1.5 액체로켓엔진의 화염불안전성에 의한 가진 특성 해석

액체로켓엔진의 경우 로켓의 비행과정에서 구조와 추진기관의 연계(interaction)에 의해 로켓의 축 방향에서 진동이 나타나는 포고현상(POGO instability)가 발생할 가능성이 있기 때문에 이를 방지하기 위한 설계가 필요하다. 로켓이 비행을 하면서 연료와 산화제를 소모하게 되어 로켓 구조의 고유진동수는 커지게 되지만 추진기관의 고유진동수는 비행조건에 따라 변화한다. 구조와 추진의 고유진동수가 비슷해지는 특정 시점에서는 양 시스템의 상호작용으로 로켓의 길이 축 방향에서 불안정성(instability)가 저주파 영역에서 나타나게 된다.

이러한 불안정성은 추진기관을 지나는 산화제와 연료의 압력이나 유량을 변화시키며, 이 변화는 연소실(chamber) 연소 성능에 영향을 주게 되어 추력(thrust force)를 변화시킨다. 이 추력은 다시 전체 로켓에 영향을 주고 그 영향은 추진기관에 전달되어 닫힌계(closed loop)를 구성하여 불안정성이 나타난다. 이러한 현상은 축방향의 진동이 놀이기구인 용수철 달린 막대(pogo stick)의 운동과 비슷하다고 하여 포고(POGO)현상이라 불린다.

이러한 진동의 폭이 커지게 되면 연소실 성능에 영향을 미쳐 연소실의 파괴나, 축방향의 진동으로 자세제어에 영향을 받아 발사궤적의 오차가 생기게 된다. 이러한 불안정성을 개발단계에서부터 예측하기 위하여 자체적으로 개발한 하이드로코드(hydrocode) 및 진동현상을 해석하는 고전적인 특성방정식(characteristic equation)을 로켓 연소실에 맞게 적용하여 수치적으로 연소실내의 진동현상을 예측 및 시뮬레이션(simulation)하기 위한 연구를 수행하고 있다

Fig. 1 Typical pogo vibration and block diagram of         Fig. 2 Instantaneous plots of pressure, heat release rate,
closed loop in pogo                                                           temperature, vorticity, and Mach number at t = 93.68 ms


Fig. 3 Pressure perturbation in SSME(Space Shuttle Main Engine) thrust chamber