 대하여 서술하였다. 큰 직경 대 길이비를 갖는 고체 추진기관은 침식연소와 축방향 연소 불안정성이 나타날 수 있는 요인이 크다. 특히 침식연소는 별 모양 그레인을 갖는 추진기관에서 초기 압력의 상승을 지속시키는 역할을 할 수 있다. 따라서 이를 고려한 그레인, 내탄도 및 연소관에 대한 구조적인 해석을 통해 설계를 수행하였다.

판재를 통과하며 진행하는 Lamb wave는 주파수와 두께에 따라 전파 속도가 다른 특성을 지니며 진행한다. 이러한 특성은 분산이라고 하며, 대칭과 비대칭 모드 2개의 특성을 갖는다. 특히, 복합재료에서는 방향에 따라 속도가 변화하는 특성을 갖는데, 본 논문에서는 복합재 판재에서 초음파 전파속도 실험과 이론값과 차이에 대해서 살펴 본다.

IRR의 부스팅 모드 시 흡입구에 발생하는 압력진동을 감쇄하기 위한 방안을 수치적으로 연구하였다. 축대칭 형태의 초음속 흡입구에 slit을 장착하여 유입되는 공기 유량을 줄여가며 흡입구 내부의 압력 진동을 조사하였다. 흡입되는 유량이 감소함에 따라 압력의 진폭은 감소하고 내부 압력의 최댓값 역시 감소하였으며, 주파수는 약간 증가하는 경향을 보였다. 흡입구의 slit을 이용하여 최적화된 압력 진폭과 주파수대를 얻어낼 수 있다면, 이 방안은 IRR의 부스팅 모드 및 천이 모드에서의 안정성을 높이는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

가스 발생기의 유량을 조절하기 위한 압력제어 법칙을 제안하였다. 고체 연료의 연소속도 모델과 가스발생기의 연소가스 보존방정식을 이용하여 내부 압력에 관한 동적 모델링을 하였고, 모델의 타당성을 검증하기 위하여 내탄도 해석 및 시험결과와 비교하였다. 비교 결과 모델은 연소압력을 매우 정확히 모의할 수 있는 모델임이 밝혀졌고, 같은 모델을 이용하여 고전 제어기법을 적용하여 제어 가능성과 문제점을 시뮬레이션을 통해 식별하였다. 고전 제어기가 보여준 시변 시스템에서의 성능저하를 극복하기 위하여 비선형 적응형 제어 기법을 제안하였으며, 수치 시뮬레이션 결과 우수한 추종 성능을 보였다.

초음속 추력편향 노즐의 시험 평가를 위한 시험 장치를 설계 하였다. 본 시험 장치는 축소된 모델추력편향장치를 이용하여 초음속 추력 편향시의 축추력, 모멘트, 배기가스 속도 및 압력 등을 측정하여 다양한 기하학적 변수에 대한 노즐의 성능특성을 이해하고자 한다. 본 시험장치는 고압 공기저장장치, 유량조절 및 측정장치, 시험노즐과 계측시스템으로 구성되어 있다.

발사체의 상단, 궤도선, 우주비행선 등의 추진기관은 불가피하게 무중력 환경에서 작동해야 한다. 이러한 비행체들이 겪는 비행 환경은 일반적인 중력장과 다르기 때문에 이에 대한 많은 연구들이 진행되어 왔다. 무중력 상태에서의 유체의 거동은 부착력, 응집력, 표면장력 등의 비중이 커지기 때문에 중력이 있는 상태에서와 다르게 나타난다. 본 논문에서는 무중력 환경에서 유체의 거동 특성에 대하여 알아보고 이런 유체의 거동 특성이 액체추진기관에 미치는 영향과 문제점에 대해 기술한다. 또한 이 문제점을 해결하기 위해 어떤 연구들이 진행되고 있는지 알아본다.

기체메탄/액체산소를 추진제로 이용한 동축인젝터를 설계하였으며, 전단(기체)/전단(액체)형 인젝터와 전단(기체)/스월(액체)형 인젝터 두 가지로 제작하였다. 수류시험을 통해 두 가지 인젝터의 미립화와 분무특성을 알아보았다. 전단/전단형 인젝터는 물줄기 형태로 분무되고, 전단/스월형 인젝터는 hollow cone형태로 분무되었다. 전단/전단형 인젝터보다 전단/스월형 인젝터의 미립화 성능이 우수하였다.

한국항공우주연구원에서는 2020년대에 수행하기로 계획되어 있는 달탐사를 준비하기 위해 달 탐사선 및 착륙선 추진시스템의 기본 설계를 진행하고 있으며 추진시스템의 설계 검증 및 추력기의 성능 검증을 위한 착륙 시험 계획을 진행하고 있다. 올해는 그 첫 단계로 추진시스템의 개념 설계가 이루어졌으며 지상 시험을 수행하기 위한 200N급 단일추진제 추력기의 설계가 이루어졌다. 본 논문에서는 추진계 설계를 위한 trade-off 연구 결과와 추진계 및 추력기의 기본 설계에 대해 소개할 예정이다.

액체로켓 엔진이 발사체의 추력원으로써 임무를 성공적으로 완수하기 위해서는 주어진 성능 요구조건을 충실히 만족시킬 수 있어야 한다. 가스발생기 사이클 엔진의 경우 엔진을 구성하는 각 구성품들의 성능 분산을 보정하는 지상 시험을 거치게 되며, 이때 보정용 제어밸브를 이용하여 추력이나 혼합비 등의 엔진 성능을 요구수준 이내로 보정하게 된다. 이러한 보정용 제어밸브의 고유유량특성(Inherent Flow Characteristics)을 제어 대상값과 선형적인 관계를 가지도록 선정함으로써 보정 과정을 간단하면서도 예측가능한 형태로 가져갈 수 있다. 이에 본 연구에서는 기존에 개발된 엔진 모드해석 프로그램을 응용하여 추력 및 혼합비 보정용 제어밸브의 고유유량특성을 계산하기 위한 알고리즘을 제안하고, 실제 엔진의 작동 모드를 계산하였다.

