• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2003.05a
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• pp.244-245
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• 2003

고체나 액체 추진로켓에 비하여 하이브리드 추진 시스템은 작동조건의 안정성과 안전함등의 많은 장점을 가지고 있다. HTPB와 같은 고체연료는 제작 및 저장, 운송 그리고 장착상의 안정성을 가지고 있으며 하이브리드 로켓의 고체연료로의 산화제의 유입을 제어하면서 추력의 변화와 엔진내부의 연소중단과 재 점화를 용이하게 할 수 있다. 이러한 이유로 인하여 하이브리드 엔진은 좀 더 경제적인 장치로 기대를 모으고 있다. 그러나, 기존의 하이브리드 로켓 엔진은 고체 추진 로켓에 비하여 낮은 연료 regression 율과 연소효율을 가지는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하고 요구되어지는 추력값과 연료유량을 증가시키기 위하여 고체연료의 표면적을 증가시킬 필요가 있다. 기존의 하이브리드 엔진에서는 연료 그레인에 다수의 연소포트를 만들어 표면적을 증가시켰으나 이는 비 활용 공간의 증가와 추진제의 질량 및 체적분율의 상당한 감소를 초래한다. 지난 수십년간에 걸쳐 하이브리드 엔진에서 연료의 regression 특성 및 엔진 성능 향상을 위한 연구가 계속되어 왔으며 최근에 엔진의 체적 규제를 경감시키고 연료의 regression율을 향상시키기 위하여 선회유동을 이용하는 하이브리드 로켓 엔진들이 제안되고 있다. 이러한 선회유동을 가지는 하이브리드 로켓은 고체연료 그레인에 대하여 평행하게 유입되는 기존의 하이브리드 로켓에 비하여 고체연료 벽면에서의 대류열전달이 현저하게 증가하게 되어 아주 높은 고체연료의 regression율을 얻을 수 있는 이점이 있다. 선회유동 하이브리드 로켓의 연소과정은 고체 연료의 열분해과정, 대류 열전달, 난류 혼합, 난류와 화학반응의 상호작용, soot의 생성 및 산화과정, soot 입자 및 연소가스에 의한 복사 열전달, 연소장과 음향장의 상호작용 등의 복잡한 물리적 과정을 포함하고 있다. 이러한 물리적 과정 중 난류연소, 고체연료 벽면 근방에서의 대류 열전달 및 연소과정에서 생성되는 soot 입자로부터의 복사 열전달, 그리고 고체연료 열 분해시 표면반응들은 고체연료의 regression율에 큰 영향을 미친다. 특히 고체연료의 난류화염면의 위치와 폭, 그리고 비 예혼합 난류화염장에서 생성되는 soot의 체적분율의 예측은 난류연소모델, 열전달 모델, 그리고 regression율 모델에 의해 크게 영향을 받기 때문에 수치모델의 예측 능력 향상시키기 위하여 이러한 물리적 과정을 정확히 모델링해야 할 필요가 있다. 특히 vortex hybrid rocket내의 난류연소과정은 아래와 같은 Laminar Flamelet Model에 의해 모델링 하였다. 상세 화학반응 과정을 고려한 혼합분율 공간에서의 화염편의 화학종 및 에너지 보존 방정식은 다음과 같다. 화염편 방정식과 혼합분률과 scalar dissipation rate의 관계식을 이용하여 혼합분률과 scalar dissipation rate에 따른 모든 reactive scalar들을 구하게 된다. 이러한 화염편 방정식들을 mixture fraction space에서 이산화시켜서 얻은 비선형 대수방정식은 TWOPNT(Grcar, 1992)로 계산돼 flamelet Library에 저장되게 된다. 저장된 laminar flamelet library를 이용하여 난류화염장의 열역학 상태량 평균치는 presumed PDF approach에 의해 구해진다. 본 연구에서는 강한 선회유동을 가지는 Hybrid Rocket 연소장내의 난류와 화학반응의 상호작용을 분석하기 위하여 Laminar Flamelet Model, 화학평형모델, 그리고 Eddy Dissipation Model을 이용한 수치해석결과를 체계적으로 비교하였다. 또한 Laminar Flamelet Model과 state-of-art 물리모델들을 이용하여 선회 유동을 갖는 하이브리드 로켓 엔진의 연소 및 Soot 생성 및 산화과정을 살펴보았으며 복사 열전달이 고체 연료 표면의 regression율에 미치는 영향도 살펴보았다. 특히 swirl강도, 산화제의 유입위치 그리고 선회유동의 형성방식이 하이브리드 로켓의 연소특성 및 regression rate에 미치는 영향을 상세히 해석하였다.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2007.04a
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• pp.229-232
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• 2007

