• 한국추진공학회지
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• 제23권5호
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• pp.19-26
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• 2019

파라핀 연료는 일반적으로 상당량의 미연 액적들이 노즐로 배출되는 관계로 연소효율을 낮아 연소효율과 직결된 후연소실의 최적화는 중요한 성능인자로 대두되고 있다. 따라서 본 연구에서는 하이브리드 로켓용 후연소실 길이 및 직경 변화에 따른 연소 특성을 파악하기 위한 연소 시험을 수행하였다. 연소 시험 결과, 후연소실 길이가 증가할수록 특성속도효율이 상승함을 확인하였으며 이는 후연소실 길이가 증가할수록 연소가스의 잔류시간 증가와 연소실 압력에 기인되는 것으로 판단되었다. 반면, 후연소실 직경 변화에 따른 특성속도효율 및 압력의 차이는 길이 변화 대비 크지 않음을 확인하였다. 따라서 하이브리드 로켓 시스템의 연소효율에 영향을 미치는 후연소실의 기하학적 요인은 직경보다는 길이의 영향에 크게 지배되는 것으로 사료된다.

• 한국항공우주학회지
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• 제50권5호
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• pp.339-347
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• 2022

하이브리드 로켓의 후연소실(post chamber)은 액화된 연료의 추가적 연소를 유도하여 엔탈피 상승으로 이어지도록 한다. 후연소실이 있는 하이브리드 로켓에 파라핀 왁스를 연료로 사용하는 경우, 연소초기에만 비정상 연소 압력진동이 관찰된다. 본 연구는 비정상 연소 압력진동의 발생과 액적의 추가적 연소 사이의 상관관계를 확인하는 것을 목적으로 하고 있다. 이를 위해 후연소실 연소를 가시화하고 POD 기법을 활용한 이미지 분석을 수행하였다. 또한 모드 재구성을 통해 액적의 거동을 포함하고 있는 모드를 분리하여 비정상적인 연소압력의 진동과 액적의 연소 사이의 상관관계를 조사하였다. 일련의 실험에서는 후연소실로 유입되는 액화 연료량과 액적발생을 조절하여 비정상 연소압력 진동의 변화를 유도하였다. 실험결과에 의하면 파라핀 왁스의 연소 초기에만 관찰되는 비정상 연소압력 진동은 후연소실에서 발생하는 액적의 추가적인 연소가 그 발생원인임을 알 수 있다.

• 한국항공우주학회지
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• 제43권8호
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• pp.677-683
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• 2015

하이브리드 로켓은 특정한 연소조건에서 10~30Hz 저주파수 연소불안정이 나타난다. 후연소실의 와류 흘림 현상이 저주파수 불안정 발생과 직접적인 관련이 있는 것으로 판단되며, 이를 확인하기 위하여 발광하는 연소가스의 후연소실 내부유동을 직접 촬영하여 광도 분석과 유동 가시화를 시도하였다. 저주파수 연소불안정이 발생하면 일정한 주기(~18Hz)를 갖는 광도 변화가 나타났으며, 압력교란(p')의 위상(phase)이 거의 일치하고 있어 비-음향 불안정임에도 불구하고 압력과 연소교란이 상호 간섭하고 있음을 확인하였다. POD에 의한 유동 모드 분석결과 안정한 연소가 발생하면 후연소실 유동은 공간적으로 상하 대칭 모드 형태를 이루지만 불안정 연소에서는 수직방향 경사각을 이루는 대칭축을 중심으로 변화하는 유동모드가 나타난다. 특히 3번 모드는 불안정 연소가 발생하는 경우에만 나타나는 유동 모드이다. 불안정 연소가 발생하는 경우에 수직선을 대칭으로 변하는 모드가 나타나는 것은 저주파수 연소불안정이 발생할 때 와류 흘림인 것으로 판단할 수 있다.

