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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 윤웅섭
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 연세대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수5
이 논문의 연구 히스토리 (2)
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각 국 로켓비행실패의 66%가 액체엔진 및 추력기 등 추진시스템의 이상 때문에 발생하였다. 특히 천이구간에서의 압력교란 및 급격한 열부하의 증가, 정상작동상태를 위한 추력제어 시 연소실 과잉 압력으로 인한 장애등은 실패의 큰 원인 중 하나이다. 하지만 시동, 정지, 추력 제어 같은 제어 모드 별 천이구간은 대형로켓 엔진 미션수행에 반드시 필요한 과정이다.
따라서 정상성능 설계에서 도출한 구성품 주요 설계 파라미터를 바탕으로 구성품 동적성능 모델링을 수행하고 시스템으로 통합하여 제어 모드 별 동적성능을 예측 할 수 있는 검증된 프로그램의 개발이 필요하다.
그러나 국내에선 액체로켓엔진 제어모드 별 알고리즘에 대한 연구가 진행되지 않았으며 시스템 예측에 대한 검증 역시 힘든 실정이다.
본 연구에서는 제어 알고리즘을 설계, 프로그램에 모듈화 하여 제어 모드 별 시스템 동적 성능을 예측하고 엔진모사 수류실험장치 결과와 비교 및 검증하였다.
검증을 위한 엔진모사 수류실험장치는 펌프, 관로, 오리피스, 제어밸브, 인젝터, 재생냉각채널로 구성하였고 구성품의 배치는 실제로켓엔진과 같다.
동적 성능 예측 프로그램 개발을 위해 엔진모사 수류실험장치의 구성품 별 동적 성능을 모델링 및 검증하고 이를 Simulink로 통합 하였으며 제어 모드 별 알고리즘을 모듈화 하였다. 펌프는 오일러 식에 손실을 고려한 경험 근사식, 관로는 유량지연과 벽면 마찰의 영향을 고려한 운동량 방정식과 Darcy 방정식, 오리피스는 연속 방정식과 베르누이 방정식으로 모델링하였고 레이놀즈수와 직경 비에 대한 근사식으로 배출 계수를 구하였다. 제어 밸브는 면적이 변하는 오리피스로 모델링하였고 구동신호에 따른 개도율 변화는 1차 전달 함수를 사용하였다. 인젝터 및 재생냉각채널은 단순 압력강하기구로 간주하여 오리피스로 모델링하였고 실험을 통해 배출계수를 구하였다. 제어 알고리즘은 밸브 목표개도(Set-Point)와 라인 별 PI제어 기법을 사용하여 제어 모드 별 목표 유량 및 유량 비에 안정적으로 수렴하도록 설계하였다. Set-Point는 목표 유량 및 유량 비를 갖는 밸브 개도이며 실험을 통해 찾는다. 연구결과 엔진모사 수류실험장치에 대해 PI제어와 목표개도 기법을 사용한 제어 알고리즘의 유효성을 검증하였고 동적 성능 예측 프로그램의 실용성을 확인하였다. 연구를 통해 검증된 제어인자 및 동적 성능 설계인자는 국내 엔진 시스템 설계 및 제어시스템 개발에 직접 활용 될 수 있을 것이다.
따라서 정상성능 설계에서 도출한 구성품 주요 설계 파라미터를 바탕으로 구성품 동적성능 모델링을 수행하고 시스템으로 통합하여 제어 모드 별 동적성능을 예측 할 수 있는 검증된 프로그램의 개발이 필요하다.
그러나 국내에선 액체로켓엔진 제어모드 별 알고리즘에 대한 연구가 진행되지 않았으며 시스템 예측에 대한 검증 역시 힘든 실정이다.
본 연구에서는 제어 알고리즘을 설계, 프로그램에 모듈화 하여 제어 모드 별 시스템 동적 성능을 예측하고 엔진모사 수류실험장치 결과와 비교 및 검증하였다.
검증을 위한 엔진모사 수류실험장치는 펌프, 관로, 오리피스, 제어밸브, 인젝터, 재생냉각채널로 구성하였고 구성품의 배치는 실제로켓엔진과 같다.
동적 성능 예측 프로그램 개발을 위해 엔진모사 수류실험장치의 구성품 별 동적 성능을 모델링 및 검증하고 이를 Simulink로 통합 하였으며 제어 모드 별 알고리즘을 모듈화 하였다. 펌프는 오일러 식에 손실을 고려한 경험 근사식, 관로는 유량지연과 벽면 마찰의 영향을 고려한 운동량 방정식과 Darcy 방정식, 오리피스는 연속 방정식과 베르누이 방정식으로 모델링하였고 레이놀즈수와 직경 비에 대한 근사식으로 배출 계수를 구하였다. 제어 밸브는 면적이 변하는 오리피스로 모델링하였고 구동신호에 따른 개도율 변화는 1차 전달 함수를 사용하였다. 인젝터 및 재생냉각채널은 단순 압력강하기구로 간주하여 오리피스로 모델링하였고 실험을 통해 배출계수를 구하였다. 제어 알고리즘은 밸브 목표개도(Set-Point)와 라인 별 PI제어 기법을 사용하여 제어 모드 별 목표 유량 및 유량 비에 안정적으로 수렴하도록 설계하였다. Set-Point는 목표 유량 및 유량 비를 갖는 밸브 개도이며 실험을 통해 찾는다. 연구결과 엔진모사 수류실험장치에 대해 PI제어와 목표개도 기법을 사용한 제어 알고리즘의 유효성을 검증하였고 동적 성능 예측 프로그램의 실용성을 확인하였다. 연구를 통해 검증된 제어인자 및 동적 성능 설계인자는 국내 엔진 시스템 설계 및 제어시스템 개발에 직접 활용 될 수 있을 것이다.
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