KR20090044769A - 추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐거동 분석방법 - Google Patents

추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐거동 분석방법 Download PDF

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Abstract

개시된 추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐 거동 분석방법은, 수압설비; 지면에 고정안치되는 시험장치 프레임; 시험장치 프레임에 고정 거치되는 모사탱크, 모사탱크 하단부에 설치되어 수압설비의 물을 모사탱크 내부로 유입되게 하는 수압공급용 플랜지 및, 모사탱크 상단부에 설치되는 연결용 마개로 구성되는 유압연소관부; 모사탱크의 연결용 마개에 결합되는 모사노즐, 모사노즐을 모사탱크와 연결하는 플렉서블씰로 구성되는 노즐부; 일단부는 모사노즐에 결합되고, 타단부는 모사탱크에 결합되는 구동기 및 카운터 포텐셔미터로 구성되는 추력벡터제어부; 모사노즐에 설치되며, 모사노즐의 구동특성을 감지하는 센서부; 수압설비, 추력벡터제어부의 작동을 제어하는 작동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
추력벡터제어, 노즐, 시험, 분석

Description

추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐 거동 분석방법{TVC actuation tests and algorithm for flexible seal nozzle}
본 발명은 추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 분석 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 고체모터 연소특성 및 가동노즐의 비선형 운동특성과 연계된 구동장치 시스템의 기능 및 성능 특성을 용이하게 시험할 수 있고 평가할 수 있는 추력벡터 제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐 거동 분석방법에 관한 것이다.
일반적으로, 고체모터 추진기관의 추력벡터 제어는 고체모터 내부에서 연소된 추진 화염을 노즐의 중앙부로 분출시키며 화염의 방향을 바꾸어주는 노즐의 회전운동을 필요로 한다.
이는 동심을 갖는 다층의 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판 사이에 고무 탄성체 패드를 접합 및 적층시켜 고무의 전단운동이 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판의 동심에 대한 회전운동을 가능케 하는 플렉스실(Flexseal, 유연-밀봉형) 조인트 형상을 노즐의 선단부에 장착시킨 가동노즐에 의하여 이루어진다.
위성체를 요구하는 궤도에 투입시키기 위해서는 해당 고도까지 위성을 도달시키기 위한 추진기관과 정확한 요구궤도 투입에 소요되는 발사체의 자세 및 궤적제어를 위한 제어장치 등을 필요로 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 추진기관과 제어장치의 조합 방식 중에 고체모터 추진제의 연소에 의해 발생되는 화염의 분사 방향을 가동노즐(1)의 방향을 변경시켜서 추력의 방향을 직접 제어하는 고체모터 가동노즐(1) 추력벡터제어 구동장치시스템이 국내에서 개발되는 위성발사체의 위성탑재부용으로 선정되어 개발 중에 있다.
도 1 및 도 2를 참조하여 고체모터 가동노즐(1) 추력벡터제어용 구동장치시스템의 구조 및 작동원리를 설명하면 하기와 같다. 도 1 및 도 2에 나타낸 추진기관은 추력벡터제어를 위하여 고체모터에 플렉스실 조인트(2)를 회전운동체로 사용한 가동노즐(1)을 장착한 구조이다.
고체모터 케이스(3)에 대하여 상대운동을 하는 가동노즐(1)은 도 2와 같은 플렉스실 조인트(2)에 의하여 연결되어 있는 구조이고, 플렉스실 조인트(2)의 후방 연결링(5)은 고체모터 케이스(3)에 고정되어 있으며 전방 연결링(4)은 운동을 하는 가동노즐(1)에 연결되어 있는 구조이다(도 3 참조).
전방 연결링(4)과 후방 연결링(5) 사이에는 동심을 갖는 다층의 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)과 그 사이에는 전단운동에 의하여 플렉스실 조인트(2)의 회전운동을 가능케 하는 고무 탄성체 패드(7)가 구성되어 있다.
상기와 같이 동심을 갖는 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)과 고무 탄성체 패드(7)를 적층하여 제작된 플렉스실 조인트(2)는 구동장치 작동기의 직선운동이 노즐에 위치한 모멘트암 연결부에 전달되어 동심을 갖는 회전운동 안내용 구면형 구조 체 박판(6)의 회전중심에 대하여 회전운동을 하게 되며, 이와 같은 회전운동은 각 고무 탄성체 패드(7)의 전단변형에 의하여 발생되며 이는 전단응력을 발생시킨다.
