KR20120051391A - 포고억제장치 시험장치 - Google Patents

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KR20120051391A
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pogo
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이한주
정동호
오승협
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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명은 포고억제장치의 성능 파악을 위한 시험장치에 관한 것이다. 포고억제장치 시험장치는 액체저장탱크와 연결되고 발사체의 공진주파수를 모사하는 곡관, 상기 곡관과 일측이 연결되고 상기 발사체의 추진기관 시스템의 추진제 공급 주배관을 모사하는 주관, 상기 주관의 타측과 연결되는 배관에 설치되고 상기 배관의 유로의 면적을 조절하여 유체에 압력 섭동을 발생시키는 가진기, 그리고 상기 배관의 상기 가진기가 설치된 부분을 우회하도록 상기 배관과 연결되는 바이패스배관에 설치되고 상기 압력 섭동의 진폭을 조절하는 진폭조절밸브를 포함한다. 본 발명에 의하면, 발사체 시스템의 공진 주파수, 추진제 공급계, 유체 내부에 유발되는 압력 섭동, 압력 섭동이 유발된 유체의 진폭 등을 모사할 수 있어, 이에 포고억제장치를 장착하여 포고억제장치의 성능을 파악하고 개선시키는데 활용될 수 있다.

Description

포고억제장치 시험장치{Test apparatus for developing POGO suppression device}
본 발명은 포고억제장치의 성능 파악을 위한 시험장치에 관한 것이다.
액체 산소와 액체 연료를 사용하는 액체 추진기관 시스템의 축방향 불안정성은 연소 시간에 따른 각각의 추진제 공급계의 고유 진동수와 발사체 1차 구조 모드에 해당하는 고유 진동수가 일치하는 부분에서 발생한다. 고유 진동수가 일치하여 추진제 공급계와 구조물 간의 공진이 발생하게 되면 엔진시스템으로 유입되는 추진제의 유량의 섭동이 급격히 증가하게 되어 연소 불안정성을 야기할 수도 있으며, 심지어는 구조물의 손상을 일으킬 수도 있다. 이러한 현상이 발생되면 발사체의 임무 달성은 불가능하다.
각 시스템 즉, 추진제 공급계와 구조물의 고유 진동수 대역이 충분히 분리되어 있는 경우에는, 두 시스템 간에 공진이 발생할 수 없어 발사체의 축 방향 불안정성을 제거할 수 있다. 하지만 이러한 고유 진동수 대역의 분리를 위해 구조물의 고유 진동수를 변경하는 것은 추진제 탱크나 다른 구조물을 변경해야 하기 때문에 발사체 시스템 전체에 대한 심각한 설계 변경을 요구하게 된다.
따라서 실질적으로 발사체의 축 방향 불안정성을 억제하기 위해서는, 액체 추진기관 시스템의 추진제 공급계 내부 유체의 고유 진동수를 바꾸기 위한 장치, 즉 포고억제장치(PSD: Pogo Suppression Device)를 발사체에 추가적으로 설치함으로써 해결할 수 있다. 즉, 포고억제장치를 통해 추진제 공급계의 고유 진동수와 구조물의 고유 진동수를 분리함으로써 불안정성을 제거한다.
이와 같이 포고억제장치가 추진제 공급계에 설치되었을 경우, 예상하는 수준으로 추진제 공급계 내부의 유체의 고유 진동수를 변경시킬 수 있는지, 그리고 추가적으로 설치된 포고억제장치가 액체 추진기관 시스템의 추진제 공급계의 특성에 미치는 영향이 어떠한지를 평가하기 위해서는 시험을 수행하여야 한다. 이러한 목적의 시험으로, 실제의 추진제 공급계에 구조적인 가진을 줌으로써 유체 내부의 고유 진동수 변화를 확인할 수 있겠지만, 시험장치가 너무 거대화되므로 발사체 개발 단계에 적용하기엔 무리가 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 액체 추진기관 시스템으로 구성되는 발사체의 축방향 불안정성을 억제하기 위한 포고억제장치의 성능, 즉 추진제 공급계 내부의 유체의 고유 진동수의 변화를 시험적으로 파악할 수 있는 포고억제장치 시험장치를 제공하는 것이다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 실시예에 따른 포고억제장치 시험장치는 액체저장탱크와 연결되고 발사체의 공진주파수를 모사하는 곡관, 상기 곡관과 일측이 연결되고 상기 발사체의 추진기관 시스템의 추진제 공급 주배관을 모사하는 주관, 상기 주관의 타측과 연결되는 배관에 설치되고 상기 배관의 유로의 면적을 조절하여 유체에 압력 섭동을 발생시키는 가진기, 그리고 상기 배관의 상기 가진기가 설치된 부분을 우회하도록 상기 배관과 연결되는 바이패스배관에 설치되고 상기 압력 섭동의 진폭을 조절하는 진폭조절밸브를 포함한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 포고억제장치 시험장치는 상기 배관과 연결되고 상기 발사체의 엔진 시스템의 노즐부를 모사하는 노즐을 더 포함할 수 있다.
