로켓엔진에서 노즐은 추력을 발생하고, 단위 면적당 열 전달이 최대가 되는 곳으로 구조적으로 가장 취약한 부분이다. 이런 가혹한 조건에서 사용되어질 수 있는 4D 탄소/탄소 복합재를 제조하였으며. 초밀도화시, 탄화압력은 100bar 와 900bar 에서 각각 시행되었다. 만들어진 시편의 밀도는 1.5~l.9g/$cm^3$ 이었다. 실제 로켓을 모사할 수 있는 지상연소시험을 통해 밀도에 따른 삭마율을 계산한 결과, 밀도가 높을수록 삭마율은 감소하였다. 또한 3-point bending test를 통해 굽힘강도(flexural strength)를 측정하였으며, 굽힘강도를 개선시켜주었다.
고체 로켓 추진기관의 노즐을 개발하기 위해서는 주어진 체계 제한 조건내에서 기본적인 가스의 동력학, 내탄도에 의한 형상 설계, 재료 개발 및 적용 기술, 열전달 계산에 의한 열설계 및 해석 등이 종합적으로 적용되며 수많은 반복과정을 거쳐야 한다. 특히 최근에는 알루미늄 함유량을 증가시켜 연소가스의 온도가 300$0^{\circ}C$ 이상이 되는 고성능 추진제가 일반적으로 적용되고 있으므로 고온에 의한 열적문제가 심각하게 대두되고 있으며 이에 견디는 신뢰도가 높은 노즐 설계개발이 요구되고 있다. 노즐목을 노즐내에서 열부하가 가장 심한 곳으로 노즐목 확대에 의한 추력 손실을 최소화하기 위해 내삭마성이 강한 재료를 선정하여야 하며, 그래파이트는 이러한 조건을 만족시키는 소재의 하나로 많이 적용되고 있다.
열팽창 방식의 가스차단기는 아크 에너지 자체를 이용하여 압력상승을 얻고, 상승된 압력을 이용하여 전류 영점 부근에서 아크 방향으로의 유동을 형성하여 아크를 소호한다. 대전류 구간에서 노즐 폐색현상이 일어나면 노즐 용삭이 크게 일어나며 용삭된 노즐 물질은 팽창실의 압력과 온도를 상승시키게 된다. 따라서 차단 특성해석을 위해서는 노즐 용삭에 의한 압력 상승해석이 필요하다. 본 논문에서는 아크에너지에 따른 노즐 용삭비를 이용하여 용삭되는 노즐량을 계산하고, 이로 인한 back flow현상을 고려한 해석 방법을 제안한다. 개발된 프로그램을 제작한 차단부 모델에 적용한 결과, 열팽창실의 압력상승치는 시험결과와 잘 일치함을 확인하였다.
본 논문에서는 계통에서 사고에 의해 발생한 고장전류를 차단할 때, 가스차단부에서 발생하는 고온 고압의 아크플라즈마 하에서 노즐용삭에 의해 PTFE와 같은 노즐 물질이 $SF_6$가스에 혼입하는 경우에 노즐 재질이 아크플라즈마의 차단특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 요구되는 과도상태 노즐용삭 해석기술에 대하여 정리한다. 그리고 노즐용삭 해석기술을 계통에서 고장이 발생한 경우에 흐르는 고장전류를 차단하는 과정에서 발생하는 아크플라즈마에 적용하여 용삭된 PTFE의 농도를 계산하고 그 결과를 제시한다.
고온, 고압의 연소가스에 의해 유입되는 많은 열을 효과적으로 차단하여 고체 로켓 노즐의 공력형상을 최대한 유지하면서 구조물의 온도 상승을 일정수준 이하로 제한하기 위해 연소가스와 접하는 위치에 내삭마성이 우수한 C/C 복합재 등의 내열재를, 그 배면에는 열확산계수가 낮은 단열재를 적용한다. 내산화성이 우수한 SiC/SiC 복합재는 가스터빈 엔진에 적용되고 있으며, 경량화와 내열성 향상으로 인해 엔진 성능 증가에 기여하고 있다. 극초음속으로 비행하는 스크램제트는 흡입 공기 온도가 매우 높아서 흡열 연료를 냉각제로 사용하는 C/SiC 구조물 개발 연구가 수행되고 있다. 본 논문에서는 고체 로켓 노즐, 가스터빈 엔진 및 램제트/스크램제트 추진기관에 사용되는 다양한 내열 복합재의 특성, 적용사례 및 개발 동향을 고찰하였다.