• 한국항공우주학회지
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• 제46권7호
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• pp.567-574
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• 2018

스월은 연료의 후퇴율 증가뿐 아니라 연소 압력의 진동을 감소시키며, 하이브리드 로켓의 연소안정화에 기여하는 것으로 알려져 있다. 따라서 스월 산화제 분사에 의한 주연소실 내부의 유동 구조의 변화를 이해하고 연소안정화의 물리적 과정을 실험적으로 연구하였다. 결과에 의하면, 스월은 주연소실의 유동 구조를 변화시켜 후연소실의 500Hz 대역 p'과 q'의 발생을 억제할 뿐 아니라 두 진동의 위상차를 변화하여 상호결합(coupling)에 영향을 주고 있음을 확인했다. 또한 후연소실 화염 가시화를 통하여 스월에 의한 선회운동량의 증가로 와류발생과 흘림 등이 변화하여 연소안정화에 기여하는 것으로 분석됐다.

• 한국항공우주학회지
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• 제42권1호
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• pp.29-36
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• 2014

하이브리드 로켓 연소에서는 다양한 종류의 저주파수 연소 압력진동이 나타난다. 10Hz 대역의 저주파수 압력진동은 고체연료와 연소가스의 열 관성 차이 때문에 발생하지만 그외의 저주파수 진동은 고체로켓에서 관찰되는 헬름홀츠 및 $L^*$ 모드에 의해 발생하는 것으로 연소실 부피 변화와 밀접한 관련이 있다. 따라서 유동 특성이 고체로켓과 유사한 하이브리드 로켓 연소에서 연소실 부피 변화는 저주파수 특성에 영향을 미치는 중요한 인자이다. 본 연구에서는 연소실과 후연소실의 형상 변화에 따른 연소 압력의 저주파수 특성 변화를 관찰하였다. 특히 주 연소실과 후연소실의 부피 비가 특정한 값이 되면 연소 도중에 10~30Hz 연소 압력 진동의 진폭이 갑자기 증폭되는 연소불안정 현상이 나타났다. 산화제 유량 조절 및 연료 변경에 의한 O/F 비 변화는 연소 압력의 저주파수 증폭과 무관한 것으로 밝혀졌다. 후연소실로 연소가스가 팽창할 때 발생하는 와류 흘림 현상이 저주파수 불안정 현상과 직접적인 관련 있는 것으로 판단되며 이에 관한 연구가 더 필요하다.

• 한국항공우주학회지
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• 제50권11호
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• pp.783-789
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• 2022

최근 연구에 의하면 하이브리드 로켓의 후연소실로 유입되는 연소유동은 고주파수 와류흘림을 포함하고 있으며, 노즐 벽면과 충돌하여 대향류가 형성되며 점화지연을 동반한 추가적인 연소가 발생하는 것이 확인되었다. 본 연구는 대향류 발생에 의한 점화지연이 연소압력 맥놀이가 나타나는 원인임을 확인하려 한다. 이를 위하여 Culick이 제안한 기존의 열음향 불안정 발생에 대한 에너지 킥 모델에 점화지연 발생을 반영한 수정 모델을 제안하였고 수치계산을 통하여 점화지연의 크기 변화가 열음향 결합에 의한 연소압력 맥놀이 발생을 결정하는 중요한 인자임을 확인하였다. 또한 후연소실 길이가 증가함에 따라 실험에서 관찰된 점화지연 감소는 에너지 킥과 압력의 위상 차의 증가를 가져와 맥놀이현상인 주기적인 압력증폭이 전혀 나타나지 않는 것도 확인하였다.

• 한국항공우주학회지
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• 제46권12호
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• pp.1021-1027
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• 2018

하이브리드 로켓에서 고주파수 대역의 압력진동(p')과 열 방출 진동(q')이 양의 결합이 저주파수 연소불안정 발생에 필수조건임을 검증하기 위한 실험연구를 수행하였다. 후연소실 길이와 연소 당량비를 변수로 설정하여 p' 진폭과 p', q'의 위상차를 조절하였으며 저주파수 연소불안정의 억제 여부를 판단하였다. 실험 결과에 의하면, 후연소실 길이가 증가하여도 p', q'의 위상차는 ${\pi}/2$ 이하로 연소불안정 발생조건을 유지하지만 p', q'의 결합강도인 RI(Rayleigh index)의 주기적 증폭이 약화되면서 연소불안정이 억제됐다. 또한 특정한 당량비에서 연소불안정이 발생하므로 순간 당량비를 변화시켜 p', q'의 결합을 음의 결합으로 천이시켜 연소 안정화가 이루어짐을 확인하였다. 따라서 고주파수 p', q'이 양의 결합과 RI의 주기적인 증폭으로 연결될 때 저주파수 연소불안정이 나타나는 발생 메커니즘의 중간 경로도 확인하였다.

