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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 최주호
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수9
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최근 항공우주 분야 및 국방 분야의 산업이 발전함에 따라 더욱 각광받고 있는 고체로켓 모터 (Solid Rocket Motor, SRMs)는 다른 로켓 추진 기관에 비해서 상대적으로 높은 추력, 단순한 구조, 저렴한 개발 비용 등의 장점을 가지고 있다. 이 때문에 특히 국방 분야에서 군사용 미사일이나 발사체의 부스터, 2단 추진 기관 등으로 사용되고 있다. 그러나 일반적인 로켓 모터의 작동 환경이 3000K이상의 고온 / 80 bar 이상의 고압이고, 한번 점화가 시작되면 연소의 중단 · 제어가 불가능한 단점이 존재한다. 이로 인해 작동 조건의 변화가 발생하거나 작은 결함이 발생하는 경우 내압으로 인한 여러 가지 고장이 발생하고, 로켓 시스템 전체의 소실이 발생할 수도 있기 때문에 신뢰도 예측은 필수적이다.
본 연구에서는 로켓 모터의 고장모드를 정의하고 정확하고 효율적인 신뢰도 예측을 수행하는 프로세스에 관하여 연구하였다. 이를 위해 가장 먼저 로켓 모터에서 발생하는 5가지 고장모드를 다음과 같이 정의하였다. : 1) 케이스에 발생하는 응력으로 인한 파괴, 2) 케이스에 발생한 균열로 인한 파괴, 3) 체결 볼트에 발생하는 응력으로 인한 체결 부 파손, 4) O-ring 기밀 실패로 인한 연소가스 누설, 5) 연소 시 발생하는 열응력으로 인한 추진제 접착 분리. 여기서, 로켓 모터 내부에서 연소 시 발생하는 압력을 계산하기 위해 확률기반 연소모델을 정립하여 최대작동압력 (Maximum Expected Operating Pressure, MEOP)을 계산하여 고장확률 계산 및 응력해석에 적용하였다. 케이스의 응력 및 접촉해석은 유한요소해석을 통해 수행되었으며, 도출된 응력은 MEOP와 마찬가지로 고장확률 계산에 적용하였다.
다음으로, 앞서 계산된 결과와 한계상태방정식 (Limit State Function)에 신뢰도 예측 기법을 적용하여 고장확률 예측을 수행하였다. 신뢰도 예측을 수행하기 위해 기존에 사용되고 있는 6개의 기법 (MVFOSM (Mean Value First-Order Second-Moment), AFOSM (Advanced First-Order Second-Moment), FORM (First Order Reliability Method) 등)을 적용하였으며, FORM과 MPP (Most Probable Failure Point)를 중심으로 구축된 반응표면, 중요도 추출법 (Importance Sampling, IS)을 적용하여 이전의 기법들보다 효율적이고 정확한 신뢰도 예측을 수행한 사례를 제시하였다. 계산된 결과는 상용 소프트웨어인 NESSUS의 결과와 비교를 통해 정확성 · 효율성 검증을 수행하였으며, 기존 문헌에 다른 예제를 수행하여 추가적인 검증을 수행하였다. 또한, 계산된 결과가 실제 결과와 유사한 결과를 나타내는지 입증하기 위하여 기존 연구 문헌에 제시된 결과와 비교 · 입증을 수행하였다.
본 연구에서는 로켓 모터의 고장모드를 정의하고 정확하고 효율적인 신뢰도 예측을 수행하는 프로세스에 관하여 연구하였다. 이를 위해 가장 먼저 로켓 모터에서 발생하는 5가지 고장모드를 다음과 같이 정의하였다. : 1) 케이스에 발생하는 응력으로 인한 파괴, 2) 케이스에 발생한 균열로 인한 파괴, 3) 체결 볼트에 발생하는 응력으로 인한 체결 부 파손, 4) O-ring 기밀 실패로 인한 연소가스 누설, 5) 연소 시 발생하는 열응력으로 인한 추진제 접착 분리. 여기서, 로켓 모터 내부에서 연소 시 발생하는 압력을 계산하기 위해 확률기반 연소모델을 정립하여 최대작동압력 (Maximum Expected Operating Pressure, MEOP)을 계산하여 고장확률 계산 및 응력해석에 적용하였다. 케이스의 응력 및 접촉해석은 유한요소해석을 통해 수행되었으며, 도출된 응력은 MEOP와 마찬가지로 고장확률 계산에 적용하였다.
다음으로, 앞서 계산된 결과와 한계상태방정식 (Limit State Function)에 신뢰도 예측 기법을 적용하여 고장확률 예측을 수행하였다. 신뢰도 예측을 수행하기 위해 기존에 사용되고 있는 6개의 기법 (MVFOSM (Mean Value First-Order Second-Moment), AFOSM (Advanced First-Order Second-Moment), FORM (First Order Reliability Method) 등)을 적용하였으며, FORM과 MPP (Most Probable Failure Point)를 중심으로 구축된 반응표면, 중요도 추출법 (Importance Sampling, IS)을 적용하여 이전의 기법들보다 효율적이고 정확한 신뢰도 예측을 수행한 사례를 제시하였다. 계산된 결과는 상용 소프트웨어인 NESSUS의 결과와 비교를 통해 정확성 · 효율성 검증을 수행하였으며, 기존 문헌에 다른 예제를 수행하여 추가적인 검증을 수행하였다. 또한, 계산된 결과가 실제 결과와 유사한 결과를 나타내는지 입증하기 위하여 기존 연구 문헌에 제시된 결과와 비교 · 입증을 수행하였다.
목차
요 약 ⅰ목 차 ⅲ그 림 목 록 ⅴ표 목 록 ⅶ기 호 목 록 ⅷ제 1 장 서론 11.1 연구 배경 11.2 연구 목적 1제 2 장 신뢰도 예측 절차 52.1 신뢰도 예측 절차 52.2 신뢰도 예측 기법 82.2.1 MVFOSM (Mean Value First-Order Second-Moment) 82.2.2 AFOSM (Advanced First-Order Second-Moment) 92.2.3 FORM (First-Order Reliability Method) 112.2.4 SORM (Second-Order Reliability Method) 122.2.5 중요도 추출법 (Importance Sampling) 142.2.6 MPP 기반 Importance Sampling (ISMPP) 152.2.7 MCMC 샘플링 (Markov Chain Monte Carlo Sampling) 15제 3 장 고체로켓 모터 신뢰도 예측 183.1 고체로켓 모터의 구조 183.2 고체로켓 모터의 고장모드 (Failure Mode) 선정 203.3 고체로켓 모터의 연소해석 모델링 223.3.1 고체로켓 모터의 연소 해석 223.3.2 입력변수 선정 및 MEOP 확률분포 도출 233.4 고체로켓 모터의 고장확률 예측 263.4.1 케이스 응력파괴 (Rupture) 및 균열파괴 273.4.2 볼트 체결 부 파손 303.4.3 O-ring 기밀 누설 353.4.4 추진제 접착 불량 37제 4 장 신뢰도 예측 검증 및 입증 414.1 신뢰도 예측 기법 검증 414.1.1 고체로켓 고장 문제를 통한 기법 검증 414.1.2 NESSUS의 수행예제를 통한 검증 424.2 고장함수 검증 및 입증 464.2.1 문헌을 이용한 고장함수 검증 및 입증 46제 5 장 결론 49Reference 50Acknowledge 53
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