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공급계 모사 수류시험 장비(Water Flow Test Equipment)
+ 수류시험 장비의 필요성
이원추진제 로켓 엔진의 핵심 구성 요소 중 하나는 공급계이며, 추진제 공급계는 추진제를 연소실까지 높은 압력과 목표한 유량으로 공급되어야한다.
최근 연구 트렌드를 살펴보면 재사용 발사체, 행성간 우주선 등 추력 조절을 통한 landing 기술이 활용되고 있고, 상층 구간에서 국방 유도 무기나 상단 우주 발사체의 상층 추진 기술로 활용되고있다. 또한 추진제 유량은 추진 장치의 추력 성능에 비례하며, 추력 조절 기술로 활용되기 위해서는 공급계의 유량 조절 기술이 핵심 원천 기술로 적용된다. 따라서 공급계를 모사한 수류시험 장비를 구축함으로서 공급계의 정밀 유량 제어 기술에 대한 연구가 필요한 시점이다.
1. 충남대학교 일축 수류시험 장비
충남대학교에서 보유 중인 수류시험장치는 전기펌프 사이클(Electric Pump-fed Cycle) 엔진을 모사하며, 시험 장치 구성은 아래와 같다. 초기 가압 탱크(공압), 추진제 모사 수류 탱크(수류), 배관, 펌프 시스템, 유량 제어 밸브, 배터리 시스템으로 구성되어 있다.
현재 보유 장비의 시험 압력 수준은 10-20 bar 수준이며, 추진제 공급 펌프는 배터리를 통해 전력을 인가받아 작동된다. 특히 배터리 시스템을 적용하고, 추진제 공급 시퀀스 중 배터리 상태 판단 알고리즘을 구축함으로서 전기펌프 엔진의 기술 성숙도 수준을 한단계 높였다. 배터리 시스템 뿐 아니라, 추진제 유량을 제어하는 요소로 펌프의 회전수를 실시간 통신 장비(RS-485)로 제어하고 있으며, 테스트 스탠드 구성은 아래와 같이 구성된다.
공급 유량에 대해서 펌프 회전수를 제어할 수 있는 PID 제어기 시스템을 구축하였다. 아래 PID 제어기 시스템의 작동 시험 그래프 결과, 명령 유량에 대해 유동이 빠르게 수렴하였으며, 공급 안정화 시간은 480 ms 수준에 도달하였다. 추가적으로 전기펌프 사이클의 이점을 살려 200 ms 수준까지 안정화 시간을 앞당기는 것이 목표이다.
2. 충남대학교 이원추진제 모사 수류시험 장비
충남대학교에서 보유중인 이원추진제 모사 수류시험 장비 구성은 아래와 같다. 크게 Run Tank, Buffer Tank, Drain Tank, DAQ로 구성되어 있으며, RS-485 통신을 통해 전기펌프를 제어하고 있다. 또한, 계측된 데이터는 DAQ를 통해 LabVIEW 프로그램으로 계측을 한다. 현재 시험 압력 수준은 4~20 bar 수준이며, PID 제어를 통해 추진제 공급 유량을 제어하고 있다.
+ 향후 수류시험 장비 활용 방안
앞서 언급한바와 같이 추진제 공급 시스템의 유량 제어 시스템 연구는 향후 추력 제어 연구에 활용성이 매우 높다. 추력 제어 뿐 아니라, 응답 성능 측면에서도 전기펌프 사이클 엔진은 신속한 추진제 공급이 가능하기 때문에 상층 구간 다양한 추진 기술로 활용할 수 있다. 이에 향후 수류시험 장비를 통해 다양한 추진기술을 모사할 수 있는 전기펌프 엔진 시퀀스를 구성하고 실험적으로 엔진 시퀀스를 검증하여 시퀀스 조건을 보다 세밀하게 추가 수정 보완할 예정에 있다.
+ 진공 설비 관련 문의
HPCL 연구실 수류시험 장비 담당자 : 042) 821-7771
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