The restrictor, which is a fluid channel from a reservoir to a chamber inside a thermal micro actuator, has been fabricated using ArF and KrF excimer lasers, Diode-Pumped Solid State Lasers (DPSSL) and femtosecond lasers for a feasibility study. A numerical model of fluid dynamics for the actuator chamber and restrictor is presented. The model includes bubble formation and growth, droplet ejection through nozzle, and dynamics of fluid refill through the restrictor from a reservoir. Since an optimized and well-fabricated restrictor is important for a high frequency actuator, some special beam delivery setups and post processing techniques have been researched and developed. The effects of variations of the restrictor length, diameter, and tapered shapes are simulated and the results are analyzed to determine the optimal design. The numerical results of droplet velocity and volume are compared with the experimental results of a cylindrical-shaped actuator. It is found that the micro actuators having tapered restrictors show better high frequency characteristics than those having a cylindrical shape without any notable decrease of droplet volume. The laser-fabricated restrictors demonstrate initial feasibility for the laser direct ablation technique although more development is required.
The carbon fiber reinforced carbon composite (CFRC) materials are necessary for the advanced industries that require the thermal resistance. And the development and research for CFRC has been in progress in the field of aerospace and defense industry. CFRC have several advantages and special properties such as excellent anti ablation, outstanding strength retention at very high temperature, high heat capacity and thermal transport, high specific stiffness and strength, and high thermal shock resistance. They have been used as aircraft brake, rocket nozzle, nose cones, jet engine turbine wheels, and high speed craft. Since the technology related to CFRC was prohibited from importing and exporting, we developed our own technology to produce F-16 B32 brake disk made out of CFRC, and then we performed various tests to observe the characteristics of CFRC-based brake disk developed in this study in view of density, strength, friction, specific heat, and heat conductivity.
본 연구에서는 제트 베인의 선단부 형상과 종횡비에 따라 다르게 나타나는 공기 역학적 특성을 분석하였으며, 고속 고온의 가스에 의해 발생하는 제트 베인의 삭마형태에 따른 공기역학적 성능 감소를 분석하였다. 이 연구를 위해 압축 공기를 이용한 초음속 유동 시험 장치를 제작하여 마하수 2.88, 과소 팽창비 2인 유동을 모사하고, 제트 베인의 선단부 형상과 종횡비에 따른 공기역학적 특성 분석을 위해 형상이 다른 18종의 제트 베인을 제작하였으며, 또한 삭마율에 따른 공기 역학적 성능 감소를 분석하기 위해 원형과 원형 제트 베인의 10%, 20% 삭마된 베인을 제작하여, 제트 베인의 편향각을 0도에서 25도까지 5도 간격으로 변화시켜가며 양력과 항력을 측정하여 삭마와 관련한 공기역학적 성능을 분석하였다.
The geometry and dimensions of an expansion chamber are decisive factors in thermal puffer plasma chamber designs. Because they together dominate the temperature and speed at which the cooling gas from the chamber flows back through a flow channel to the arcing zone for the successful interruption of fault currents. In this study, we calculated the flow and mass transfer driven by arc plasma, and investigated the effects of a flow guide installed inside a thermal puffer plasma chamber. It is found that the existing cold gas of the chamber mixes with hot gases entrained from the arcing zone and is subjected to compression due to pressure build-up in the chamber. The pressure build-up with the flow guide is larger than that without due to a vortex which rotates clockwise around the chamber center. By the reverse pressure gradient, the mixing gas of the chamber flows back out for cooling down the residual plasma near current zero. In the case with the flow guide, the temperature just before current zero is lower than that without, and the Cu concentration with high electrical conductivity is also less than that without the flow guide.
With the increasing reliability of analysis schemes and the dramatically increased calculating speed, the computer simulation has become and indispensable process to predict the interruption capacity of circuit breakers. Generally, circuit breakers have to possess both the small current and large current interruption abilities and the circuit breaker designers need to evaluate its capacities to save the time and the expense. The analysis of small current and the large current interruption performances have been considered separately because the phenomena occurring in a interrupter are quite different. To analyze the dielectric recovery after large current interruption many physical phenomena such as heat transfer, convection and arc radiation, the nozzle ablation, the ionization of high temperature SF(sub)6 gas, the electric and themagnetic forces and so forth mush be considered. However, in the analysis of small current interruption performance only the cold gas flow analysis needs to be carried out because the capacitive current is to small that the influence from the current can be neglected. In this paper, an empirical equation which is obtained from a series of tests to estimate the dielectric recovery strength has been applied to a real circuit breaker. The results of analysis have been compared with the test results and the reliability has been investigated.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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