하이브리드 로켓의 연소율을 높이기 위해 유동 특성을 바꾸면서 실험을 수행하였고 연소된 연료 내부 표면이 고르지 못한 것을 볼 수 있었다. 그 원인을 밝히기 위해 연료 표면을 관찰하고 유동가시화 실험을 한 결과 거친 연료 표면의 원인이 검댕 때문이고 이것은 국부적인 산화제 부족현상 때문에 발생하게 되었다는 것을 알 수 있었다. 또 연소 시 연료 전체에 발생하는 검댕의 특성은 이 현상이 하이브리드 로켓만의 독특한 특징인 분출효과 때문이라고 예측할 수 있게 해주었다.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2002.04a
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• pp.72-72
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• 2002

건국대학교 연소추진 실험실에서 수행할 하이브리드 로켓 모터 연소특성 연구를 위한 실험장치를 설계하고 구성하였다. 실험장치를 제작하기 전에 기본적인 설계요구사항을 바탕으로 모터의 제작을 위한 수치코드를 작성하였다. 연소실 압력과 그레인의 형상, 산화제와 고체연료의 종류를 바탕으로 작성한 수치코드를 사용하여 로켓 모터를 설계하였다. 모터 설계코드를 통하여 세부적인 로켓모터와 노즐의 크기, 특성속도. 연소시간과 공급산화제의 유량 등을 계산하였고, 설계 전에 문헌연구와 이론을 바탕으로 일반적으로 실험실에서 사용되는 하이브리드 로켓 모터에 근접하게 설계를 진행하여 시행착오를 최소화하였다.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2012.05a
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• pp.86-90
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• 2012

In this paper, the combustion instabilities which may occur in the hybrid rocket were studied. The rocket combustor where the vortexes can be generated was designed, and the experiments were performed. The investigations about characteristics on the presence of the diaphragm, the length of the fuel, the diameter of the fuel port, the diameter of the diaphragm, the diameter of the nozzle throat, and the variation of the Ox massflow rate were conducted. The main resonant frequency of the combustion pressure is regarded by the Vortex shedding mode, and it is considered that the other resonant frequency of the pressure fluctuation is hybrid low frequency, or helmholtz mode.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2006.11a
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• pp.415-418
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• 2006

하이브리드 추진제는 연소 중 연료의 후퇴율 및 연소 면적의 변화로 인해 O/F비가 변화하므로 이로 인해 설계 및 해석에 어려움을 가지게 된다. 본 연구에서는 요구임무를 만족하는 하이브리드 로켓모터에 대한 설계를 수행하였다. 하이브리드 모터의 기초 설계를 실시하고 그 결과를 이용하여, 일정한 산화제 유량이 공급된다는 가정 하에, 연소 시 연소면적변화에 따른 O/F비 변화를 고려한 하이브리드 모터의 내탄도 해석을 실시하였으며, 그 결과를 이용하여 로켓의 외탄도 해석을 실시하였다.

• Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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• v.44 no.7
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• pp.576-584
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• 2016

In this study, AP added propellant has been proposed as a method of enhancing the low specific impulse performance found for staged hybrid rocket engine. Experimental tests were carried out to analyze and evaluate the effect of AP added propellant on specific impulse performance as well as fuel-rich combustion characteristics in a staged hybrid rocket engine. Upper limit of AP content in propellant was set to be 15 wt% to maintain the hybrid rocket engine advantages. As a result, 15 wt% AP added propellant showed 3% higher specific impulse performance compared to 0 wt% AP added propellant. Moreover, AP addition proved to offer less injected oxidizer mass flow, less O/F variation, and less combustion pressure while producing fuel-rich gas of the same combustion temperature. Future studies will carry out more combustion tests with metal additives to further enhance specific impulse.

• Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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• 2012.05a
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• pp.244-248
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• 2012

A series of hybrid rocket combustion experiments were carried out with PMMA/GOx changing diameter and length of the disk installed at pre-chamber. The disk can generate vortex shedding flow and change flow conditions prior to entering the fuel grain which could also alter the combustion characteristics and pressure oscillations. The interaction of vortex shedding in the pre-chamber and small-scale vortices adjacent to burning surfaces by using combustion test.

• Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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• v.6 no.1
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• pp.21-29
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• 2002

Hybrid propulsion systems provide many advantages in terms of stable operation and safety. However, classical hybrid rocket motors have lower fuel regression rate and combustion efficiency compared to solid propellant rocket motor. The recent research efforts are focused on the improvement of volume limitation and regression rate in the hybrid rocket engine. The present study has numerically investigated the combustion processes in the hybrid rocket engine. The turbulent combustion is represented by the eddy breakup model and Hiroyasu and Nagle and Strickland-Constable model are used for soot formation and soot oxidation. Radiative heat transfer is modeled by finite volume method. To reduce the uncertainties for convective heat transfer near solid fuel surface having strong blowing effect, the Low Reynolds number $\kappa-\varepsilon$ turbulent model is employed. Based on numerical results, the detailed discussion has been made for the turbulent combustion processes in the vortex hybrid rocket engine.

• 한국항공운항학회:학술대회논문집
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• 2016.05a
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• pp.14-18
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• 2016

본 연구에서는 하이브리드로켓 모터와 고체로켓 모터를 이용하여 목표 고도 1km인 2단 로켓 설계를 수행하였다. 비행 시나리오는 총 비행시간 51.59초, 1단부 로켓 연소시간은 3초이며 연소 종료 후 3초 뒤 단 분리를 수행하여 2단부 로켓 점화가 이루어져 총 3초간 연소가 진행된다. 1단부 모터는 하이브리드로켓으로써 5port의 HDPE를 연료 그레인으로 사용하였고 $LN_2O$를 산화제로 사용하였다. 2단부 모터는 고체로켓으로 KNSB(Sorbitol/$KNO_3$)추진제를 사용하였다. 단 분리는 영전자석을 이용하여 분리하며 2단부 모터의 점화는 광학 센서와 니크롬선 점화방식을 이용하여 점화하도록 설계하였다. 비행하는 동안 AVR를 이용해 압력, 가속도, GPS 등의 자료를 수집할 수 있도록 설계하였다.

• Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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• v.42 no.1
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• pp.29-36
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• 2014

Hybrid rocket displays many different low frequency pressure oscillations during combustion. Thermal lag between solid and gas phase is the primary mechanism to trigger low frequency pressure oscillations of around 10Hz, and Helmholtz or $L^*$ mode also produces other types of low frequency oscillations above 10 Hz which is associated with the change in combustion volume. Since the flow characteristics in hybrid rocket is very similar to those in solid rocket combustion, it is not surprising to observe similar pressure oscillation behaviors. Experimental test shows that combustion pressure suddenly turns into to a big amplitude oscillation around 10Hz then followed by returning to an original pressure level after a short period combustion. Further investigations show that this instability is independent of the change in O/F ratio at all. One of the possible candidates is the vortex shedding dynamics over the backward step in the post combustion chamber. It is required to investigate the low frequency oscillation mechanism in the future study.