플렉스실 조인트(2) 고무 탄성체 패드(7)에서 발생되는 전단응력을 모멘트암과 곱하여 적분하면 플렉스실 조인트(2)의 회전 저항 모멘트가 되며 이는 추력벡터제어를 수행하는 구동장치 피치 및 요축 서보작동기(8, 도 2 참조)에 대하여 운동부하로 작용된다.
구동장치 서보작동기 정격 작동력 요구조건 설계시 고려된 플렉스실 조인트(2)의 등가 회전강성에 의한 반력은 서보작동기(8) 정격력 대비 60% 이상의 수준으로 구동장치 성능 평가시 간과할 수 없는 부하로 작용하는 특성을 갖는다.
비행용 고체모터 가동노즐(1)에 장착되는 실물형 플렉스실 조인트(2)의 다층형 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)은 대부분 D6AC라는 구조용 냉간 강인강 박판을 동심을 갖는 구면형 패드 형상으로 프레스 성형하여 그 사이에 천연고무를 충진 및 적층하여 제작한다.
3차원 공간상에서 동심을 갖는 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)의 적층 수는 일반적으로 9층 이상으로 제작하기 때문에 각 구면형 구조체 박판(6)의 곡면 반경은 박판의 두께와 고무층의 두께에 따라 변동하게 되며 이를 위한 금형의 수가 증가함에 따라 개발비용이 상승하게 되는 단점이 있다.
뿐만 아니라, 다층의 회전운동 안내용 구면형 구조체 박판(6)과 고무층의 접합은 균열 또는 미접합된 상태 없이 균일하게 이루어져야 고온 고압의 연소가스의 누설을 방지할 수 있기 때문에 정밀공정이 필요하다.
고체모터의 연소특성은 점화초기 순간 최대 연소압력이 발생되어 이에 의한 점화충격력이 플렉스실 조인트(2)에 작용된다. 이는 고무 탄성체 패드(7) 층을 압축하여 가동노즐(1)을 기축방향으로 밀어내는 충격운동을 유발시키며 점화 이후에는 연소압은 안정화되어 정상적인 연소를 진행시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 가동노즐(1)의 회전에 의한 추력벡터제어를 위하여 가동노즐(1)에 직결되어 있는 구동장치 서보작동기(8)에 전달되는 점화충격력의 분력이 서보작동기(8)의 힘 작용선 상에 존재하는 기계 구조 부품들의 극한하중 보다 클 경우 파손을 초래하여 정상적인 추력벡터제어가 불가능해지기 때문에 서보작동기(8)의 힘작용선 상에는 점화충격 완충장치를 장착하는 것이 일반적이다.
고체모터 추진제의 연소압력 조건은 적용 사례에 따라 차이는 있으나 일반적으로 점화되는 순간 최대 800psi, 평균 연소압은 550psi 수준을 갖는다.
도 2에서는 가동노즐(1)이 기축방향으로 후퇴할 때 구동장치 서보작동기(8)가 초기 중립위치를 유지한다면 노즐의 후퇴운동은 서보작동기(8)의 길이 구속에 의하여 반시계 방향의 회전운동으로 전환되어 노즐의 초기 각이 0°에서 이탈하게 된다.
이와 같은 경우는, 불필요한 반경방향 추력을 발생시켜 발사체의 자세와 궤적을 이탈시키므로 이를 개선하기 위하여 피치 및 요축 서보작동기(8)의 180°이격 위치에 플렉스실 조인트(2)의 운동 특성을 보상시키기 위한 카운터 포텐시오미터(9)의 장착을 필요로 한다.
