고체 로켓 모타 내의 연소현상에 관한 수치해석

Abstract

20세기 초 세계대전에서 본격적으로 사용된 고체로켓은 군사적인 용도는 물론 우주 탐험을 위한 목적으로도 활용되면서 많은 연구와 실험들이 이루어 지고 있다. 고체로켓은 구조가 단순하고 추력대 질량비가 높아 단시간에 커다란 추력을 얻을 수 있고 작동이 간편하고 운용성이 좋다는 큰 장점을 가지고 있다. 이러한 이유로 고체로켓은 전술무기와 대륙간 탄도유도탄(ICBM) 등에 사용되고 있다. 또한 우주 발사체의 경우 일반적으로 액체로켓과 고체로켓으로 이루어지는데, 최근 위성통신분야의 발달로 이들 위성을 운반할 발사체의 수요가 증가하고 있는 상황이며, 특히 국내에선 나로호 발사를 계기로 독자적인 기술을 확보하기 위해 많은 연구가 수행중에 있다. 이와 같이 고체 로켓은 군사용, 과학용으로의 활용이 필수적이지만 로켓 모타 내부의 유동은 노즐 목을 통과하기 전의 아음속 영역과 노즐 목을 통과한 후의 초음속 영역이 공존하게 된다. 이러한 상황을 수치해석으로 묘사할 경우 비압축성과 압축성의 차이로 인해 수렴성이 악화되어 원하는 결과를 얻기가 어렵다. 또한, 고체 로켓 모타 내부 연소실은 추진제의 종류 및 형상에 따라 시간이 지나면서 내부 형상이 복잡하게 변화하며 특히 고배압 하에서 분출되는 노즐 유동은 여러 형태의 충격파를 동반하는 복잡한 유동장을 형성한다. 신뢰도 높은 로켓 모터를 지향하면서 이의 성능치를 보다 정확히 예측해내기 위해서는 로켓 모터 내부의 연소양상과 유동장을 정확히 예측해 내는 것이 필수적이다. 이에 연소반응과 결합된 로켓 모타 내부 유동해석으로 연소실과 고배압 하 노즐 내부에서 발생되는 각종 손실량을 정량적으로 정확히 예측하고자 예조건화 (preconditioning), 이동격자(moving mesh) 및 침식연소(erosive burning)를 고려한 유동해석 기법에 대해 연구하고자 하였다.