다축 핀틀 노즐을 고려한 고체추진 로켓 모터의 음향 불안정 및 비음향 불안정 예측에 관한 연구 :A Study on the Prediction of Acoustic Instability and Nonacoustic Instability in a Solid-propellant Rocket Motor with the Multi-Axis Pintle Nozzle

이동희

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이동희 (한국항공대학교, 한국항공대학교 대학원)

지도교수: 문희장

발행연도: 2017

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2017

다축 핀틀 노즐을 고려한 고체추진 로켓 모터의 음향 불안정 및 비음향 불안정 예측에 관한 연구

이동희 항공우주및기계공학과 2017.01 학위논문

2015

고체추진 핀틀 추력기의 저주파 비음향 불안정 해석에 관한 연구

이동희 , 주성민 , 김준성 외 4명 한국추진공학회 학술대회논문집 2015.11 학술대회자료

연소실 및 추진제 변화에 따른 고체로켓 모터의 L<sup>*</sup> 불안정에 관한 연구

이동희 , 류승현 , 주성민 외 4명 한국항공운항학회지 2015.01 학술저널

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본 연구에서는 고체 로켓 추진기관에서 발생하는 연소 불안정을 임무 설계 단계에서 예측하기 위해 Culick의 고주파 음향 불안정 및 Sehgal과 Strand의 저주파 비음향 불안정을 바탕으로 로켓 시스템의 안정성을 판별하였다.
특히, 다축 핀틀 추진기관의 연소 불안정 예측을 중점으로 연구를 수행하였다. 먼저, 고체 로켓 추진기관의 음향 불안정 해석을 위해 상용 프로그램 COMSOL을 이용하여 음향장 해석(acoustic field analysis)을 진행하였으며, 도출된 음향 모드 형상 함수(acoustic mode shape function)를 통해 안정성 적분(stability integral), 선형 안정성 요소(linear stability integral)을 구하였으며, 나아가서 비선형 안정성 해석(nonlinear stability analysis)을 수행하였다. 축 방향(longitudinal) 음향 모드가 지배적으로 나타나는 고전적인 고체 로켓 모터(classical solid rocket motor)와 달리 접선 방향(tangential), 반경 방향(radial) 모드 등의 횡 방향(transverse) 모드가 발현하였다. 모드 형상은 주 연소실 안에서 주로 발현하였으며 다축 핀틀의 구동에 따른 음향 모드의 차이는 미미함이 확인되었다. 안정성 적분의 경우, 압력 결합 항에 비해 노즐 감쇠 항이 미미함을 확인되었다. 선형 안정성 요소 결과를 통해 각 모드 주파수 별 안정성을 판단하였으며 비선형 안정성 해석을 통해 섭동의 증폭을 야기하는 불안정 모드를 도출하였다.
다음으로, 고체 로켓 추진기관의 비음향 불안정 해석을 위해 로켓 시스템의 전달함수를 모델링하여 안정성을 판별하였다. 시스템의 전달함수를 통해 임계값을 도출하여 연소실 특성 길이와 연소실 압력의 관계식인 안정도 곡선을 통해 연소실의 불안정을 판별하였다. 또한 핀틀의 움직임에 따라 변하는 압력과 그때의 연소실 특성 길이를 나타내는 핀틀 구동 곡선을 제시하여 안정한 핀틀 구동 범위를 확인하였다.

In this study, stability of rocket system was determined based on Culick ''s high-frequency acoustic instability and Sehgal and Strand’s low-frequency nonacoustic instability to predict combustion instability in solid rocket motors at mission design stage.
This study focuses on the prediction of combustion instability in multi-axis pintle motor. First of all, acoustic field analysis was carried out using COMSOL for acoustic instability analysis of a solid rocket motor. The stability integral was obtained through the derived acoustic mode shape function. Linear stability integral, and nonlinear stability analysis were also performed. Unlike classical solid rocket motors, where longitudinal acoustic modes dominate, transverse modes such as tangential and radial modes have been developed. The mode shape was mainly expressed in the main combustion chamber, and the difference of the acoustic modes according to the thrust adjustment of the multi-axis pintle was confirmed to be neglectable. In the case of the stability integral, it was confirmed that the nozzle damping term was insignificant compared with the pressure coupling term. The stability of each mode frequency was determined through the linear stability alpha results, and the unstable mode causing the amplification of the perturbation was derived through the nonlinear stability analysis.
Next, the stability of the rocket system was modeled by modeling the transfer function for the analysis of nonacoustic instability. Through the transfer function of the system, the threshold was derived and the instability of the combustion chamber was determined through the stability curve, which is the relationship between the characteristic chamber length and the chamber pressure. The stable pintle driving range was confirmed by presenting the pintle position curve showing the pressure varying with the pintle motion and the characteristic length of the combustion chamber at that time

#연소 불안정 #음향 불안정 #비음향 불안정 #다축 핀틀 노즐

요약…………………………………………………………………ⅰ
목차…………………………………………………………………ⅲ
그림목록……………………………………………………………ⅴ
표목록………………………………………………………………ⅷ
기호목록……………………………………………………………ⅸ
제1장
서론(Introduction) ……………………………………………… 1
1.1
연구 배경(Background and Motivation) ……………………… 1
1.2
선행 연구 분석(Literature Review) ……………………………4
1.3
연구 목표(Outline of the Research) …………………………6
제2장
이론적 배경(Theoretical Background) …………………………7
2.1
Culick의 음향 불안정 해석 이론(Culick’s Acoustic Instability Analysis) ……………………………………………7
2.1.1
선형 안정성 이론(Linear Stability Analysis) ……………13
2.1.1.1
압력 결합(Pressure Coupling) …………………………………14
2.1.1.2
노즐 감쇠(Nozzle Damping) ……………………………………15
2.1.2
비선형 안정성 이론(Non-linear Stability Analysis) ……16
2.2
Sehgal과 Strand의 비음향 불안정 이론(Sehgal and Strand’s
Nonacoustic Instability Analysis) ………………………………
18
2.2.1
비음향 불안정 메커니즘(Nonacoustic Instability
Mechanism) ……………………………………….……………
18
2.2.2
불안정 예측 방법(Prediction Method of the
Instability)……………………………………….…………
19

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