아울러 카운터포텐시오미터(9)는 고무 탄성체 패드(7)의 전단운동에 의하여 유발되는 플렉스실 조인트(2)의 회전운동이 고무 탄성체 패드(7)의 비선형 특성에 의하 여 교란되는 것을 보정하는 역할도 수행한다. 상기한 바와 같이, 고체모터 가동노즐(1) 추력벡터제어용 구동장치시스템의 기능 및 성능시험을 위해서는 구동장치 서보작동기(8)의 주된 부하로 작용하는 플렉스실 조인트(2)의 회전강성에 의한 부하와 고체모터 점화 및 연소압력에 의한 점화 충격력과 충격운동, 플렉스실 조인트(2)의 기축방향 후퇴운동 특성들이 반영되어야 한다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 발사체의 자세제어를 정확하게 수행하기 위해서 구동장치 서보작동기의 주된 부하로 작용하는 플렉스실 조인트의 회전강성에 의한 부하와 고체모터 점화 및 연소압력에 의한 점화충격력과 충격운동, 플렉스실 조인트의 기축방향 후퇴운동 특성들을 명확하게 파악할 수 있는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐 거동 분석방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 추력벡터제어용 구동특성 시험장치는, 수압설비와; 지면에 고정안치되는 시험장치 프레임과; 상기 시험장치 프레임에 고정 거치되는 모사탱크와, 상기 모사탱크 하단부에 설치되어 상기 수압설비의 물을 상기 모사탱크 내부로 유입되게 하는 수압공급용 플랜지 및, 상기 모사탱크 상단부에 설치되는 연결용 마개로 구성되는 수압연소관부와; 상기 모사탱크의 연결용 마개에 결합되는 모사노즐과, 상기 모사노즐을 상기 모사탱크와 연결하는 플렉서블씰로 구성되는 노즐부와; 일단부는 상기 모사노즐에 결합되고, 타단부는 상기 모사탱크에 결합되는 구동기 및 카운터 포텐셔미터로 구성되는 추력벡터제어부와; 상기 모사노즐에 설치되며, 상기 모사노즐의 구동특성을 감지하는 센서부; 및, 상기 수압설비, 상기 추력벡터제어부의 작동을 제어하는 작동제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 센서부는 상기 모사노즐의 회전각을 측정하는 경사도계와, 상기 모사노즐의 동특성을 측정하는 각속도계를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 센서부는 상기 모사노즐의 변형을 측정하는 변위계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
더불어, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 추력벡터제어 브라켓을 연결하는 선의 중심점 O로부터 노즐 회전중심 OR 의 위치가 (
Figure 112007078724122-PAT00001
,
Figure 112007078724122-PAT00002
) 떨어져 있고, 구동기 지지부 끝단의 축방향 위치와 카운터 포텐셔미터(CP)의 지지부 끝단의 축방향 위치 간에는
Figure 112007078724122-PAT00003
만큼 차이가 있으며, 노즐의 추력벡터제어 체결 브라켓 간의 거리는
Figure 112007078724122-PAT00004
일 경우, 노즐의 회전각과 추력벡터제어용 구동기 및 카운터 포텐셔미터(CP)의 스트로크 변위를 측정해서 노즐 및 회전중심의 위치를 분석하는 방법에 있어서, 노즐각이 0도 일때의 구동기 스트로크
Figure 112007078724122-PAT00005
및 CP 스트로크
Figure 112007078724122-PAT00006
와 각각의 회전반경
Figure 112007078724122-PAT00007
및
Figure 112007078724122-PAT00008
를 이용하여
Figure 112007078724122-PAT00009
및
Figure 112007078724122-PAT00010
로부터
Figure 112007078724122-PAT00011
및
Figure 112007078724122-PAT00012
를 구하고,
Figure 112007078724122-PAT00013
,
Figure 112007078724122-PAT00014
로부터
Figure 112007078724122-PAT00015
와
Figure 112007078724122-PAT00016
를 구하며, 회전중심 위치는
Figure 112007078724122-PAT00017
및
Figure 112007078724122-PAT00018
로부터 구하고, 노즐의 변위는
Figure 112007078724122-PAT00019
및
Figure 112007078724122-PAT00020
로부터 구하는 것을 특징으로 한다.
(여기서,
Figure 112007078724122-PAT00021
및
Figure 112007078724122-PAT00022
는 회전반경에 수직한 스트로크 성분,
Figure 112007078724122-PAT00023
및
Figure 112007078724122-PAT00024
는 구동기 및 카운터 포텐셔미터가 X-축과 이루는 체결각,
Figure 112007078724122-PAT00025
과
Figure 112007078724122-PAT00026
는 회전중심에서 노즐 브라켓까지의 거리 ,
Figure 112007078724122-PAT00027
와
Figure 112007078724122-PAT00028
는 추력벡터제어 작용점에서의 체결각,
Figure 112007078724122-PAT00029
와
Figure 112007078724122-PAT00030
는 노즐 중심선 기준
Figure 112007078724122-PAT00031
과
Figure 112007078724122-PAT00032
의 각도 ,
Figure 112007078724122-PAT00033
은 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 회전반경을 각각 나타낸다.)