추진제를 추진제 탱크에 충전하는 과정은 발사 준비 과정에서 중요한 역할을 하며, 추진제 충전량의 정확도는 발사체 전체 무게와 관련되어 있다. 발사체에 사용되는 추진제 중에는 액체산소와 같은 극저온 추진제도 사용되며, 극저온 추진제는 탱크 내의 환경에 따라 쉽게 액상에서 기상으로 변화된다. 따라서 추진제 탱크 내의 추진제 표면 주위에서 추진제 수위를 판별할 수 있는 액상과 기상의 경계면을 명확하게 파악 할 수 있는 수위 측정시스템이 필요하다. 본 연구에서는 정전용량형 3전극 원리를 이용한 측정시스템의 제작과정과 예비시험을 통하여 액체의 높이가 변화할 때 전기신호가 변화되는 것을 확인하였다. 시험 결과로부터 물의 높이 변화에 비례하게 전압이 선형적으로 증감하는 경향을 파악하였다.

추력 75톤급 액체로켓엔진용 가스발생기의 초기 검증을 위해 축소형 모델에 대한 연소시험이 수행되었다. 본 논문에서는 축소형 가스발생기 연소시험 중 발생한 저주파 연소불안정에 대하여 분석을 수행하였다.

극저온 액체 질소 제트 유동의 아임계 및 초임계 특성을 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 단일 제트 분사기를 고압 챔버 내에 장착하여 제트의 주위기체압력, 분사기 형상 및 유동 조건의 영향을 조사하였다. 실험 결과로부터 아임계 조건과 초임계 조건에서의 제트의 특성 변화를 관찰하였으며, 주위기체압력이 대기압일 경우 유동 내에 섭동이 발생함을 파악하였다. 분사기 형상에 따른 유동 변화 또한 파악하였다.

본 연구는 과산화수소와 케로신을 추진제로 하는 액체로켓엔진에 막냉각 링을 장착하여 막냉각 효과에 관한 연구를 수행하였다. 막냉각제의 유량 및 냉각장치 형상에 따른 열유속을 계산하기 위하여 축방향으로 열전대를 장착하여 온도를 측정하였다. 냉각제 유량은 총 추진제 유량의 0~20%의 유량으로 선정하여 실험을 수행하였다.

본 논문은 유성기어를 적용한 터보펌프의 개념설계에 대하여 기술하였다. 발사체시스템에서는 무게가 가장 중요한 설계인자 중 하나이다. 케로신 혹은 메탄을 연료로 사용하는 터보펌프의 경우 통상 시스템의 간단성 때문에 1축(혹은 동축) 형식이 사용된다. 이 경우 단점은 산화제펌프와 연료펌프의 회전수가 서로 최적이 아닌 상태에서 작동하게 되는 것이다. 각 펌프가 최적 회전수에서 작동하고 또한 증가된 회전속도로 부터 부품의 효율 증대와 무게이득을 최대화하기 위해서는 터보펌프에 유성기어를 적용하는 것이 최선의 방법이 아닐까 판단된다. 본 논문에서는 유성기어를 도입한 터보펌프의 개념설계와 가능성에 대해 제안하였다.

수평방향의 전기히터 방식의 Rijke tube는 구조와 원리가 비교적 간단하여 열 음향 불안정 연구에 대표적으로 사용되고 있다. 본 논문은 음향공 특성연구의 일환으로 현재까지 수행하였던 상온감쇠실험과 열적 구배를 갖는 열 음향 불안정 환경과의 실험을 비교하기 위하여 연속적인 실험을 위하여 장시간에도 안정적인 Rijke Tube 제작 및 구성 방법을 제시하였다. 또한 모사된 열 음향 불안정 환경에 음향공을 장착하여 감쇠특성을 확인하여 추후 연구에 필요한 기초자료를 확보하였다.

단순화한 물리적 접근방법을 통해 산화제 과잉 예연소기 혼합헤드에서의 추진제 분포를 예측하였다. 혼합헤드는 와류형의 7개의 연료 분사기와 24개의 산화제 분사기가 벌집형태로 배열된 형태이며 혼합헤드에서의 혼합비는 15이다. 예측결과 혼합비 분포는 중심에서 약 9 정도를 보였으며 외각으로 갈수록 점점 커져 연소실 벽에서는 약 30 정도를 보였다.

추력조절이 용이한 SNECMA의 추력기에 대해서 수치해석 기법으로 분석하였다. 특허에 제시된 Aerospike 노즐의 형상은 고도에 따라 최적의 추력이 가능하도록 설계되었다.

움직이는 부품 없이 오직 온도구배만으로 추진제를 낮은 온도에서 높은 온도로 자체 펌핑이 가능한 열적발산장치를 설계 제작하였으며, 진공환경에서 누센수에 따른 멤브레인 압력구배 효율을 분석하였다. 본 논문에서는 한지 멤브레인을 사용하여 누센펌프의 펌핑 효율을 분석하였다.

우주공간에서 임무를 수행하는 인공위성이 궤도상에서 원활하게 작동할 수 있도록 열모델의 보정과정을 통하여 열해석 모델을 검증하는 과정이 이루어진다. 본 연구에서는 열해석 모델을 검증하는 과정으로 지상 열진공시험결과를 이용하여 요구조건을 충족시키기 위하여 열모델의 보정을 수행하였다.

본 논문은 내외부에 열원이 있는 시스템에 상변화물질(PCM, Phase Change Material)을 적용한 경우를 수치해석으로 분석한 것으로 컨넥터가 없는 경우와 있는 경우에 대하여 분석한 것이다. 각각의 경우에 $T_{max}$ 열원만 있을 경우와 $T_{max}$와 $710W/m^2$ 열원이 동시에 있을 경우가 고려되었다. 연구 결과 벽면에서의 열전달, 시간에 따른 PCM 온도변화 그리고 내부온도의 변화를 정리하였으며 그 결과 시스템의 구성품과 열전달 방향 및 열원의 종류에 따라 PCM의 잠열 시간이 달라진다는 점을 알 수 있었다.