상기 노즐은 상기 엔진 시스템의 전체 저항을 모사하는 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 포고억제장치 시험장치는 상기 유체의 고유 진동수를 조절하는 포고억제장치를 더 포함할 수 있다.
상기 포고억제장치는 상기 주관에 추가되는 기체의 체적을 변경하여 상기 고유 진동수를 조절할 수 있다.
상기 포고억제장치는 상기 주관과 연결되는 입구에 설치되는 배플(baffle)을 포함하고, 상기 배플은 상기 입구에서의 저항을 통해 상기 포고억제장치의 내부의 기체의 체적을 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 포고억제장치 시험장치는 상기 액체저장탱크를 더 포함할 수 있다.
상기 액체저장탱크는 내부의 수위가 일정하게 유지되도록 내부에 용기를 설치하여 상기 용기로부터 액체를 오버플로우(overflow) 시킬 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 포고억제장치 시험장치는 상기 노즐로부터 분사된 상기 유체를 다시 상기 액체저장탱크로 순환시키기 위한 순환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 포고억제장치 시험장치는 상기 주관의 타측과 연결되고 천이 상태에서의 포고억제장치의 특성을 파악하는 천이상태용 연결부를 더 포함할 수 있다.
상기 천이상태용 연결부는 상기 주관의 타측과 연결되는 천이상태용 배관, 상기 천이상태용 배관의 말단에 설치되는 천이상태용 노즐, 그리고 상기 천이상태용 배관의 개폐를 제어하는 천이상태용 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 곡관, 주관, 가진기, 진폭조절밸브 등의 구성을 포함함으로써, 발사체 시스템의 공진 주파수, 추진제 공급계, 유체 내부에 유발되는 압력 섭동, 압력 섭동이 유발된 유체의 진폭 등을 모사할 수 있어, 이에 포고억제장치를 장착하여 포고억제장치의 성능을 파악하고 개선시키는데 활용될 수 있다.
또한, 가진기를 통해 유체 내부에 압력 섭동을 발생시킬 수 있고, 진폭조절밸브를 통해 그 진폭을 조절할 수 있으며, 곡관을 통해 공진 주파수를 조절할 수 있으므로, 유체역학적 불안정성을 시험적으로 분석하는 데 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 포고억제장치 시험장치의 개념도이다.
이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
본 발명의 한 실시예에 따른 포고억제장치 시험장치(이하 본 포고억제장치 시험장치)(100)는 위성 발사용 발사체와 같은 발사체의 축방향 불안정성을 억제하기 위한 장치인 포고억제장치(5)의 성능, 즉 포고억제장치(5)의 유체의 고유 진동수를 변화시키는 성능을 시험적으로 파악하기 위한 장치에 관한 것이다. 참고로, 포고억제장치(5)는 발사체의 축방향 불안정성을 억제하는 장치를 포괄할 수 있는 명칭일 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 포고억제장치 시험장치(100)는 곡관(1), 주관(2), 가진기(3), 그리고 진폭조절밸브(4)를 포함한다. 또한, 본 포고억제장치 시험장치(100)는 포고억제장치(5)를 더 포함할 수 있고, 노즐(6)을 더 포함할 수 있으며, 액체저장탱크(7)를 더 포함할 수 있고, 순환부(8)를 더 포함할 수 있고, 천이상태용 연결부(9)를 더 포함할 수 있다.
우선, 곡관(1)의 구성을 살핀다.
도 1을 참조하면, 곡관(1)은 액체저장탱크(7)와 연결되고 발사체의 공진주파수를 모사한다. 곡관(1)은 길이의 조정을 통해 발사체 시스템의 이론상의 공진 주파수를 모사하여 설정할 수 있다. 곡관(1)은 본 포고억제장치 시험장치(100)의 크기를 줄이고 비용을 절감하기 위해 곡선 형태로 구부러진 배관으로 하며, 이를 통해 특정한 공진 주파수에 해당하는 시스템으로 본 포고억제장치 시험장치(100)를 구성할 수 있다.