그리고,
Figure 112007078724122-PAT00034
,
Figure 112007078724122-PAT00035
,
Figure 112007078724122-PAT00036
,
Figure 112007078724122-PAT00037
인 것이 바람직하다.
또한,
Figure 112007078724122-PAT00038
,
Figure 112007078724122-PAT00039
,
Figure 112007078724122-PAT00040
인 것이 바람직하다.
또한,
Figure 112007078724122-PAT00041
,
Figure 112007078724122-PAT00042
,
Figure 112007078724122-PAT00043
,
Figure 112007078724122-PAT00044
,
Figure 112007078724122-PAT00045
,
Figure 112007078724122-PAT00046
,
Figure 112007078724122-PAT00047
,
Figure 112007078724122-PAT00048
,
Figure 112007078724122-PAT00049
인 것이 바람직하다.
또한, 노즐각을 변화시키면서 노즐각과 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 스트로크를 측정한 후 최소자승법 등을 적용하여 회전반경
Figure 112007078724122-PAT00050
,
Figure 112007078724122-PAT00051
와 함께 노즐각이 0도일 때의 중립길이
Figure 112007078724122-PAT00052
,
Figure 112007078724122-PAT00053
로부터
Figure 112007078724122-PAT00054
,
Figure 112007078724122-PAT00055
을 구하는 것이 바람직하다.
(여기서,
Figure 112007078724122-PAT00056
는 노즐의 회전각이고,
Figure 112007078724122-PAT00057
은 구동기 피스톤의 스트로크,
Figure 112007078724122-PAT00058
는 카 운터 포텐셔미터의 스트로크를 나타낸다.)
본 발명의 추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐 거동 분석방법은, 노즐각이 증가함에 따라 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 스트로크가 선형적으로 증가 또는 감소하는 현상을 확인할 수가 있으며, 챔버압이 증가함에 따라 노즐이 후방으로 밀리면서 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 스트로크가 전반적으로 증가한 형태가 되지만 이때에도 선형성은 유지되고 있음을 알 수가 있다. 또한 연소실 압력에 따른 플렉서블씰 노즐의 회전중심 위치 특성을 살펴볼 수 있는 바, 연소압 상태에서의 플렉서블씰 로켓 엔진 노즐의 추력벡터제어용 구동 특성을 분석할 수 있는 효과를 제공한다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기로 한다.
이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적인 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있 을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 추력벡터제어용 구동특성 시험장치의 개략 전체 단면도이고, 도 5은 도 4의 A부분 확대도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 추력벡터제어용 구동특성 시험장치는, 수압설비(100), 시험장치 프레임(200), 수압연소관부(300), 노즐부(400), 추력벡터제어부(500), 센서부(600), 작동제어부(700)를 구비하고 있다.
상기 수압설비(100)는 이후 설명될 상기 수압연소관부(300)의 모사탱크(310)에 물을 주입하는 설비이다.
즉, 상기 수압설비(100)는 상기 수압연소관부(300)의 모사탱크(310)에 물을 주입함에 따라 발생되는 수압에 의해 이후 설명될 상기 노즐부(400)의 모사노즐(410)이 상방 및 하방으로 움직이는 것을 조절할 수 있게 한다.
이러한, 상기 수압설비(100)에는 물을 저장하는 물탱크(110)와, 상기 물탱크(110)에서 상기 수압연소관부(300)로의 공급수압을 조절하는 수압제어기(120)와, 상기 물탱크(110)의 물을 상기 수압연소관부(300)로 이송하기 위한 펌프(130)와 배관(140)을 구비한다.
상기 시험장치 프레임(200)은 지반 또는 지면에 고정 안치되는 구조물이다.
이러한, 상기 시험장치 프레임(200)에는 이후 설명될 상기 수압연소관부(300), 상기 노즐부(400), 상기 추력벡터제어부(500), 상기 센서부(600)를 설치한다.
상기 수압연소관부(300)는 상기 수압설비(100)에서 물을 공급받아 저장한 후 이후 설명될 상기 노즐부(400)로 공급되는 물의 수압을 전달하는 부분이다.
이러한, 상기 수압연소관부(300)는 도 6에 도시한 바와 같이, 상기 수압설비(100)에서 공급되는 물을 저장하는 모사탱크(310)와, 상기 모사탱크(310) 하단부에 설치되어 수압설비(100)의 배관(140)을 상기 모사탱크(310)와 연통되게 하여 물을 상기 모사탱크(310)로 공급되도록 하는 수압공급용 플랜지(320) 및, 상기 모사탱크(310) 상단부에 설치되는 연결용 마개(330)를 구비한다.