냉각기계를 적용한 환경조절계통의 성능은 항공기의 비행환경에 따라 엔진의 운전상태가 달라지므로 환경조절장치로 취출되는 공기의 상태(온도와 압력)에 따라 급격히 바뀌게 된다. 즉, 항공기의 운전상태에 따라 환경조절장치는 운용성능을 100%만족하는 영역에서 운전될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다. 그렇기 때문에, 일반적으로 냉각기계를 적용한 환경조절장치의 설계규격은 항공기에서 요구하는 개발규격보다 큰 설계여유를 갖도록 설계한다. 이로 인한 시스템적인 손실요인을 최소화하기 위하여 본 연구에서는 냉각기계형 환경조절장치에 상변화 물질의 적용가능성을 연구하였다. 그 결과 상변화 현상을 이용하여 환경조절장치의 출구온도를 일정온도 범위 이내로 제어하면, 현재 운용되는 냉각기계형 환경조절장치의 일반적인 성능여유보다 적은 성능여유에서도 환경조절장치에 요구되는 성능요구조건을 만족할 수 있는 것으로 분석되었다. 본 연구 결과 환경조절장치의 운용개념 변경을 통하여 환경조절장치의 시스템 적용성 향상을 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

고성능 로켓엔진에 사용되는 다단연소싸이클의 주요 부품인 예연소기 개발 과정에서 브레이징 접합부를 모사하는 시편에 대한 강도 시험을 수행하고 유한 요소 해석 결과와 비교하였다. 용광로 브레이징되는 헤드의 산화제 분사기 및 진공 가압 브레이징되는 냉각채널 접합부를 모사할 수 있는 시편을 설계 및 제작하고 스트레인 게이지를 붙여 파단 시험을 수행하였다.

막냉각은 고온의 연소가스에 장시간 노출되어 있는 공기흡입식 추진기관의 연소실 내벽을 열적으로 보호하기 위해 사용하고 있으며, 슬롯형 냉각라이너를 이용한 막냉각 방법은 냉각특성을 향상시키기 위해 오랫동안 연구되어 왔다. 본 논문에서는 다중 슬롯형 냉각라이너의 연소영역과 냉각영역에서의 기체역학적 유동 및 열전달 계산에 대한 연구결과를 기술하였다.

FAR25급 터보프롭 항공기에서 프로펠러는 고속으로 비행할 수 있는 추력을 얻기 위해 공기역학적으로 우수하며 높은 효율을 가져야 한다. 프로펠러 형상 설계를 위한 익형은 전형적인 터보프롭 항공기 프로펠러에 사용되는 Clark-Y를 적용하였다. 프로펠러 공력설계 및 해석에는 최소에너지손실을 위한 조건을 만족시키도록 설계하는 와류-깃요소 이론(Vortex-Blade element theory)에 근거한 Adkins의 방법을 이용한 Javaprop을 이용하였다. 시위길이와 피치각 분포를 변경해 가며 FAR25급 터보프롭 항공기의 설계점에 가장 효율적인 프로펠러 형상을 생성하였으며, 전산유체역학을 이용하여 생성된 프로펠러 공력특성 분석을 통해 프로펠러 설계결과가 FAR25급 터보프롭 항공기에 적용 가능함을 확인하였다.

항력감소제(BBU, Base Bleed Unit)는 155mm 탄에 부착되어 비행 중에 형성되는 탄저부 항력(base drag)을 감소시켜 사거리를 연장시키는 무기 체계이다. 본 연구는 항력감소제용 연소방지제의 경화제를 DDI에서 IPDI로의 변경하는 조성을 개발하는데 주안점을 두었으며, 개발 과정은 연소방지제의 조성시험을 통한 기본적인 특성 확인을 거친 후 공정성 연구와 품질 및 노화특성을 확인하는 순서로 진행하였다. 시험결과 모든 시험 항목들이 요구된 조건들을 만족하여 경화제 수급 불안정에 대한 생산안정성 확보에 기여되었다.

나로우주센터 발사장의 지상 추진제 공급시스템인 산화제 공급시스템은 2009년 5월 발사체와의 연계시험을 시작으로 2010년 6월 나로호 2차 발사 수행까지 총 9회의 시스템 운용을 하였다. 본 시스템은 두 차례의 나로호 발사 시 성공적으로 임무를 수행하였다. 지상설비의 성공적인 운용이란 기본적으로 재현성을 갖추어 신뢰도를 확보하는 것이며 본 논문에서는 산화제 공급시스템의 재현성 확보를 판단하기 위해 운용 시 액체산소 소모량을 분석하였으며 이는 시스템이 향후 한국형발사체의 발사 운용에 활용하기 위해서 적절한지 판단하는데 참고가 될 것이다.

석유자원의 고갈에 따라 전 세계적으로 석유대체자원인 석탄, 천연가스 및 바이오매스로부터 합성 연료 및 화학물질을 제조하기 위한 피셔트롭스 반응에 관한 많은 연구가 이루어지고 있다. 일반적으로 이러한 피셔트롭스 반응은 주로 스케일 업이 비교적 용이한 고정층 반응기를 사용한 기상반응이 적용되고 있으나, 촉매 기공에서의 확산제어 및 왁스의 생성에 따른 촉매의 비활성화 등의 문제점에 기인하여 최근 들어 초임계 유체를 이용한 반응이 많이 연구되고 있다. 본 연구에서는 피셔트롭스 반응에 관한 담지 촉매 및 반응매체에 관한 좀 더 심도 있는 영향을 고찰하기 위해 다양한 담지촉매를 제조하여 피셔트롭스 반응에 관한 기상반응과 초임계 반응을 비교, 고찰하였다.

고체 추진기관은 다른 추진기관에 비해 구조가 간단하고 운용성이 좋아 전략무기의 추진기관으로 주로 사용되고 있다. 그러나 고체 추진기관의 추력형상은 추진제의 연소속도와 추진제 그레인의 연소면적에 의해 결정되며, 추진제의 외경, 길이, 무게, 충전율 등과 같은 다른 설계요소들에 의해 요구되는 추력형상의 획득에 제약을 받는다. 고체 추진기관의 이중추력 성능은 일반적으로 사거리 연장과 종말 속도 향상에 장점이 있으나 추진제 그레인의 형상만으로 성능을 획득하고자하는 경우 연소관 내 추진제의 충전율이 저하된다. 따라서 연소속도가 다른 이종추진제를 적용하여 이중추력을 획득하는 것이 유리하다. 본 연구에서는 연소속도가 다른 이종 추진제를 적용하여 소형 고체 추진기관의 내외탄도 해석 및 지상연소시험을 통해 이중추력 성능을 확인함으로써 이중추력 추진기관 개발 가능성을 확인하였다.

