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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 李鍾光
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 한밭대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수6
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MEMS 고체 추진제 추력기의 성능 예측을 위하여 수치해석을 실시하였다. 해석에 필요한 마이크로 추력기는 KAIST의 1차원 등엔트로피 내탄도 모델을 통해 설계된 MEMS 고체 추진제 추력기를 사용하였으며, 마이크로 노즐의 사양은 노즐 목 지름이 416 μm, 면적비가 1.85이었다. 내탄도 모델을 이용하여 수행한 마이크로 추력기의 성능예측 결과, 노즐의 챔버압력은 최대 197 bar까지 상승하였으며, 최대추력은 3836 mN, 총역적은 0.4205 mN·s이었다.
KAIST에서 수행한 1차원 등엔트로피 내탄도 모델의 결과와 비교하여 추력기의 성능저하 요인을 파악하고, 추력기의 성능을 예측하기 위해 두 가지 CFD모델을 설계하였다. 하나는 점성효과를 고려한 단열모델이며 다른 하나는 점성효과와 열손실을 모두 고려한 열손실모델이다. 비정상상태 CFD 해석 결과, 단열모델은 최대추력이 3264 mN이었으며 총역적은 0.3578 mN·s이었다. 또한 열손실모델의 경우 최대추력이 3242 mN이었으며 총역적은 0.3557 mN·s이었다. 열손실모델의 최대추력은 내탄도 모델에 비해 15.49% 낮았으며, 순수열손실에 의한 추력손실은 0.66%이었다.
비정상상태 해석에서 확인된 추력손실 요인의 분석을 위해 정상상태 해석을 추가적으로 실시하였다. 정상상태해석 시 노즐 벽의 물성을 변경하여 열전도도에 따른 추력손실의 변화를 파악하였으며, 작동유체에 따른 결과변화를 확인하기 위해 공기를 작동유체로 한 정상상태해석을 추가적으로 수행하였다. 마지막으로 정상, 비정상상태 해석을 통해 마이크로 추력기의 성능예측을 위한 해석기법을 확립하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 논문에서 사용된 마이크로 추력기는 열손실에 의한 추력손실의 영향이 매우 낮았으며, 점성효과에 의한 추력감소가 지배적이었다. 이는 추진제의 짧은 점화시간 때문이다. 그렇기 때문에 추가적으로 내부 열전달의 시간에 대한 고려가 충분히 확보된 정상상태 해석을 통하여 노즐 벽에 의한 열손실이 추력에 미치는 영향을 다시 한 번 확인하였다. 그 결과, 내부 열전달에 대한 시간을 충분히 고려했음에도 불구하고 노즐 벽을 통한 열손실이 추력에 미치는 영향은 비정상상태 해석과 마찬가지로 매우 미미하였음을 확인하였으며, 점성에 의한 영향이 마이크로 추력기의 추력손실을 유발하는 가장 주요한 원인임을 다시 한 번 확인하였다. 이를 통해 큰 표면적 대 체적비를 갖는 마이크로 스케일에서도 매크로 스케일과 같이 열손실에 의한 추력손실의 영향은 미미함을 검증하였다.
KAIST에서 수행한 1차원 등엔트로피 내탄도 모델의 결과와 비교하여 추력기의 성능저하 요인을 파악하고, 추력기의 성능을 예측하기 위해 두 가지 CFD모델을 설계하였다. 하나는 점성효과를 고려한 단열모델이며 다른 하나는 점성효과와 열손실을 모두 고려한 열손실모델이다. 비정상상태 CFD 해석 결과, 단열모델은 최대추력이 3264 mN이었으며 총역적은 0.3578 mN·s이었다. 또한 열손실모델의 경우 최대추력이 3242 mN이었으며 총역적은 0.3557 mN·s이었다. 열손실모델의 최대추력은 내탄도 모델에 비해 15.49% 낮았으며, 순수열손실에 의한 추력손실은 0.66%이었다.
비정상상태 해석에서 확인된 추력손실 요인의 분석을 위해 정상상태 해석을 추가적으로 실시하였다. 정상상태해석 시 노즐 벽의 물성을 변경하여 열전도도에 따른 추력손실의 변화를 파악하였으며, 작동유체에 따른 결과변화를 확인하기 위해 공기를 작동유체로 한 정상상태해석을 추가적으로 수행하였다. 마지막으로 정상, 비정상상태 해석을 통해 마이크로 추력기의 성능예측을 위한 해석기법을 확립하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 논문에서 사용된 마이크로 추력기는 열손실에 의한 추력손실의 영향이 매우 낮았으며, 점성효과에 의한 추력감소가 지배적이었다. 이는 추진제의 짧은 점화시간 때문이다. 그렇기 때문에 추가적으로 내부 열전달의 시간에 대한 고려가 충분히 확보된 정상상태 해석을 통하여 노즐 벽에 의한 열손실이 추력에 미치는 영향을 다시 한 번 확인하였다. 그 결과, 내부 열전달에 대한 시간을 충분히 고려했음에도 불구하고 노즐 벽을 통한 열손실이 추력에 미치는 영향은 비정상상태 해석과 마찬가지로 매우 미미하였음을 확인하였으며, 점성에 의한 영향이 마이크로 추력기의 추력손실을 유발하는 가장 주요한 원인임을 다시 한 번 확인하였다. 이를 통해 큰 표면적 대 체적비를 갖는 마이크로 스케일에서도 매크로 스케일과 같이 열손실에 의한 추력손실의 영향은 미미함을 검증하였다.
목차
목 차List of Tables ⅲList of Figures ⅳNomenclature ⅴ국문요약 ⅵⅠ. 서 론 11-1. 연구배경 11-2. 국내외 개발동향 41-3. 연구목적 및 범위 61-4. KAIST의 MEMS 고체 추진제 추력기 81-4-1. 내탄도 모델을 통한 마이크로 추력기 설계 81-4-2. 내탄도 모델을 통한 마이크로 추력기 성능예측 결과 10Ⅱ. CFD를 통한 마이크로 추력기 해석 152-1. 수치해석 방법 152-2. 격자모델 및 경계조건, 해석전략 16Ⅲ. CFD 해석 결과 203-1. 단열모델의 비정상상태 해석 203-2. 열손실모델의 비정상상태 해석 203-3. 추력손실요인 분석 213-3-1. 점성효과와 열손실 효과 비교 213-3-2. 정상상태 CFD 해석 결과 및 분석 22Ⅳ. 결론 및 요약 33Ⅴ. 참고문헌 35ABSTRACT 38
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