여기서, 상기 연결용 마개(330)는 상기 모사탱크(310)에 공급되는 물의 수압을 이후 설명될 상기 노즐부(400)의 모사노즐(410) 하단부에 전달함으로써, 상기 모사탱크(310)의 압력이 커짐에 따라 상기 노즐부(400)의 모사노즐(410)을 밀게 된다.
상기 노즐부(400)는 상기 수압연소관부(300)의 모사탱크(310) 상부에 설치되는 부분이다.
이러한, 상기 노즐부(400)는 하단부를 상기 모사탱크(310)의 연결용 마개(330)에 결합하는 모사노즐(410)과, 상기 모사노즐(410)을 상기 모사탱크(310)와 연결되게 하는 플렉서블씰(420)을 포함한다.
여기서, 상기 모사노즐(410)은 실물 노즐과 동일한 체결구조 및 관성모멘트를 가지도록 설계하는 것이 바람직하다.
상기 추력벡터제어부(500)는 상기 모사노즐(410)의 방향을 바꿀 수 있도록 하는 부분이다.
이러한, 상기 추력벡터제어부(500)는 각각 일단부가 상기 모사노즐(410)에 결합된 상태로 타단부를 상기 모사탱크(310)에 결합한 구동기(510) 및 카운터 포텐셔미터(520)를 구비한다.
상기 센서부(600)는 상기 모사노즐(410)의 구동특성을 감지하는 부분이다.
이러한, 상기 센서부(600)는 각각 상기 모사노즐(410)에 설치되어 상기 모사노즐(410)의 회전각을 측정하는 경사도계(610)와, 상기 모사노즐(410)의 동특성을 측정하는 각속도계(620)를 구비한다.
여기서, 상기 경사도계(610)는 0.001도의 정밀도를 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하며, 상기 각속도계(620)는 대역폭 50Hz 이상을 가지는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
더불어, 상기 센서부(600)에는 상기 모사노즐(410)의 변형을 측정할 수 있는 변위계(도면미도시)를 추가적으로 설치할 수도 있다.
이러한, 상기 변위계는 상기 모사노즐(410)의 각 부위의 변형 측정을 목적으로 ±20mm범위에서 적용하는 것이 바람직하다.
상기 작동제어부(700)는 상기 수압설비(100), 상기 추력벡터제어부(500)의 작동을 제어하는 부분이다.
즉, 상기 작동제어부(700)는 상기 수압설비(100)의 물을 상기 수압연소관부(300)의 모사탱크(310)에 공급되게 작동시킴과 더불어 상기 추력벡터제어부(500)의 구동기(510)와 카운터 포텐셔미터(520)를 작동시켜 상기 모사노즐(410)의 방향을 조절할 수 있도록 한다.
더불어, 본 발명의 추력벡터제어용 구동특성 시험장치는 상기 센서부(600)에서 측정되는 수치를 입력받는 수치입력컴퓨터(도면미도시)를 구비할 수 있다.
이와 같이, 구성되는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 추력벡터제어용 구 동특성 시험장치는, 상기 수압설비(100)를 통해 물을 상기 수압연소관부(300)의 모사탱크(310)로 공급하면, 수압이 상기 수압연소관부(300)의 연결용 마개(330)를 통해 상기 노즐부(400)의 모사노즐(410)을 밀면서 그에 따른 상기 센서부(600)에 의해 추력벡터제어용 구동특성을 파악할 수 있게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 추력벡터제어용 구동특성 시험장치에 따른 노즐의 거동 분석방법은, 먼저, 플렉서블씰 구조의 추력벡터제어용 엔진 노즐의 운동변수를 도 7과 같이 정의한다.
여기서, 플렉서블씰의 특성에 의해 추력벡터제어용 엔진노즐은 여러가지 비선형적인 요소들을 지니게 된다.
플렉서블씰의 탄성에 의해 엔진의 연소실 압력이 증가하게 되면 노즐이 후방으로 밀리는 현상이 발생하게 되는데, 이로 인해 노즐의 회전중심이 이동하는 특성을 가지게 된다.
플렉서블씰 노즐의 회전운동 및 추력벡터제어 선형운동 분석을 위해 도 7과 같이 운동변수를 정의한다.