• 한국추진공학회지
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• 제23권2호
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• pp.60-67
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• 2019

하이브리드로켓의 저주파수 연소불안정(LFI) 특성을 이해하기 위해, 주연소실의 연소 당량비 변화가 500 Hz대역의 압력 및 열방출 진동의 위상변화에 미치는 영향에 대해 직접수치해석을 수행하였다. 주연소실의 당량비 변화는 후연소실로 유입되는 연소가스의 온도 및 조성 변화로 모사하였다. 수치해석 결과, 후향 계단 하류에 와류 생성과 함께 추가적인 연소가 나타나며, 와류가 이동함에 따라 연소 압력 및 반응률의 진동이 관찰되었다. 또한, 유입유동의 온도가 변화하면 압력파의 전파속도도 함께 변화하므로 압력 및 반응률 진동 사이의 위상차가 천이하게 됨을 확인하였다.

• 한국항공우주학회지
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• 제41권1호
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• pp.40-47
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• 2013

하이브리드 로켓은 고체로켓과 매우 흡사한 내부유동 특성을 가지고 있으므로 와류흘림(vortex shedding)은 하이브리드 로켓에서도 연소안정성에 영향을 미치는 중요한 인자로 판단된다. 본 연구에서는 예연소실에서 와류를 발생시켜 연료 표면와류와의 간섭과 연소특성 변화를 관찰하였다. 기본 형상과 디스크를 장착한 실험 결과, 5개의 주파수 특성이 관찰되었으며 이들은 각각 추진제의 열적지연에 의한 주파수, 디스크, 연료 단면, 후연소실 단면 변화에 의한 와류흘림과 관련된 주파수임을 확인하였다. 특히 디스크 1과 3의 결과를 비교해 보면 디스크 위치에 따라 변화하는 와류흘림이 연소실의 특정 주파수 특성과 상호 간섭하여 공진이 발생하기도 하지만, 또 다른 경우에는 어떠한 간섭도 일어나지 않는 것을 확인하였다. 이러한 선택적 공진현상은 하이브리드 로켓의 비선형 연소안정성 발생을 설명할 수 있는 중요한 메카니즘으로 판단된다.

• 한국항공우주학회지
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• 제44권7호
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• pp.585-592
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• 2016

하이브리드 로켓의 연소실험에서 관찰된 500 Hz 대역의 연소압력과 연소반응 변동이 안정한 연소에서 발생하는 원인과 LFI로 발전하는 과정을 분석하기 위하여 $CH^*$ 화학발광 이미지와 PMT(photomultiplier tube)에 의한 광자방출 측정으로 연소반응 변화를 가시화하였다. 안정한 연소에서는 500 Hz 대역의 연소압력과 연소반응 변동의 위상차이가 180 도 정도를 이루며 전단층 유동을 따라서 정상적인 연소가 발생하였다. 그러나 불안정 연소가 발생하면, 500 Hz 주파수의 두 변동의 위상차는 60~70 도로 양의 관계(positive coupling)를 이루며 상하 대칭의 와류 발생과 국부적 소염이 나타나는 주기적 변화를 반복한다. 또한 천이구간에서는 매우 불규칙적인 와류와 상하 대칭의 전단층 유동 형상이 번갈아 관찰되고 있다. 이것은 연소의 영향으로 와류가 발생하는 것으로 보염기 후류에서 발생한 BVK 유동불안정과 유사한 특성을 보여준다, 따라서 하이브리드 로켓 연소의 저주파수 연소불안정은 500 Hz 대역의 연소반응 변동에 의한 와류의 발생과 이로 인한 국부적인 소염이 점진적으로 발전하여 완전한 주기적 소염으로 이어졌고, 20 Hz의 연소불안정으로 발전하는 것으로 판단하였다.