한국추진공학회 2010년도 춘계학술대회 논문집 pp.288~291 2010 KSPE Spring Conference
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* 한국항공대학교 항공 우주 및 기계 공학과 ** 한국항공대학교 항공 우주 및 기계 공학부 연락저자, E-mail: [email protected]
다발 노즐을 사용한 추력 발생 제어에 관한 수치적 연구
박형주* ․ 성홍계**
A Numerical Analysis of Thrust Development and Control using Multi-Nozzle
Hyungju Park* ․ Hong-Gye Sung**
ABSTRACT
Numerical analysis was conducted on thrust vector control using multi-nozzle system. The nozzle using flow valve switch to control mass flow of multi scarfed nozzle to manage thrust was considered. The operating characteristics of scarfed nozzle, thrust component and moment of multi nozzle in terms of mass flow rate were investigated by three dimensional flow simulation.
초 록
다발 노즐을 사용한 원통형 비행체의 추력 방향 제어에 대해 수치적으로 연구하였다. 밸브의 개폐 를 이용하여 노즐 유량을 조절하고 다수의 경사 노즐을 배열하여 추력을 조정하는 시스템을 고려한 3차원 유동 해석을 수행하여 경사 노즐의 작동 특성을 관찰하였으며, 질량 유량에 따른 다발 노즐의 분력의 크기, 추력 및 모멘트 크기를 제시하였다.
Key Words: Multi-nozzle(다발노즐), Scarfed nozzle(경사노즐), Thrust Vector Control(추력방향제어) 1. 서 론
비행체의 방향과 자세의 제어는 날개에 의한 공력 제어(aerodynamic control)와 추력 방향 제 어(Thrust Vector Control)로 크게 구분할 수 있 는데 비행체 표면 및 날개의 조종면에서 발생되 는 공력을 이용한 방식은 공력의 크기와 직접적 으로 관계가 있으며 공기가 희박한 고고도 영역 과 비행체의 속도가 느린 영역에서는 동압 부족
으로 인한 조종성 상실과 조종면에 따른 응답성 이 떨어지므로 기동성에 한계를 가지고 있다. 다 방향으로의 고기동을 요구하는 고속 비행체에는 추력 방향 제어 방식이 적합하다.[1]
추력 방향 제어 기법은 주로 제트 베인(jet vane), 제터베이터(jetavator), 제트 탭(jet tab) 등 을 이용하여 배기제트의 방향을 조종하거나 노 즐을 움직여서 추력 방향을 제어하는 기계적 방 식이 널리 사용되었으며, 최근에는 유체역학적 추력 방향제어기법이 주목을 받고 있다.[2] 또한 추력에 의한 기동은 반응시간이 짥고, 저속에서 나 밀도가 낮은 곳에서도 고기동이 가능하므로 다방향 추력 제어 방식이 비행체 방향 및 자세
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Fig. 1 Flight Control AlternativeFig. 2 Roll Attitude and Maneuver Control Deflection Alternatives.
Fig. 3 Schematic of Two Attitude Control Thrusters with Scarfed Nozzles to fit a Cylindrical Vehicle Envelop [5]
제어에 사용된다.[3] Fig. 1은 비행체 방향 및 자 세 제어 방식에 대한 개략도이다. [4]
본 연구에서는 다방향 제어를 위하여 전체 경 사 노즐 8개를 갖으며, 대칭하는 두 노즐을 하나 의 밸브로 제어하는 시스템을 고려하여 3차원 유동 해석을 수행하였으며, 단일 밸브의 성능 해 석과 다발 노즐을 사용하여 시스템의 추력 발생 과 질량 유량에 따른 추력 및 모멘트, 추력 편향 각의 변화를 비교하였다.
2. 수 치 해 석
수치 해석은 상용 코드인 Fluent v6.3.26을 이 용하였으며, 압축성을 고려하여 N-S 방정식에
난류 모델을 적용하여 정상(steady)으로 해 석하였다.
2.1 자세 제어
본 논문에서는 Fig. 2와 같이 비행체의 무게중 심보다 상단에 위치하여 피치(pitch), 요(yaw), 롤(roll)의 3축 제어가 가능한 자세 제어 장치에 대해 고려하였다. 롤 제어를 위해 경사 노즐 (Scarfed nozzle)을 비행체의 중심선과 일치하지 않도록 배치하였으며, 경사 노즐은 Fig. 3과 같 이 노즐의 추력 방향이 노즐 중심선과 일치하 지 않는 특징을 가지므로 추력 및 모멘트 계산 에서 이에 대해 고려하였다.[5]
2.2 해석 모델
단일 밸브 작동시 노즐에서 발생하는 추력 및 노즐 내부를 흐르는 최대 질량 유량을 계산하기 위하여 3차원 유동 해석을 수행하였다. 밸브로 유입되는 전체 유량을 확인하기 위해 밸브 회전 각이 0deg, 5deg인 형상과 한 방향의 노즐로 유 입되는 최대 유량을 확인하기 위해 밸브 회전각 45deg의 형상에 대한 해석을 수행하였다. 단일 밸브의 격자 구성은 Fig. 4와 같으며, 정렬 격자 와 비정렬 격자를 혼합하여 구성하였다.
다발 노즐 해석은 형상을 간략화하기 위해 수 평, 수직 노즐을 포함하는 전체의 1/4영역에 대 해서 해석을 수행하였다.