일반적으로, 추력벡터제어용 구동기의 스트로크(L)가 증가할 때의 노즐각을 양수로 정의하게 되며, 추력벡터제어 구동 명령 대비 노즐운동의 선형성을 보장하기 위해 추력벡터제어 체결각(
Figure 112007078724122-PAT00059
및
Figure 112007078724122-PAT00060
)은 가능한 한 90도에 가까운 값을 가지도록 구성한다.
플렉서블씰 노즐의 비선형 특성은 대부분 노즐 및 회전중심의 위치 변동에 의 해 발생한다. 노즐의 경우에는 변위계를 통해 변위 측정이 가능하지만, 플렉서블씰 회전중심의 경우에는 그 특성상 직접 측정할 방법이 없다. 회전중심이 이동하게 되면 노즐의 회전반경이 바뀌게 되고 이로 인해 추력벡터제어 노즐각 제어오차가 발생할 수가 있다. 따라서 간접적인 방법을 통해서라도 회전중심 이동 및 제어특성 변화를 살필 수 있어야만 한다.
노즐의 회전각과 추력벡터제어용 구동기 및 카운터 포텐셔미터(CP)의 스트로크 변위를 측정해서 노즐 및 회전중심의 위치를 간접적으로 추정할 수가 있는데, 이러한 기법에 대해 도 8을 참조해 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
도 8에서와 같이 양쪽의 추력벡터제어 브라켓을 연결하는 선의 중심점 O로부터 노즐 회전중심 OR 의 위치가 (
Figure 112007078724122-PAT00061
,
Figure 112007078724122-PAT00062
) 떨어져 있다고 가정한다. 구동기 지지부 끝단의 축방향 위치와 CP 지지부 끝단의 축방향 위치 간에는
Figure 112007078724122-PAT00063
만큼 차이가 있는 것으로 가정한다. 노즐의 추력벡터제어 체결 브라켓 간의 거리는
Figure 112007078724122-PAT00064
이다.
이때 노즐각이 0도 일때의 구동기 스트로크
Figure 112007078724122-PAT00065
및 CP 스트로크
Figure 112007078724122-PAT00066
와 각각의 회전반경
Figure 112007078724122-PAT00067
및
Figure 112007078724122-PAT00068
를 이용해서 다음의 관계식을 세울 수가 있다.
Figure 112007078724122-PAT00069
Figure 112007078724122-PAT00070
Figure 112007078724122-PAT00071
Figure 112007078724122-PAT00072
수학식1과 3은 Y-축 방향으로의 길이 제한 조건식이고, 수학식2 및 4는 X-축 방향으로의 노즐 브라켓 끝단위치 및 회전중심 위치 일치 조건에 해당한다. 여기서
Figure 112007078724122-PAT00073
및
Figure 112007078724122-PAT00074
는 회전반경에 수직한 스트로크 성분을 의미하고,
Figure 112007078724122-PAT00075
및
Figure 112007078724122-PAT00076
는 구동기 및 카운터 포텐셔미터가 X-축과 이루는 체결각을 의미한다. 수학식 1 및 2로부터
Figure 112007078724122-PAT00077
및
Figure 112007078724122-PAT00078
를 구한 후에, 수학식3 및 4를 적용하면
Figure 112007078724122-PAT00079
와
Figure 112007078724122-PAT00080
를 구할 수가 있다.
Figure 112007078724122-PAT00081
Figure 112007078724122-PAT00082
Figure 112007078724122-PAT00083
Figure 112007078724122-PAT00084
여기서,
Figure 112007078724122-PAT00085
Figure 112007078724122-PAT00086
Figure 112007078724122-PAT00087
이때, 회전중심 위치는
Figure 112007078724122-PAT00088
Figure 112007078724122-PAT00089
와 같이 구할 수가 있으며, 회전중심에서 노즐 브라켓까지의 거리
Figure 112007078724122-PAT00090
과
Figure 112007078724122-PAT00091
, 추력벡터제어 작용점에서의 체결각
Figure 112007078724122-PAT00092
와
Figure 112007078724122-PAT00093
, 노즐 중심선 기준
Figure 112007078724122-PAT00094
과
Figure 112007078724122-PAT00095
의 각도
Figure 112007078724122-PAT00096
와
Figure 112007078724122-PAT00097
등도 순차적으로 수학식 14 내지 22를 통해 계산 가능하게 된다.