무차원 추진제 모델링 기법과 1차원 추진제 모델링 기법을 사용하여 약실 내 추진제 모델링 기법에 대한 비교 연구를 수행하였다. 무차원 추진제 모델링의 경우 약실 내 추진제 위치 및 배열에 대한 묘사가 불가능 하지만 1차원 추진제 모델링의 경우에는 가능하다. 따라서 약실 내 추진제 배열에 따른 강내탄도 성능해석 시 무차원 추진제 모델링의 경우 강내 마이너스 차압의 예측이 불가능하지만 1차원 추진제 모델링의 경우 예측이 가능함을 확인했으며, 이를 통해 강내탄도 성능해석 시 1차원 추진제 모델링의 필요성을 확인했다.

본 연구에서는 저주파영역의 가진분무에 대하여 추가적인 내부가진을 수행함으로써 변조분사되는 분무특성에 대한 연구를 수행하였다. 회전식 가진장치를 사용하여 1차 가진을 생성한 후 2차 가진원인 마그네틱 밸브를 사용하여 변조하였다. 변조분무의 FFT결과와 분무패턴의 가시화를 통하여 관찰한 결과, 2차 가진 제어가 있는 변조분사의 경우 1차 가진만 있는 분사보다 분무의 상하 운동 진폭이 작으며 분무 하단류의 침투깊이가 증가하는 경향성이 발견되었다.

나로우주센터에서 2차에 걸친 나로호 발사가 수행되었다. 나로호 발사를 위한 나로우주센터 발사대는 연료 및 산화제, 고압가스 등 발사체 발사운용에 필요한 추진제 공급설비를 갖추고 있으며, 본 논문에서는 발사대 추진제 공급설비 중 극저온 추진제인 액체산소 충전시스템에 대한 개발 과정 및 운용방법에 대해 고찰한다.

본 연구에서는 비정상 노즐 구동 압력비 변화가 유동장의 천이형태 및 횡력 특성에 어떠한 영향을 미치는지 조사하기 위하여 수치해석적 연구를 수행하였다. 비정상, 축대칭, 압축성 N-S 방정식을 유한 체적법으로 이산화 하였으며, SST $k-{\omega}$ 난류모델을 적용하였다. 엔진 정지 및 시동과정을 모사하기 위하여, NPR은 2~10의 범위에서 계산 하였다. 본 연구의 결과로 박리 유동과 히스테리시스 현상은 구동 압력비에 크게 의존하며, 또한 압력비 변동 시간이 횡력 특성에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 알았다.

KSLV-I 나로호는 대한민국 최초의 위성발사체로 러시아와 공동개발 되었다. 2009년 8월과 2010년 6월에 있었던 1, 2차 발사는 위성을 궤도로 올리려는 목표 달성에는 실패하였지만 발사를 안전 관점에서 보았을 때는 인명이나 시설 손상과 같은 사고 없이 안전하게 이루어졌다. 안전한 발사를 이루기 위하여 우주발사체 사업단은 러시아의 카운터파트인 흐루니체프사와의 협력을 통해 발사체의 기술적 안전 프로그램을 개발한 바 있다. 본 논문에서는 KSLV-I에 적용된 기술적 안전 관리 프로그램을 소개하고자 한다.

Flash boiling takes place when the thermodynamic state of the liquid deviates from its saturation limit over which the liquid temperature exceeds by a certain degree of superheat. The liquid jet introduced into the lower pressure zone than the liquid saturation pressure experiences a sequence of the atomization and disintegrated into numerous faster and smaller droplets. In the present study spray characteristics for a flash swirl spray were experimentally investigated. Injectant temperature is raised by a high frequency dielectric heating method and local spray characteristics are instantly measured by Global Sizing Velocimetry (GSV, TSI Inc.). Dependence of dimensionless superheat degree and injection pressure on total and local SMDs and mean droplet size is quantitatively examined. The flash swirl spray has the relation in the injection pressure and nozzle diameter in order to determine the spray quality, including the dimensionless superheat degree. Small droplets occur in the void core and local droplet size distributions largely depend on the dimensionless superheat degree and the injection pressure.

본 연구에서는 하이브리드 로켓 추진제의 단일 포트에서 포트 직경 변화에 따른 연소특성를 연구하였다. 하이브리드 로켓 연소실험에 사용한 추진제로는 PolyEthylene, 산화제로는 기체 산소를 사용하였다. 포트 직경의 변화에 따라 후퇴율 특성과 O/F ratio를 분석하였다.

최근 가스터빈엔진의 신뢰성 높은 시동 능력을 확보하기 위한 시동성능 개발이 가스터빈 산업의 주요 이슈로 부각되고 있다. 통상 엔진 성능향상 연구는 아이들에서 최대 회전수 사이 영역에서 수행되어 왔으나, 이러한 개발요구에 따라 엔진 정지상태에서 아이들까지 영역에 대한 탈설계 연구가 활발히 진행 중이다. 아이들 이하영역에서의 엔진 구성품 특성 파악은 이러한 시동연구의 기초가 되나 일반적인 구성품 단위시험은 여러 이유로 이 영역에 관심을 기울이지 못하였다. 압축기의 경우 일반적인 맵을 아이들 이하영역으로 확장하는 다양한 해석적 연구가 시도되고 있다. 본 연구는 지금까지 제안된 압축기맵 확장기법을 분석하고, 새로운 확장기법을 제안하여 그 결과를 시험결과와 비교/검증하였다.

고신뢰도의 점화안전장치를 제작하기 위해 비행환경을 모사하는 환경시험을 수행하였다. 초기 설계에서 모터조립체를 진동 및 충격으로부터 보호하기 위한 구조물을 추가하였으며, 필수 환경시험을 재수행하여 이러한 설계 변경 결과를 최종 검증하였다.

킥모터 점화기의 점화 초기 연소 특성에 대한 설계 해석 결과 초기 압력 조건에 따라 100~500 ms 범위의 점화지연이 생기는 것으로 나타났다. 개발 시험에서 점화기가 점화 초기 주 추진제를 점화시키는데 충분한 에너지를 공급할 수 있다는 것을 검증하였다.