또한, 곡관(1)은 액체저장탱크(7)로부터 공급되는 액체의 유량을 측정하는 오리피스(11)와 연결될 수 있다. 도 1을 참조하면, 곡관(1)은 이러한 오리피스(11)의 후단에 설치될 수 있다. 그리고 곡관(1)에는 솔레노이드밸브와 같은 밸브(12)가 포함될 수 있다. 도 1을 참조하면, 밸브(12)는 오리피스(11)의 전단, 또는 액체저장탱크(7)의 후단에 배치될 수 있다.
다음으로, 주관(2)의 구성을 살핀다.
도 1을 참조하면, 주관(2)은 곡관(1)과 일측이 연결되고 발사체의 추진기관 시스템의 추진제 공급 주배관을 모사한다. 예시적으로, 주관(2)은 추진제 공급 주배관과 동일한 직경을 갖는 압력 용기로 구비되어 추진제 공급계를 모사할 수 있다.
또한 도 1을 참조하면, 주관(2)의 상측으로 후술할 배플(51)(baffle)과 포고억제장치(5)가 결합될 수 있다. 그리고 주관(2)의 하측으로는 배관(21)이 연결되며, 배관(21)의 중간에는 후술할 가진기(3)가 설치되고, 배관(21)의 말단의 출구에는 노즐(6)이 설치될 수 있다.
다음으로, 가진기(3)의 구성을 살핀다.
도 1을 참조하면, 가진기(3)는 주관(2)의 타측과 연결되는 배관(21)에 설치되고, 배관(21)의 유로의 면적을 조절하여 유체에 압력 섭동을 발생시킨다.
예시적으로, 가진기(3)는 면적 제한 방식으로서, 가진기(3)의 축이 회전함에 따라 배관(21)에서 가진기(3)가 설치된 부분의 유로의 단면적이 변화될 수 있다. 이러한 유로의 단면적의 변화로 인해 유체의 내부가 가진되면, 유체 내부에 압력 섭동이 유발될 수 있다.
실제적으로는 추진제 공급계에 구조적으로 가진을 주면서, 포고억제장치(5)에 의한 유체 내부의 고유 진동수 변화를 확인하여야 하겠지만, 추진제 공급계에 구조적으로 가진을 주기 위해서는 시험장치가 너무 거대화되므로, 발사체 개발 단계에 이용되는 본 포고억제장치 시험장치(100)에 적용하기엔 무리가 있을 수 있다.
이에 따라, 이러한 방식 대신 가진기(3)를 통해 배관(21)을 통과하는 내부의 유체를 가진시켜 압력 섭동을 유발시킴으로써, 포고억제장치(5)가 실제 발사체의 추진제 공급계에 설치되었을 경우 포고억제장치(5)가 예상되는 수준으로 추진제 공급계의 내부의 유체의 고유 진동수를 변경시킬 수 있는지를 본 포고억제장치 시험장치(100)를 통해 확인해볼 수 있다.
이와 같이 구조적으로 가진시키기 위한 큰 규모의 장치 대신 가진기(3)를 통해 유체 내부에 압력 섭동을 유발시킴으로써, 본 포고억제장치 시험장치(100)는 보다 간단하면서도 정밀하게 발사체의 축방향 불안정성을 모사할 수 있게 된다.
다음으로, 진폭조절밸브(4)의 구성을 살핀다.
도 1을 참조하면, 진폭조절밸브(4)는 배관(21)의 가진기(3)가 설치된 부분을 우회하도록 배관(21)과 연결되는 바이패스배관(22)에 설치되고, 가진기(3)로 인해 유발되는 유체의 압력 섭동의 진폭을 조절한다.
다음으로, 포고억제장치(5)의 구성을 살핀다.
포고억제장치(5)는 유체의 고유 진동수를 조절할 수 있는 장치로, 본 포고억제장치 시험장치(100)를 통해 이러한 고유 진동수를 조절하는 성능을 시험하기 위한 구성이며, 축방향 불안정성 억제 장치라고 할 수 있다. 예시적으로, 이러한 포고억제장치(5)는 실린더의 형태, 또는 구형으로 배플(51)을 사이에 두고 주관(2)의 상측에 설치될 수 있다.
그리고 이러한 포고억제장치(5)는 주관(2)에 추가되는 기체의 체적을 변경하여 고유 진동수를 조절할 수 있다. 이를테면 포고억제장치(5)는 불응축성 기체를 주관(2)에 첨가하는 방법을 이용하여 추진제 공급계를 모사하는 주관(2)의 내부의 유체의 고유 진동수를 감소시킬 수 있다.