Figure 112007078724122-PAT00098
Figure 112007078724122-PAT00099
Figure 112007078724122-PAT00100
Figure 112007078724122-PAT00101
Figure 112007078724122-PAT00102
Figure 112007078724122-PAT00103
Figure 112007078724122-PAT00104
Figure 112007078724122-PAT00105
Figure 112007078724122-PAT00106
한편, 노즐 자체의 움직임에 대해서는 노즐 브라켓의 위치를 계산함으로써 분석할 수가 있는 바, 노즐의 변위 계산식은 수학식 23 및 24와 같다.
Figure 112007078724122-PAT00107
Figure 112007078724122-PAT00108
구동기 및 카운터 포텐셔미터의 회전반경
Figure 112007078724122-PAT00109
,
Figure 112007078724122-PAT00110
는 직접 측정할 수 없는 데이타임에 유의할 필요가 있는데, 간접적인 방법으로서 노즐 회전각과 피스톤 스트로크 측정치 간에 존재하는 다음 관계식인 수학식 25 및 26으로부터 계산 가능하다.
Figure 112007078724122-PAT00111
Figure 112007078724122-PAT00112
여기서
Figure 112007078724122-PAT00113
는 노즐의 회전각이고,
Figure 112007078724122-PAT00114
은 구동기 피스톤의 스트로크,
Figure 112007078724122-PAT00115
는 카운터 포텐셔미터의 스트로크를 의미한다. 노즐각을 변화시키면서 노즐각과 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 스트로크를 측정한 후 최소자승법 등을 적용하면 회전반경
Figure 112007078724122-PAT00116
,
Figure 112007078724122-PAT00117
와 함께 노즐각이 0도일 때의 중립길이
Figure 112007078724122-PAT00118
,
Figure 112007078724122-PAT00119
를 구할 수 있음을 알 수 있다. 일반적으로
Figure 112007078724122-PAT00120
와
Figure 112007078724122-PAT00121
가 90도 근처의 값을 가지는 경우, 노즐각과 스트로크 측정치 간에는 수학식25 및 26과 같은 선형적인 관계가 성립하게 된다.
이와 같이, 본 발명의 추력벡터제어용 구동특성 시험장치 및 이를 이용한 노즐 거동 분석방법은, 노즐각이 증가함에 따라 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 스트로크가 선형적으로 증가 또는 감소하는 현상을 확인할 수가 있으며, 챔버압이 증가함에 따라 노즐이 후방으로 밀리면서 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 스트로크가 전반적으로 증가한 형태가 되지만 이때에도 선형성은 유지되고 있음을 알 수가 있다. 또한 연소실 압력에 따른 플렉서블씰 노즐의 회전중심 위치 특성을 살펴볼 수가 있다
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
도 1은 플렉스실 조인트형 가동노즐을 추력벡터제어 장치로 사용한 발사체 추진기관의 절개 사시도
도 2는 도 1의 단면도
도 3은 비행용 실물형 플렉스실 조인트의 구성 단면도
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 추력벡터제어용 구동특성 시험장치의 개략 구성단면도
도 5는 도 4의 "A"부분 확대도
도 6은 도 4에 나타낸 수압연소관부의 확대 단면도
도 7은 플렉서블씰 추력벡터제어용 노즐 운동변수 정의
도 8은 플렉서블씰 추력벡터제어용 노즐 비선형 거동 특성 분석기법

Claims (8)

  1. 수압설비와;
    지면에 고정안치되는 시험장치 프레임과;
    상기 시험장치 프레임에 고정 거치되는 모사탱크와, 상기 모사탱크 하단부에 설치되어 상기 수압설비의 물을 상기 모사탱크 내부로 유입되게 하는 수압공급용 플랜지 및, 상기 모사탱크 상단부에 설치되는 연결용 마개로 구성되는 수압연소관부와;
    상기 모사탱크의 연결용 마개에 결합되는 모사노즐과, 상기 모사노즐을 상기 모사탱크와 연결하는 플렉서블씰로 구성되는 노즐부와;
    일단부는 상기 모사노즐에 결합되고, 타단부는 상기 모사탱크에 결합되는 구동기 및 카운터 포텐셔미터로 구성되는 추력벡터제어부와;
    상기 모사노즐에 설치되며, 상기 모사노즐의 구동특성을 감지하는 센서부; 및,
    상기 수압설비, 상기 추력벡터제어부의 작동을 제어하는 작동제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 센서부는
    상기 모사노즐의 회전각을 측정하는 경사도계와,
    상기 모사노즐의 동특성을 측정하는 각속도계를 포함하는 것을 특징으로 하는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 센서부는 상기 모사노즐의 변형을 측정하는 변위계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치.