KSLV-I 킥모터 노즐 개발에 있어서 가장 중요한 개발품은 노즐 구동에 필요한 플렉시블 씰 개발이다. 특히 플렉시블 씰 제작 기술의 확보는 킥 모터 노즐 개발에 있어서 핵심 개발 사항 중에 하나였다. 킥모터 플렉시블 씰 제작에 사용된 방법은 금형에 순서대로 배열된 보강재 사이에 고무를 주입하는 인젝션 방식을 사용하였다. 플렉시블 씰 제작을 통해 금형 설계 기술, 고무 인젝션 방법, 성형 공정을 확립하였다. 제작된 플렉시블 씰은 X-Ray 검사를 통해 내부 접착 상태 및 보강재/고무 배열 상태를 확인하였다.

본 논문에서는 가변노즐의 다물체동력학적 특성을 연구하였다. 가변노즐은 다양한 운용고도조건에서 비행체의 효율성을 향상시키기 위하여 사용된다. 플랩을 포함하는 가변노즐 메커니즘의 동적특성을 다물체동력학 소프트웨어인 RecurDyn을 이용하여 분석하였다.

헬기의 급격한 기동은 연료탱크 내부연료의 출렁임 현상을 발생시키며 연료가 한쪽으로 쏠리는 경우에는 연료탱크 내부 구성품 및 장착부에 큰 하중을 가하게 된다. 이는 연료탱크의 손상(소재의 찢어짐 등) 및 내부 구성품 파손을 유발한다. 이는 항공기 조종사 및 승무원의 생존성 문제와 직결되는 사안으로써, 미 군사규격(MIL-DTL-27422D)에서는 Slosh & Vibration 인증시험을 통하여 연료탱크 및 내부 구성품 장착의 건전성을 검증하도록 규정하고 있다. 본 논문은 미 군사규격의 요구조건을 만족시키는 한국형 기동헬기 용으로 개발된 연료탱크의 Slosh & Vibration 시험설비 구축결과 및 연료탱크 Slosh & vibration 인증시험 결과를 제시한다.

초음속 풍동은 실험하고자 하는 모델 주위에 인공적으로 초음속 유동장을 형성하여 모델에 작용하는 현상을 관찰 및 측정하는 실험 장비이다. 이러한 풍동 실험 장비는 비행체 설계에 있어 시제기를 제작하지 않고도 비행체 외형에 대한 공기역학적 특성을 파악하는데 유용하다. 본 연구에서는 러시아에서 제작된 초음속/극초음속 풍동(MAF : The Model Aerodynamic Facility)을 시험 시간 증가 및 활용성 증가를 목적으로 개조하였다. 안전성 확보 및 원격 작동을 위해 공압 밸브를 설치, 실험 시간의 증가를 위해 새 저장 탱크를 설치했다. 설치한 밸브와 탱크를 이용할 수 있도록 배관 시스템을 개조하였다. 또한 광학적 시험을 위하여 시험부의 광학창을 확장하였다. 개조 후 마하수 2,3,4에 대하여 성능 시험을 수행하였다. 유동가시화 기법중 하나인 Shadow graph 기법을 이용하여 초음속 유동장의 형성을 확인하였으며, 마하수 2,3,4에 대하여 Settling Chamber, Working section의 압력측정을 통해 성능 시험을 수행하였다. 결과로부터 해당 초음속 풍동에 사용가능한 모델 크기 및 시험 시간을 도출하였다.

추진제탱크의 가압에 소요되는 가압가스 요구량을 예측하기 위해 개발된 프로그램을 비행시험 데이터를 통해 검증하였다. 개발된 예측 프로그램은 이미 지상에서의 시험데이터를 통해 검증되었으나, 프로그램의 신뢰성을 높이기 위하여 2002년 발사된 3단형과학로켓(KSR-III)의 비행시험 데이터와 비교하였다. 비행시험에서는 추진제탱크로 유입되는 가압가스의 온도를 측정하지 않았으므로 데이터 분석을 통하여 적절한 온도를 가정하였다. 수치해석 프로그램과 비행시험 데이터 비교 결과 가압가스 요구량에 있어 약 6%의 오차를 보여줌으로써 예측 프로그램의 유효성을 입증하였다.

75톤급 가스발생기 개발을 위한 분사기의 설계 변수에 따른 유량계수의 영향을 파악하기 위하여 축소형 가스발생기를 설계, 제작하였으며, 연소시험을 성공적으로 수행하였다. 연소시험 결과 연료 및 산화제 분사기의 유량계수는 혼합비와 연소압에 상관없이 거의 일정한 것으로 나타났으며, 산화제 분사기의 노즐 지름을 줄인 경우 분사기 차압이 줄어들어 유량계수가 증가하는 것을 확인하였다.

본 연구는 케로신과 액체산소를 추진제로 사용하는 동축 와류형 분사기를 해석하기 위해 체계적인 물리 모델링을 수행하였다. 먼저 초임계 압력 조건에서 나타나는 실제유체의 열역학 및 전달 물성치를 계산할 수 있는 서브루틴 라이브러리를 구축하였으며, 층류 화염편 해석 코드와 연동하여 케로신 난류연소장의 국소화염구조를 해석하였다. 설계 목적에 맞는 계산 효율성을 확보하기 위해 동축 와류형 분사기는 RANS 기반의 2차원 축대칭 선회 유동으로 해석하였으며, 실험 결과가 존재하는 비연소 동축선회 제트 유동을 통해 예측정확도를 검증하였다. 실제 고압 연소를 수반하는 동축 와류형 분사기의 경우, 기존의 RANS 모델은 급격한 밀도 구배가 수반되는 선회 막 유동의 혼합층에서 과도한 난류확산을 야기하였으며, 난류모델의 수정을 위해 보다 심도 있는 연구가 필요할 것으로 판단되었다.

한국항공우주연구원은 한국형발사체 2단용 액체로켓엔진의 개발 및 인증을 위한 엔진고공환경모사 연소시험설비의 예비설계를 수행하였다. 고흥 우주센터에 구축될 예정인 엔진 고공연소시험설비는 액체산소와 케로신을 공급하여 한국형발사체 2단 엔진의 고공환경모사 시험을 지상에서 수행할 수 있도록 구성된다. 고공환경 모사는 액체로켓엔진의 후류제트로 작동되는 초음속 디퓨저로 구현된다.

러시아의 액체로켓엔진 개발과정과 특징을 살펴보았다. 1960년대에는 closed cycle을 채용하여 연소압과 비추력을 최대한 높이려고 노력하였으며, 근래에는 기존 개발 부품의 이용과 최적화된 시험-개선과정으로 엔진개발비용을 최소화하고, 시장확대를 위한 활발한 국제협력을 진행하고 있다.

