MOC 기법을 이용한 액체로켓엔진 공급시스템의 M&S 코드 개발

초록

액체로켓엔진 공급시스템의 주목적은 엔진의 운용 및 안정적인 임무 수행이 가능하도록 산화제와 연료를 공급하는 것이다. 따라서 해당 과정에서 시스템의 불안정성을 유발하는 요인을 최소화하면서 요구 조건을 만족하도록 설계되어야 한다. 이를 위해 공급시스템의 Modeling&Simulation(M&S) 이 설계 전 과정에 필수적이다. M&S를 통해 엔진의 개발 가능성 판별, 성능 예측 등이 가능하므로 효율적인 개발이 가능하다. 본 연구에서는 시스템의 각 구성요소를 수학적으로 모델링하고 Method of Characteristics(MOC) 기법을 적용하여 M&S 코드를 개발하였다. 탱크, 관, 펌프, 밸브의 모델링을 수행하고 구성요소를 MOC의 경계조건으로 적용하였다. 또한 검증을 위해 공급시스템을 모사한 수류 시험 장치를 이용하여 실험을 수행하였다. 실험은 정적 실험과 동적 실험 두 가지로 진행하였다. 정적 실험의 경우, 전체 실험 시간 동안 밸브가 작동하지 않으므로 압력이 일정 상태를 유지한다. 동적 실험은 두 가지로 분류하였다. 두 실험 모두 시간에 따른 밸브의 개도 변화가 있으나 작동시간에 차이가 있다. 첫 번째는 밸브의 작동시간이 충분히 길어 압력의 오버슈트 현상이 없다. 하지만 두 번째는 밸브의 작동이 급격하게 이루어지므로 수격현상이 발생한다. 비정상적으로 압력이 증가한 이후, 진동이 감쇠하는 형태로 압력이 정상 상태에 도달한다. M&S 코드로 시뮬레이션을 진행하여 실험 결과와 비교를 진행하였다. 또한 상용툴을 이용한 시뮬레이션 결과를 추가하여 개발한 코드의 검증을 수행하였다. 정적 실험 및 동적 실험 모두 세 결과가 유사함을 확인함으로써 MOC 기법을 적용한 액체로켓엔진 공급시스템 M&S 코드의 유효성을 검증하였다.