  4. 추력벡터제어 브라켓을 연결하는 선의 중심점 O로부터 노즐 회전중심 OR 의 위치가 (
    Figure 112007078724122-PAT00122
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00123
    ) 떨어져 있고, 구동기 지지부 끝단의 축방향 위치와 카운터 포텐셔미터(CP)의 지지부 끝단의 축방향 위치 간에는
    Figure 112007078724122-PAT00124
    만큼 차이가 있으며, 노즐의 추력벡터제어 체결 브라켓 간의 거리는
    Figure 112007078724122-PAT00125
    일 경우, 노즐의 회전각과 추력벡터제어용 구동기 및 카운터 포텐셔미터(CP)의 스트로크 변위를 측정해서 노즐 및 회전중심의 위치를 분석하는 방법에 있어서,
    노즐각이 0도 일때의 구동기 스트로크
    Figure 112007078724122-PAT00126
    및 CP 스트로크
    Figure 112007078724122-PAT00127
    와 각각의 회전반경
    Figure 112007078724122-PAT00128
    및
    Figure 112007078724122-PAT00129
    를 이용하여
    Figure 112007078724122-PAT00130
    및
    Figure 112007078724122-PAT00131
    로부터
    Figure 112007078724122-PAT00132
    및
    Figure 112007078724122-PAT00133
    를 구하고,
    Figure 112007078724122-PAT00134
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00135
    로부터
    Figure 112007078724122-PAT00136
    와
    Figure 112007078724122-PAT00137
    를 구하며,
    회전중심 위치는
    Figure 112007078724122-PAT00138
    및
    Figure 112007078724122-PAT00139
    로부터 구하고,
    노즐의 변위는
    Figure 112007078724122-PAT00140
    및
    Figure 112007078724122-PAT00141
    로부터 구하는 것을 특징으로 하는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치에 따른 노즐의 거동 분석방법.
    (여기서,
    Figure 112007078724122-PAT00142
    및
    Figure 112007078724122-PAT00143
    는 회전반경에 수직한 스트로크 성분,
    Figure 112007078724122-PAT00144
    및
    Figure 112007078724122-PAT00145
    는 구동기 및 카운터 포텐셔미터가 X-축과 이루는 체결각,
    Figure 112007078724122-PAT00146
    과
    Figure 112007078724122-PAT00147
    는 회전중심에서 노즐 브라켓까지의 거리 ,
    Figure 112007078724122-PAT00148
    와
    Figure 112007078724122-PAT00149
    는 추력벡터제어 작용점에서의 체결각,
    Figure 112007078724122-PAT00150
    와
    Figure 112007078724122-PAT00151
    는 노즐 중심선 기준
    Figure 112007078724122-PAT00152
    과
    Figure 112007078724122-PAT00153
    의 각도 ,
    Figure 112007078724122-PAT00154
    은 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 회전반경을 각각 나타낸다.)
  5. 제 1항에 있어서,
    Figure 112007078724122-PAT00155
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00156
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00157
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00158
    인 것을 특징으로 하는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치에 따른 노즐의 거동 분석방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    Figure 112007078724122-PAT00159
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00160
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00161
    인 것을 특징으로 하는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치에 따른 노즐의 거동 분석방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    Figure 112007078724122-PAT00162
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00163
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00164
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00165
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00166
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00167
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00168
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00169
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00170
    인 것을 특징으로 하는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치에 따른 노즐의 거동 분석방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    노즐각을 변화시키면서 노즐각과 구동기 및 카운터 포텐셔미터의 스트로크를 측정한 후 최소자승법 등을 적용하여 회전반경
    Figure 112007078724122-PAT00171
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00172
    와 함께 노즐각이 0도일 때의 중립길이
    Figure 112007078724122-PAT00173
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00174
    로부터
    Figure 112007078724122-PAT00175
    ,
    Figure 112007078724122-PAT00176
    을 구하는 것을 특징으로 하는 추력벡터제어용 구동특성 시험장치에 따른 노즐의 거동 분석방법.
    (여기서,
    Figure 112007078724122-PAT00177
    는 노즐의 회전각이고,
    Figure 112007078724122-PAT00178
    은 구동기 피스톤의 스트로크,
    Figure 112007078724122-PAT00179
    는 카운터 포텐셔미터의 스트로크를 나타낸다.)
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