1단용 액체로켓엔진 후류 때문에 발생하는 유도로의 열적 부하를 감소시키기 위한 방법 중 물분사 방식의 효과적인 냉각 성능을 고찰하기 위해 두 가지 방법과 다양한 물분사 조건에 대해 수치적 계산을 수행하였다. 중앙분사 방식이 측면분사 방식보다 보다 효과적으로 후류를 냉각시켜 유도로의 열적부하를 감소시킴을 알 수 있었다.

발사체의 추진공급시스템에 사용되는 벤트/릴리프밸브는 안전밸브의 조합체로 극저온의 산화제를 주입할 때와 비행 중에 기화된 산소기체를 배출시킨다. 벤트/릴리프밸브의 설계검증을 위해 AMESim과 FLUENT 상용코드를 이용하여 밸브모델을 구성하였다. AMESim 밸브모델을 검증하기 위해 밸브의 개폐압력, 개폐작동시간을 수학적 계산결과와 비교하였고 내부유동해석 결과를 반영하여 모델의 정확도를 높였다. 본 연구에서는 설계인자를 검증 및 작동성능을 분석하였다. 이 결과는 한국형 발사체에 사용되는 다양한 규격의 벤트/릴리프밸브 개발과정의 효율성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.

로켓을 발사하기 위해서는 발사대에 로켓을 세워놓고 추진제와 고압가스 등을 충전한 다음 원격제어로 로켓을 발사하게 된다. 로켓 발사대로는 지상저장탱크에 고압으로 저장되어 있는 고압가스가 여러 종류의 압력조정기를 통과하여 운용압력으로 감압되어 공급된다. 로켓 발사시에는 발사통제실에서 원격으로 모든 운용이 이루어지기 때문에 압력조정기 전단에는 급격한 가스 공급이나 압력변동 등으로 인하여 운용압력을 벗어나거나 압력조정기가 파손되는 경우가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 고압가스가 안정적으로 감압되어 발사대로 공급되기 위한 고압가스감압시스템 최적화 설계기법을 고찰하였다.

소형위성발사체 (KSLV-I)의 발사 준비에는 다양한 규격의 질소 가스 및 초저온 액체 질소가 소요된다. 발사대 질소 공급 시스템은 고압의 질소 가스 생성, 추진제 충전 후 발사 대기 중인 발사체의 보호를 위한 공간 퍼지용 질소 가스 생성, 연료 및 산화제의 냉각을 위한 액체 질소 공급 기능을 수행하기 위하여 개발되었다. 대기 환경 조건에 따라 열전달 특성이 민감하게 변화하는 대기식 기화기의 운용 불안정성을 제거하기 위해 기화기의 병렬 설치 및 교대 운용 절차를 도입하였다. 이를 통하여 기후조건에 상관없이 항시적으로 운용이 가능한 시스템을 개발하였으며, 소형 위성 발사체의 비행 시험을 위한 발사대 운용을 성공적으로 수행하였다.

본 논문에서는 포물선 형상의 팽창부로 설계된 이차원 노즐(M=3)에 톱니 형태의 대칭 및 비대칭 파동 채널을 교대로 설치하여 원형 음속 노즐에서 발생하는 추력과의 추력편차를 측정함으로써, 두 파동 벽면 내에서 일어나는 조파저항의 공진현상을 실험적으로 확인하였다.

강내탄도 성능 해석의 정확도를 높이기 위해서 1차원 해석 코드를 2차원 및 3차원으로 확장시키는 작업이 필요하다. 다차원 확장 시 이동경계면 해석에 Cut Cell Method를 적용하였다. 이에 high resolution 기법인 MUSCL-Hancock을 선택하였고 free piston problem에 적용하여 그 타당성을 검증하였다.

전북대학교 고온플라즈마 응용연구센터 구축사업단에서는 MW급 초음속 플라즈마 풍동을 구축하고 있다. 구축되는 장비는 0.4MW/2.4MW급 Huels형 DC 플라즈마 장치 및 60kW/200kW급 RF 플라즈마장치 등으로 구성되며 이러한 장비를 지원하는 공통지원설비가 별도로 구축되게 된다. 공통지원설비는 플라즈마 풍동을 구동하기 위한 수변전설비 및 가스공급설비, 냉각수공급설비, NOx 제거용 후처리 설비, 예비전원설비 등으로 구성되어 있다. 4기의 플라즈마 장치와 공통지원설비를 위한 건축물은 시험동, 연구동, 수변전동, 기체저장동, 냉각탑 기초로 구성되어 있다.

아크 채널 모델을 이용하여 플라즈마 온도를 매개로 플라즈마 입력전력과 전류 조건에 따른 간극 반지름(L) 및 간극팩 묶음 길이(R) 변수 계산이 가능한 해석해를 유도하고 이를 이용하여 300 A 전류조건에서 0.4 MW 급 분절형 아크 플라즈마 토치에 대한 해석적 설계 변수 해석을 수행하였다. 해석 결과, L < 1.25 m, R < 7.5 mm 에 대해, 고정된 R 값에서 L이 길어지거나 반대로 L 값이 일정할 때, R이 작아질수록 플라즈마 온도는 비례하여 증가하는 경향을 가지고 있음을 알 수 있었으며, 그 이상의 범위에서는 만족하는 플라즈마 온도 해가 없거나 2개 이상 존재하여 주어진 전류 및 전력조건에서 아크 플라즈마의 형성이 불가능하거나 불안정할 것으로 예측되었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 입력전류가 300 A 일 때 약 15,000 K의 아크 플라즈마 온도를 안정적으로 구현할 수 있을 것이라 여겨지는 0.4 MW 급 분절형 아크 플라즈마 토치의 간극 반지름 R 및 간극팩 묶음 길이 L의 설계범위를 각각 $5.5mm{\leq}R{\leq}7.0mm$, $0.5m{\leq}L{\leq}1.0m$ 범위로 제안하였다.

액체로켓 터보펌프의 산화제펌프 벌류트 및 연료펌프 벌류트 케이징의 설계, 해석, 그리고 구조 시험을 수행하였다. 설계된 케이징 형상에 따라 벌류트 케이징을 주조하여 제작하였으며, 설계 검증 및 주조의 건전성을 검증하기 위하여 파열시험을 실시하였다. 파열시험 시 주요 지점에서 변형률을 측정하여 항복 시점을 조사하였으며 해석을 통한 예측과 비교하였다.