Fig. 4 Computational Domain of Single valve
3. 해 석 결 과
3.1 수평 노즐 작동시 추력 및 질량유량
Figure 5는 수평 노즐의 마하수 분포를 나타내 며, a)는 밸브 회전각이 0deg인 경우로, 좌우의 노즐로 동일한 유량이 흐르므로 대칭 구조를 갖
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Fig 6 Mach Number Contours on Z-plane of Multi-Nozzle : Effect of Mass Flow Rate of Vertical Nozzle : Horizontal Nozzle Has Constant Mass Flow Rate of 0.44 kg/sec.
Fig. 5 Mach Number Contours on Z-plane of Horizontal Nozzle depend on Valve Rotation Angle
는다. b)는 밸브 회전각이 5deg 인 경우로 -x 방 향에 비해 +x 방향으로의 질량 유량 및 분력, 편 향각의 크기가 큰 것을 확인할 수 있다.
Table 1은 단일 밸브 작동시 분력의 크기 및 질량 유량, 추력 편향각을 나타낸다. a)와 b) 각 각의 질량 유량의 합이 동일하지만 이에 비해 c) 로 흐르는 질량 유량은 작다. 이는 노즐 목에서 초킹되어 흐를 수 있는 유량이 제한적이기 때문 이며, c)의 질량 유량이 본 연구에서 사용하는 형상에서 사용할 수 있는 최대 질량 유량이다.
Case
valve angle*
(deg)
(kg/s)
deflection angle (deg) a(±x) 0 0.4438 1.0 0.0135 0.77 b(-x) -5 0.4016 0.9004 0.0065 0.41 b(+x) 5 0.4867 1.1028 0.0199 1.03 c(+x) 45 0.7432 1.7106 0.0571 1.9
*counterclockwise direction represents + sign
**
of the case a
Table 1. Performance evaluation of single valve
3.2 수평, 수직 노즐의 복합 작동시 추력 및 모멘트 질량 유량 변화에 따른 추력 및 모멘트, 추력 편향각의 변화를 보기위해 수평 노즐의 질량 유 량을 0.44 kg/sec로 고정한 상태에서 수직 노즐 의 질량 유량을 0.24~0.74 kg/sec로 0.1 kg/sec 간격으로 변화시켜 해석을 수행하였다.
Figure 6은 각 질량 유량에 따른 마하수 분포 를 나타낸다. c)는 수평, 수직 노즐의 질량 유량 이 동일하므로 추력 벡터각은 45deg이며, 경사 노즐에 흐를 수 있는 최대 유량이 0.74 kg/sec이 므로 f)에서 최대 추력 벡터각 59deg를 갖는다.
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Fig. 7 Pitch Control Using Multi-Nozzle (a, e)Fig. 8 Thrust depend on Mass Flow Rate of Vertical Nozzle
Fig. 9 Moment and Thrust Vector Angle depend on Mass Flow Rate of Vertical Nozzle : Counterclockwise Direction represents + Sign 다발 노즐 해석 결과의 a)와 e), 또는 b)와 d) 를 조합하여 Fig. 2 a)와 같이 피치 운동을 제어 할 수 있다. Fig. 7은 a)와 e)를 사용하여 피칭 모멘트를 구성한 예이다. 좌우 대칭으로 제트를 분사함으로써 피치와 롤에 대한 제어가 동시에 가능하다.
Figure 8, 9는 수직 노즐의 질량 유량에 따른 추력 및 모멘트, 추력 벡터각의 변화를 도시화한 것으로 질량 유량의 증가에 따라 추력은 선형적 으로 증가하지만 모멘트는 감소하며, 추력 벡터 각은 로그 함수 형태의 곡선을 그리며 증가하는 것을 확인할 수 있다. 추력 벡터각 45deg에서 비행체 중심선과 추력선이 일치하므로 모멘트는 0이 되며 모멘트의 크기는 45deg를 기준으로 추 력 편향각의 크기에 비례한다.
4. 결 론
원통형의 비행체 내부에 다발 경사 노즐로 구 성한 시스템의 추력 발생을 수치적으로 모사하 였으며, 다발 노즐 제트 충돌로 인하여 발생하는 제트 편향을 조사 하였다. 질량 유량에 따른 추 력의 크기는 선형적으로 증가하며 모멘트의 크 기는 추력 편향각의 크기에 비례하여 증가함을 확인하였다. 향후 비정상 해석을 통해 질량 유량 에 따른 추력 편향 응답시간 및 롤 제어에 대한 연구가 진행될 것이다.
참 고 문 헌
1. H.G Sung, YS Hwang, "Thrust-vector characteristics of Jet Vanes Arranged in X-Formation within a shroud", Journal of Propulsion and Power, Vol. 20, No. 3, pp.501-508, May 2004.
2. 허준영,조민경,유광희,전동현,이열,성홍계,전영 진,조승환, " 초음속 과팽창 제트유동의 추력 방향 조종을 위한 유체역학적 제어기법 연구
", 한국항공우주학회 2008 추계 학술 논문 발표집, pp.759-762, 2008
3. 민병영, 이재우, 변영환, 현재수, 김상호, “측추 력 제트가 미사일의 공력 특성에 미치는 영향 에 관한 연구:Part I. 제트 유동특성 영향”, 한 국항공우주학회지 32권 8호 pp.64-71, 2004. 10 4. Fleeman, E. L. Tatical Missile Design,
AIAA Education Series, 2001
5. Sutton, G. P., Rocket Propulsion Elements, 7th ed., John Wiley & Sons Inc., 2001
