Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.45
no.4
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pp.300-309
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2017
A spacecraft obtains a reaction momentum required for an orbit correction and an attitude control by exhausting a combustion gas through a small thruster in space. If the exhaust plume collides with spacecraft surfaces, it is very important to predict the exhaust plume behavior of the thruster when designing a satellite, because a generated disturbance force/torque, a heat load and a surface contamination can yield a life shortening and a reduction of the spacecraft function. The purpose of the present study is to ensure the core technology required for the spacecraft design by analyzing numerically the exhaust gas behavior of the 10 N class bipropellant thruster for an attitude control of the spacecraft. To do this, calculation results of chemical equilibrium reaction between a MMH for fuel and a NTO for oxidizer, and continuum region of the nozzle inside are implemented as inlet conditions of the DSMC method for the exhaust plume analysis. From these results, it is possible to predict a nonequilibrium expansion such as a species separation and a backflow in the vicinity of the bipropellant thruster nozzle.
Kim, Jung-Hoon;Lee, Jae-Won;Jeon, Young-Jin;Chae, Byoung-Chan;Jeon, Jun-Su;Kim, Yoo;Kim, Sun-Jin
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2009.05a
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pp.41-45
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2009
The small-sized bi-propellant thruster using a high concentrated hydrogen peroxide and kerosene as the oxidizer and fuel was designed and fabricated in this study. The water cold-flow test was performed to verify the performance characteristics of the injector. The mixing head assembly used in this model thruster was designed as a structure to combine igniter, injectors and film cooling, which are capable of regulating each mass flowrate. This maximize the experimental verification and efficiency of the design optimization. Finally, the mass flowrate and spray pattern of injector were evaluated by the hydraulic test. Therefore, the design validity of the mixing head was verified.
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers
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v.16
no.2
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pp.1-9
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2012
Applicability of regenerative cooling in 2,500 N-class bipropellant thruster using hydrogen peroxide and kerosene was considered for improvement of performance and application in various missions. Calculation was performed by one dimensional approach using hydrogen peroxide as a coolant. The heat flux of thruster at nozzle throat was estimated at 18 - 20 MW/$m^2$. Designed cooling channel width and height were 2.5 mm and 0.5 mm, respectively. Based on designed cooling channel configuration, flat plate model was manufactured and tested for estimation of pressure drop in cooling channel, and CFD analysis was compared with the test result. The maximum error between CFD analysis and experimental result was approximately 13% and average error was approximately 5%.
In this paper, the atomization characteristics of bi-swirl coaxial injectors for a 420 N-class bipropellant thruster were investigated. Three types of injectors, namely closed-type, open-type, and screw-type, were manufactured and designed to have the same spray angle and injection pressure drop. Water was used as a simulant, and cold-flow tests were conducted under ambient temperature and pressure conditions. Since the inner and outer injectors were designed to be the same type, only the inner fuel injectors that were easy to measure were used. Using a phase doppler particle analyzer, the velocity and diameter of atomized droplets were measured. Closed-type swirl injector exhibited droplet distributions with relatively high velocities and small SMD compared to the other two injectors. Open-type swirl injector formed droplets with reverse velocities in the center region and had a large recirculation zone. Screw-type swirl injector showed a sharp decrease in droplet velocity and size with radial distance from the liquid film breakup point. For the same design requirements, the closed-type swirl injector has superior atomization performance.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2011.11a
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pp.163-170
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2011
Applicability of regenerative cooling in 2,500 N-class bipropellant thruster using hydrogen peroxide and kerosene was considered for improvement performance and application in various missions. Calculation was performed by one dimensional approach using hydrogen peroxide as a coolant. In designed regenerative cooling thruster, heat flux at nozzle throat was estimated at 18 ~ 20 $MW/m^2$. Designed cooling channel width and height were 2.5 mm and 0.5 mm, respectively. Based on designed cooling channel configuration, flat plate model was manufactured and tested for estimation of pressure drop in cooling channel, and CFD analysis was compared with the test result. The maximum error between CFD analysis and experimental result was approximately 13% and average error was approximately 5%.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.03a
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pp.407-412
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2008
"KAGUYA"(SELENE) is a Japanese Lunar Explorer launched by H-IIA rocket from Tanegashima Space Center on 14 September 2007. The dual-mode bipropellant propulsion subsystem of KAGUYA includes two fuel tanks, an oxidizer tank, propellant and pressurant control components, twelve monopropellant 20N thrusters, eight monopropellant 1N thrusters, and a bipropellant 500N Orbit Maneuver Engine(OME). Once the KAGUYA separated from the rocket, it circled the Earth twice and traveled to the Moon, where it entered lunar orbit. All maneuvers were performed through multiple 500N OME/20N thruster firings. This paper describes the in-space performance of KAGUYA Lunar Explorer bipropellant propulsion subsystem.
Hong, Joon Yeol;Bae, Seong Hun;Bae, Dae Seok;Kim, Jeong Soo
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2017.05a
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pp.787-790
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2017
This study is a preliminary research on characterization of methane - oxygen combustion used in bipropellant thruster. The limit of combustion stability and flame shape of methane - oxygen non-premixed flame injected by shear coaxial injector in the model combustion chamber Experimental studies have been carried out. A direct image of the flame was photographed using a DSLR camera, and combustion characteristics and flame length were quantified through image post-processing. As a result, it was confirmed that the stabilized flame was generated at the stoichiometric ratio as the oxidizer Reynolds number ($Re_o$) was increased, and the length of the turbulent flame was increased under the same injector diameter condition.
Micro catalytic reactors are alternative propulsion device that can be used on a nano satellite. When used with a monopropellant, $H_2O_2$, a micro catalytic reactor needs only one supply system as the monopropellant reacts spontaneously on contact with catalyst and releases heat without external ignition, while separate supply lines for fuel and oxidizer are needed for a bipropellant rocket engine. Additionally, $H_2O_2$ is in liquid phase at room temperature, eliminating the burden of storage for gaseous fuel and carburetion of liquid fuel. In order to design a micro catalytic reactor, an appropriate catalyst material must be selected. Considering the safety concern in handling the monopropellants and reaction performance of catalyst, we selected hydrogen peroxide at volume concentration of 70% and perovskite redox catalyst of lantanium cobaltate doped with strondium. Perovskite catalysts are known to have superior reactivity in reduction-oxidation chemical processes. In particular, lantanium cobaltate has better performance in chemical reactions involving oxygen atom exchange than other perovskite materials. In the present study, a process to prepare perovskite type catalyst, $La_{0.8}Sr_{0.2}CoO_3$, and measurement of its propellant decomposition performance in a test reactor are described.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.43
no.1
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pp.62-71
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2015
Geostationary satellites use the thruster in order to control the location change and mount the suitable amount of liquid propellant depending on the operating lifetime. Therefore the lifetime of the geostationary satellite depends on the residual propellant amount and the precise residual propellant gauging is very important for the mitigation of economic losses arised from premature removal of satellite from its orbit, satellites replacement planning, slot management and so on. The propellant gauging methods of geostationary satellite are mostly used PVT method, thermal mass method and bookkeeping method. In this paper, we analysis the modeling of COMS(Communication, Ocean & Meteorological Satellite) bipropellant system for bookkeeping method and COMS GTO(Geostationary Transfer Orbit) injection propellant estimation using Monte-Carlo method.
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