참고로, 포고억제장치(5)의 내부의 기체는 주관(2)의 유체 압력에 따라 부피가 변화하면서 스프링과 같이 작용을 할 수 있고, 포고억제장치(5)의 입구의 저항은 유체의 움직임에 대한 일종의 감쇠 역할이라고 볼 수 있다.
또한, 포고억제장치(5)는 주관(2)과 연결되는 입구에 설치되는 배플(baffle)(51)을 포함하고, 배플(51)은 입구에서의 저항을 통해 포고억제장치(5)의 내부의 기체의 체적을 일정하게 유지할 수 있다.
참고로, 발사체의 축방향 불안정성은 연소 시간에 따른 각각의 추진제 공급계의 고유 진동수와 발사체 1차 구조 모드에 해당하는 고유 진동수가 일치하는 부분에서 발생될 수 있는데, 포고억제장치(5)는 실제의 추진제 공급계의 유체의 고유 진동수를 조절하여 이러한 축방향 불안정성을 해소시키는 역할을 할 수 있다.
이러한 포고억제장치(5) 내부의 기체상은 액체상과 자유표면으로 분리될 수 있으며, 수위 측정은 접촉 탐침 방식이 적용될 수 있다. 예시적으로, 포고억제장치(5)의 정면부에 설치되는 탐침의 개수에 따라 수위 측정의 정밀도가 달라질 수 있다. 그리고 배플(51) 이외에 주관(2)과 연결되는 부분의 직경은 모두 주관(2)과 동일하게 함으로써, 배플(51) 이외의 압력손실 성분을 제거할 수 있다.
그리고 본 포고억제장치 시험장치(100)를 통해 포고억제장치(5)의 내부의 기체상과 액체상의 부피가 결정된 경우, 즉 시험을 통한 포고억제장치(5)의 개발이 완료되어 실제 발사체에 적용하는 시점에서는, 포고억제장치(5)에 배플(51)을 일체화시켜 구성을 단순화할 수 있다.
또한 도 1을 참조하면, 포고억제장치(5)에는 기체상을 가압하거나 해압하기 위한 가압시스템 및 밴트시스템(52)이 포함될 수 있다.
참고로, 본 포고억제장치 시험장치(100)는 시험하고자 하는 포고억제장치(5)를 장착하여 시험을 수행하는 장치이므로, 본 포고억제장치 시험장치(100)에 시험의 대상이 되는 특정한 포고억제장치(5)의 구성이 반드시 포함되어야 하는 것은 아니다.
다음으로, 노즐(6)의 구성을 살핀다.
도 1을 참조하면, 노즐(6)은 배관(21)과 연결되고 발사체의 엔진 시스템의 노즐부를 모사할 수 있다. 또한, 노즐(6)은 엔진 시스템의 전체 저항을 모사하는 밸브(61)를 포함할 수 있다. 즉, 노즐(6)과 밸브(61)는 발사체의 엔지 시스템을 모사하는 구성일 수 있다. 예시적으로, 노즐(6)은 발사체 공급계의 출구 역할을 하는 엔진 시스템의 노즐부를 모사하도록 배관(21)의 끝단인 출구 쪽에 설치될 수 있으며, 노즐(6)의 전단에 구비된 밸브(61)를 통해 엔진 시스템의 전체 저항을 모사할 수 있다.
다음으로, 액체저장탱크(7)의 구성을 살핀다.
액체저장탱크(7)는 내부의 수위가 일정하게 유지되도록 내부에 용기(71)를 설치하여 용기(71)로부터 액체를 오버플로우(overflow) 시킬 수 있다. 이와 같이 액체저장탱크(7)를 큰 저장 용기 안에 작은 용기(71)를 설치하여 오버플로우 시키는 구조로 함으로써, 액체저장탱크(7) 내에 수위가 일정하게 유지되어 공급 압력의 섭동을 줄일 수 있다.
다음으로, 순환부(8)의 구성을 살핀다.
순환부(8)는 노즐(6)로부터 분사된 유체를 다시 액체저장탱크(7)로 순환시키기 위한 구성일 수 있다. 예시적으로 도 1을 참조하면, 순환부(8)는 배관(21)의 출구의 노즐(6)로부터 분사된 유체를 저장하는 저장용기(81), 저장용기(81)로부터 유체를 액체저장탱크(7)로 순환시키는 동력이 되는 펌프(82), 그리고 저장용기(81)로부터 액체저장탱크(7)로 유체를 전달하는 통로 역할을 하는 순환관(83)을 포함할 수 있다.
