500N급 초소형 Expansion-Deflection 노즐 설계

초록

최근 발사체 시장은 뉴스페이스 시대를 맞이하여 많 은 수의 우주발사체들이 개발되고 있다. 특히 SpaceX 의 Falcon9 발사체를 필두로, 발사체의 민간시장이 개 척되면서 정부뿐만 아니라 민간 주도의 발사체 개발이 많이 이루어지고 있다. 이러한 변화는 우주발사체 시 장에도 일종의 경쟁 체재를 만들게 되었고, 이에 따라 최근 우주발사체의 개발 트랜드는 주로 발사체의 경제 적 효율성에 초점을 맞추어 개발이 진행되고 있다[1]. 발사체의 성능 및 효율 증가에는 여러 방법이 있는 데, 그 중 ED 노즐은 상단 엔진의 성능 증가를 위한 방법 중 하나이다. Expansion-Deflection 노즐(ED 노 즐)은 Fig 1.과 같이 노즐 내부에 핀틀과 같은 구조물 을 두어 일반적인 벨형 노즐과 다른 내부 유동을 가지 는 노즐이다. 노즐 내부의 핀틀은 노즐 내부 유동을 급격하게 굴절시켜 핀틀 후단에 빈 공간을 만들어내 고, 이 공간이 대기와 연결되어 고도에 따라 다른 압 력을 가지게 된다. 하지만, ED 노즐의 가장 큰 장점은 위에서 언급한 고도 보상 효과가 아닌 노즐의 단축 효과에 있다. Fig. 1.과 같이, ED 노즐은 노즐 목에서의 급격한 굴절각을 바탕으로 일반적인 벨형 노즐에 비해 짧은 팽창부를 가지게 설계된다. 노즐 팽창부의 단축은 노즐 무게의 감소로 이어지고, 이에 따라 발사체의 구조 질량의 감 소 효과를 얻게 된다. 이런 ED 노즐의 장점은 노즐 팽 창비가 큰 상단 노즐에서 효과가 두드러지게 나타나며, 이에 따라 ED 노즐은 상단 엔진에 적합한 구조임을 알 수 있다. 본 연구에서는 고고도 환경에서의 ED 노즐을 설계 기법을 정리하고 설계 변수에 따른 추력 성능 변화를 확인하였다. 또한 전산해석을 통해 ED 노즐의 팽창비 변화와 고도 변화에 따른 추력 성능 변화를 확인하였다.