실린더 중앙 원주방향 변형률을 바탕으로 킥모터의 연소 압력을 계산하는 방법을 제안하였다. 지상연소시험으로부터 연소시간 동안의 변형률-압력 비(strain ratio)를 근사하는 다항식을 계산하였다. 이 다항식에 비행 중 측정한 변형률을 대입하여 비행 중 연소압력으로 변환하였다. 실제 비행 중에 측정한 압력과 비교한 결과 전체적인 변화 양상이 일치함을 확인하였으며 최대 약 10psi 수준의 차이가 나타난 것을 볼 수 있었다.

전북대학교 고온 플라즈마 응용 연구 센터 구축사업단은 교육과학기술부 기초연구사업 중 고가연구장비 구축사업을 통하여 고부가가치 재료 연구 및 시험생산이 가능한 소재공정용 60kW 와 200kW ICP(RF) 플라즈마 발생장치를 구축하고 있다. 나노분말소재의 합성과 플라즈마 용사 코팅이 가능한 대형 ICP(RF) 플라즈마 장치 구축을 통하여 차세대 전자 부품 소재의 개발 및 고온 플라즈마 기술의 산업화에 이바지 하고자 한다.

전북대학교 고온플라즈마 응용연구센터 구축사업단에서는 MW급 초음속 플라즈마 풍동을 구축하고 있다. 구축되는 장비는 0.4MW/2.4MW급 Huels형 DC 플라즈마 장치 및 60kW/200kW급 RF 플라즈마 장치 등으로 구성되며 이러한 장비를 지원하는 공통지원설비가 별도로 구축되게 된다. 공통지원설비는 플라즈마 풍동을 구동하기 위한 수변전설비 및 가스공급설비, 냉각수공급설비, NOx 제거용 후처리 설비, 예비전원설비 등으로 구성되어 있다.

본 논문에서는 스윕과 린의 각도에 따른 부분흡입형 초음속 터빈의 성능 특성을 분석하기 위하여 유동해석을 실시하였다. 유동해석은 스윕과 린의 3가지 각도($5^{\circ}$, $10^{\circ}$, $15^{\circ}$)에 대해 수행되었다. 해석결과, 전반적으로 스윕 각도에 커질수록 효율이 증가하였다. 다만, 스윕 각도가 $5^{\circ}$일 때에는 기본익형보다 효율이 더 떨어졌다. 린 각도가 커질수록 전압력 손실은 줄어들었지만 정효율은 감소하였다.

피셔트롭스반응은 합성가스 ($H_2+CO$) 로부터 액체연료를 생산하기 위한 목적으로 연구되고 있으며 최근 한정된 석유자원으로 인하여 그 중요성이 증대하고 있다. 이 반응을 통해 생산된 왁스는 수첨분해 반응을 통해 원하는 액체연료 (디젤, 항공유, 윤활유 등) 영역의 수율을 높일 수 있다. 수첨분해반응을 위해선 수소화/탈수소화 기능을 가지는 금속을 포함하고 크래킹 반응을 일으키는 산점을 가지는 양기능성 촉매가 선호된다. 본 연구에서는 수소첨가분해 반응에 이용하는 일반적인 촉매를 알아보고 왁스종류, 반응온도, 반응압력 등 공정변수에 따라 사용가능한 촉매를 조사, 비교하였다.

바이오매스로부터 합성액체오일을 생산하기 위한 방법의 하나로써 Fischer-Tropsch 합성이 세계적으로 주목을 받고 있다. $C_7-C_{15}$ 파라핀의 수첨이성화 반응은 세탄넘버의 향상과 저점도, 유동점, 및 어는점 등의 저온유동특성의 개선을 위하여 디젤연료의 생산 공정에 적용된다. Fischer-Tropsch 합성으로부터 생산되는 Jet fuel 등의 상업적인 제품들은 낮은 끓는점과 유동점을 개선해야 한다. 본 연구는 합성 오일로부터 bio-jet fuel을 제조하기 위한 수첨이성화 반응용 촉매를 개발하는데 있다. 수첨이성화 반응용 백금/제올라이트 촉매의 특성을 분석하고 모델반응으로써 도데칸의 수첨이성화반응 성능을 회분식반응기에서 조사하였다.

산업적으로 유용한 다중고리형 탄화수소화합물 중의 하나인 NBD 이량체 제조시, 이량화반응후 결과물에는 여러 가지 촉매와 용매, 부생성물 등이 포함되어 있다. NBD 이량체 혼합물의 수율을 증가시키기 위해서는 효율적인 분리공정이 가장 먼저 요구된다. 본 연구에서는 친환경적이고, 회수율이 높은 용매를 사용하여 NBD 이량체의 분리수율을 개선하였다.

Tetrahydrotricyclopentadiene(이하 THTCPD)의 이성질체는 높은 밀도와 높은 발열량을 가지고 있어 고성능 액체 연료의 주요성분으로 활용이 가능하다. 본 연구에서는 상온에서 고체상태로 유동성이 좋지 않은 THTCPD를 흐름성이 우수한 액체상태 특성을 가질 수 있게 할 수 있는 최적의 반응조건을 찾는 것이다. THTCPD의 이성화 반응은 반응온도 변화와 반응용매의 영향 등의 다양한 반응조건을 통해 살펴보았다. 알루미늄클로라이드 촉매를 사용하여 실험한 결과 사용한 반응용매 중 Dichloromethane(Methylene Chloride: MC), 1,2-Dichloroethane(Ethylene Chloride: EC), Chloroform이 n-Hexane, Toluene보다 이성화 반응에서 우수한 특성을 나타내었으며, 반응온도도 이성화반응에 영향을 크게 미치는 것을 알 수 있었다.

석유자원 고갈에 따른 대체에너지 개발의 필요성과 더불어 온실가스인 CO2 저감 등 높은 환경개선 효과로 인하여 새로운 청정연료로 바이오매스로부터 제조되는 BTL(Biomass to Liquid) 공정에 대한 관심이 유럽을 중심으로 크게 증가하고 있다. 본 논문에서는 BTL 기술의 핵심인 촉매와 공정 개발 현황을 조사하였다. 또한 본 연구팀에서 수행해온 철계 촉매를 사용한 BTL pilot 공정을 소개하고자 한다.