다음으로, 천이상태용 연결부(9)의 구성을 살핀다.
도 1을 참조하면, 천이상태용 연결부(9)는 주관(2)의 타측과 연결될 수 있다. 이러한 천이상태용 연결부(9)를 통해 천이 상태에서의 포고억제장치(5)의 특성을 파악할 수 있다. 예시적으로 도 1을 참조하면, 천이상태용 연결부(9)는 주관(2)의 타측과 연결되는 천이상태용 배관(92), 천이상태용 배관(92)의 말단에 설치되는 천이상태용 노즐(91), 그리고 천이상태용 배관(92)의 개폐를 제어하는 천이상태용 밸브(93)를 포함할 수 있다.
이외에 본 포고억제장치 시험장치(100)에 포함될 수 있는 부속 장치로는, 가진기의 회전수를 측정하기 위한 타코메타(tachometer), 소정의 위치의 압력을 측정하고 오리피스(11)의 전후단의 압력을 측정하기 위한 압력측정기, 가진기(3)의 축의 회전수를 조절하기 위한 조절기와 모터 등이 있을 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100. 포고억제장치 시험장치
1. 곡관 11. 오리피스
12. 밸브 2. 주관
21. 배관 22. 바이패스배관
3. 가진기 4. 진폭조절밸브
5. 포고억제장치 51. 배플
52. 가압시스템 및 밴트시스템 6. 노즐
61. 밸브 7. 액체저장탱크
71. 용기 8. 순환부
81. 저장용기 82. 펌프
83. 순환관 9. 천이상태용 연결부
91. 천이상태용 노즐 92. 천이상태용 배관
93. 천이상태용 밸브

Claims (11)

  1. 액체저장탱크와 연결되고 발사체의 공진주파수를 모사하는 곡관,
    상기 곡관과 일측이 연결되고 상기 발사체의 추진기관 시스템의 추진제 공급 주배관을 모사하는 주관,
    상기 주관의 타측과 연결되는 배관에 설치되고 상기 배관의 유로의 면적을 조절하여 유체에 압력 섭동을 발생시키는 가진기, 그리고
    상기 배관의 상기 가진기가 설치된 부분을 우회하도록 상기 배관과 연결되는 바이패스배관에 설치되고 상기 압력 섭동의 진폭을 조절하는 진폭조절밸브
    를 포함하는 포고억제장치 시험장치.
  2. 제1항에서,
    상기 배관과 연결되고 상기 발사체의 엔진 시스템의 노즐부를 모사하는 노즐을 더 포함하는 포고억제장치 시험장치.
  3. 제2항에서,
    상기 노즐은 상기 엔진 시스템의 전체 저항을 모사하는 밸브를 포함하는 포고억제장치 시험장치.
  4. 제1항에서,
    상기 유체의 고유 진동수를 조절하는 포고억제장치를 더 포함하는 포고억제장치 시험장치.
  5. 제4항에서,
    상기 포고억제장치는 상기 주관에 추가되는 기체의 체적을 변경하여 상기 고유 진동수를 조절하는 포고억제장치 시험장치.
  6. 제4항에서,
    상기 포고억제장치는 상기 주관과 연결되는 입구에 설치되는 배플(baffle)을 포함하고,
    상기 배플은 상기 입구에서의 저항을 통해 상기 포고억제장치의 내부의 기체의 체적을 일정하게 유지하는 포고억제장치 시험장치.
  7. 제1항에서,
    상기 액체저장탱크를 더 포함하는 포고억제장치 시험장치.
  8. 제7항에서,
    상기 액체저장탱크는 내부의 수위가 일정하게 유지되도록 내부에 용기를 설치하여 상기 용기로부터 액체를 오버플로우(overflow) 시키는 포고억제장치 시험장치.
  9. 제2항에서,
    상기 노즐로부터 분사된 상기 유체를 다시 상기 액체저장탱크로 순환시키기 위한 순환부를 더 포함하는 포고억제장치 시험장치.
  10. 제1항에서,
    상기 주관의 타측과 연결되고 천이 상태에서의 포고억제장치의 특성을 파악하는 천이상태용 연결부를 더 포함하는 포고억제장치 시험장치.
  11. 제10항에서,
    상기 천이상태용 연결부는
    상기 주관의 타측과 연결되는 천이상태용 배관,
    상기 천이상태용 배관의 말단에 설치되는 천이상태용 노즐, 그리고
    상기 천이상태용 배관의 개폐를 제어하는 천이상태용 밸브
    를 포함하는 포고억제장치 시험장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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