비추력이 300초 정도 되는 발사체로 고도 200km 이상의 궤도에 페이로드를 진입시키기 위해서는 2단 이상의 단 구성이 필요하다. 전이궤도인 고도 200~250km 까지는 1단과 2단 로켓 엔진의 작동 영역이고 그 이상은 최상단 가속블록과 인공위성의 추진기관이 작동하는 영역이다. 최상단의 엔진은 페이로드를 목표한 궤도에 정확하게 투입시키기 위해 높은 추력은 아니지만 정밀한 제어를 필요로 한다. 현재 운용 중인 상단 엔진에 대한 조사와 정리를 통하여 개발 동향을 파악하고 향후 우리의 고성능 상단 엔진을 개발하는데 참고하고자 한다.

열음향학적 불안정성의 동역학적 저차 모델링 기법 개발을 위해 전기적으로 가열되는 Rijke 튜브 실험 장치를 구성하고, 불안정성으로 인해 발생되는 튜브 내의 압력 진동을 측정하였다. 측정된 데이터로부터 압력 신호의 주파수 스펙트럼을 분석한 결과 3개의 주요한 진동모드를 관측할 수 있었으며 특히 첫 번째 모드 주파수는 단순한 열음향학적 해석 결과와도 거의 일치하는 것을 확인하였다. 이러한 실험 자료와 데이터 분석을 바탕으로 추후 열음향학적 불안정현상의 저차 모델링을 수행할 예정이다.

한국항공우주연구원에서는 한국형발사체 개발사업의 일환으로 KSLV-II 발사체의 추진기관 성능시험을 위한 연소기, 엔진 등 대형 추진기관 시험설비를 구축 및 운영 예정에 있다. 이에 앞서 해외 기술 선진국에서의 과거 발사체 개발에 적용하였던 대형시험설비에 대한 사례를 조사 및 검토함으로써 향후 국내 실정에 적합한 한국형발사체 시험설비 개발 계획에 참고하고자 한다.

태양전지, 연료전지, 이차전지와 같은 동력시스템을 사용하는 EAV2 전기비행기의 특정 비행 전 구간에서 걸쳐 필요한 추진요구전력에 대한 분석을 수행하고, 이를 통해 비행영역에서 최적의 추진시스템 무게로 공급가능전력에 대한 동력 시나리오를 논의하였다. 그 결과 길이 6m, 폭 0.35m의 글라이더형 전기추진비행의 위해서는 최적의 추진시스템 무게는 7.06kg이며, 연료전지 500W와 이차전지 100W의 전력으로 비행가능함을 알 수 있었다.

본 연구는 소형 하이브리드 로켓의 제작 및 발사를 통해 하이브리드 발사체의 기초 발사기술을 확보하는 것이다. 연료로는 HDPE, 산화제는 $LN_2O$를 적용하였으며, 알루미늄 외형재질의 설계 총 무게 12.5 kg, 외경 114 mm, 전장 1.8 m의 소형 하이브리드 로켓을 설계하였다. 로켓의 목표고도는 500 m로 설정하였고, 목표 추력 50 kgf와 연소시간 2.5 초의 연료 그레인 및 인젝터를 설계 및 제작하였다. 발사 후 실시간 압력 및 속도 등의 데이터를 수집하기 위한 데이터 획득장치와 로켓의 안정적인 회수를 위한 스프링-모터를 이용한 사출장치를 제작 탑재하였다. 로켓의 발사는 성공적으로 수행되었으나, 로켓 중량의 증가 및 추력의 부족으로 설계 최고 고도에는 로켓이 미치지 못했고, 로켓의 비행 궤도를 분석하였다.

항공용 가스터빈 엔진은 운용 범위가 넓으며 고고도에서 운용되므로 극한 환경조건에서의 운용을 요구하며 높은 신뢰성을 요구한다. 따라서 본 연구에서는 혹독한 환경에서 높은 수준의 신뢰성 있는 연소기 개발을 위한 연소기 리그시험 및 엔진 단위의 운용 안정성 평가를 수행, 최적화하였으며, 엔진개발 단계에서 수립된 시동로직을 반영하여 고고도 운전영영에서의 시동 및 운용 안정성을 검증하였다. 리그 및 엔진시험 결과, air swirler가 장착된 인젝터를 적용할 경우, 20kft Hot day 및 $-40^{\circ}C$에서 정상적인 운용 및 시동이 이루어졌다.

가스터빈엔진의 시동을 위해서는 점화가 가능한 공기 및 연료 조건이 되도록 외부 동력으로 엔진을 가속시켜 주어야 한다. 항공기용 소형 가스터빈엔진의 전기식 시동시스템은 구조가 간단하고 중량이 작아 소형 항공기에 주로 사용된다. 가스터빈 엔진의 전기 시동시스템 해석을 위해서는 배터리, 시동 모터 특성 및 엔진 drag 토크의 분석이 필요하며, 엔진의 사용 온도에 따라 각각의 특성을 반영하여 시동 시스템을 분석하여야 한다. 본 논문에서는 소형 가스터빈엔진의 전기시동 시스템 기본설계 과정 및 주요한 설계 파라메터에 대하여 기술하였다.

본 연구는 최소 압력 모사로 엔진 배기가스를 배출시키기 위한 최적 이젝터 크기를 결정하기 위한 것을 목적으로 한다. 실험 챔버로 유입되는 2차 냉각 공기는 유량제어 밸브들과 진공펌프가 장착된 배출구를 통해 엔진배기가스는 분리되어 배출된다. 기존 고도시험 장치와 달리, 본 연구에 제안한 형상은 기존 이젝터의 압력 회복을 개선한 좀 더 작은 포획 면적을 가진 배기 이젝트를 사용하면 가스에 스텔링 챔버로 부터 20% 냉각 공기를 부가하여 배출시키도록 크기가 정해진다. 제안된 형상은 벨마우스 이젝터와 엔진배기 출구의 면적비가 이론적으로 약 1.2를 갖는다. 제안된 형상의 혼합 공기 모사결과에 따르면 큰 에너지는 기존 시스템 비해 좀 더 개선된 압력 회복과 감소된 전력 소모를 같음을 확인하였다.