하이브리드로켓실험

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하이브리드로켓실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. 실험목적
2. 실험이론
3. 실험장치
4. 실험방법
5. 실험결과 및 분석

본문내용

kgf)
O/F ratio
2.928361
0.01717
0.003636
4.722168
0.020806
140.7473
5.351788
0.031423
0.004913
6.395909
0.036336
147.2857
6.390143
0.033512
0.005635
5.947201
0.039147
163.2326
1.756319
0.013118
0.003333
3.935813
0.016451
106.7602
3.806323
0.023292
0.00424
5.493433
0.027532
138.2501
without diaphragm　
1.911975
0.017025
0.002729
6.238407
0.019754
96.79116
4.879549
0.031126
0.003995
7.791232
0.035121
138.9355
5.353455
0.034163
0.004186
8.161268
0.038349
139.598
1.612694
0.013419
0.002354
5.700441
0.015773
102.245
3.123769
0.023254
0.003345
6.95179
0.026599
117.4405
☞ 비추력은 추진제 1kg이 1초 동안 소비될 때 발생하는 추력이며 단위는 sec로 나타낸 다. 비추력의 값이 클수록 추진제의 성능은 좋다. 비추력과 O/F비와의 관계는 그래프상 으로는 특이점을 찾기가 힘들다. 다만 일반적으로 O/F비가 높으면 연료에 비해 산소의 비율이 커져서 산소의 조연성에 의해서 연소에 도움을 주게 되어 비추력도 증가한다고 볼 수 있다. 하지만, 같은 공간 안에(여기서는 연소실) 연료보다 산소의 비율이 지나치 게 높아지게 되면 잉여산소가 생기게 되고 오히려 추력이 떨어지는 현상이 발생한다. 그래서 가장 효율적인 O/F비를 연소실에 공급해주어야 이상적인 로켓설계라 할 수 있다.
(7) (특성배기속도) 계산
아래의 특성배기속도 계산식을 이용하여 특성배기속도를 구하고 O/F비에 따른 특성배기속 도 그래프를 작성하여라.
: 연소실(pre-chamber) 압력
: 노즐목 단면적(노즐목 직경 : 9mm)
: 노즐을 통해 빠져나간 추진제(산화제+연료) 질량 유량
with diaphragm
435626.1
0.020806
1332
837537
0.036336
1466.36
950703.6
0.039147
1544.956
340574.5
0.016451
1317.022
612932.1
0.027532
1416.273
without diaphragm
376523.8
0.019754
1212.609
745821.1
0.035121
1350.962
820781.7
0.038349
1361.594
287702.9
0.015773
1160.404
532048.8
0.026599
1272.522
☞ 데이터를 통해 특성배기속도는 대략 1200~1500m/s의 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 이는 마하 3.5~4.5정도의 크기를 가지는데 실험에서 배기가스가 로켓 뒤쪽으 로 분출될 때, 다이아몬드모양의 충격파가 연속적으로 형성되는 것을 통해서 확인할 수 있었다. 특성배기속도의 그래프 또한 비추력과 동일한 관점에서 분석해 볼 수 있 다. O/F비에 비례해 배기속도 또한 대체적으로 증가하는 형태를 보이는데 O/F비가 너 무 높아지면, 즉 연료의 양에 비해 산화제가 과도하게 많아지면 오히려 배기속도가 떨 어지는 현상을 보인다. 이것은 추력이 더 높은 다이아프램을 설치한 경우에 더욱 분명 하게 나타나는데, 이 결과를 통해, 배기속도와 추력은 밀접한 관계가 있는 것을 알 수 있고, 결국 적절한 O/F 비율 유지가 로켓 성능과 직결된다.
(8) 다이아프램 설치 유무에 따른 연소 특성을 설명하시오.
☞ 다이아프램은 Carbon소재로 만들어진 작은 구멍이 뚫린 기구이다. 우리는 이번 실험에서 똑같은 길이의 연료를 반으로 잘라서 가운데에 다이아프램을 설치한 경우와 절단하지 않 은 경우로 나누어 비교 실험해보았다. Carbon은 3550℃의 고온에도 녹지않을 만큼 열에 강한 소재이기 때문에 실험에 영향을 주지 않는 요소로써 비교실험이 가능했다. 다이아프 램의 내부 직경은 고체연료의 내부 직경보다 작기 때문에 산화제가 다이아프램을 지날 때 속도의 증가가 일어나게 된다. 이로 인해 다이아프램 앞쪽과 뒤쪽의 유동이 달라져 결 과적으로 난류가 발생하게 된다. 이 난류가 산화제를 고체연료의 표면과 더 활발하게 부 딪치게 만들어 주어 고체연료를 더 빨리 소모시킨다. 그리고 앞에서 정의 했듯이 후퇴율 은 단위시간당 고체연료의 소모율이므로 결과적으로 다이아프램을 설치함으로써 후퇴율을 증가 시킬 수 있다. 이 사실은 (5)번 항목에서 다이아프램을 설치하지 않았을 때보다 설치 했을 경우 그래프의 후퇴율 증가폭이 큰 것으로 확인 할 수 있다. 또한 (5)번 그래프에서 다이아프램을 설치한 경우 G값이 작아지는 것을 알 수 있는데, 이를 후퇴율과 관련지어 생각해보면 후퇴율이 높다는 것은 같은 시간에 고체 연료가 타들어간 면적이 넓어지는 것 이고 이는 식에 의해서 확인 할 수 있다. (6)번 항목에서 다이아프램 을 설치한 경우 비추력의 최대값이 160sec로 설치하지 않았을 때 보다 약 20sec증가한 것을 볼 수 있다. 비추력을 계산하는 식에서 () 질량 유량과 중력가속도가 일정한 조건에서 다이아프램 설치시의 비추력 값이 높으므로 이는 다이아프램 설치시에 추력값이 더 크다는 결과를 도출할 수 있다. 그리고 이것은 (2)번 thrust graph그래프에서 확인 가능하다. 또한 (7)번 특성배기속도는 다이아프램을 설치할 경우 더 큰 것을 알 수 있다. 식에서 노 즐의 단면적이 일정한 조건에서 과 가 변함에 따라 배기속도가 달라지게 된다. 하지 만 의 변화에 비해 의 변화는 미미하므로 가 큰 다이아프램을 설치한 경우에 더 높은 배기속도를 가지게 된다. 종합하여보면 다이아프램을 설치한 경우 후퇴율, 비추력, 배기속도 모두 증가하는 것을 알 수 있었다. 하이브리드 로켓은 보통 후퇴율이 낮은 단점 을 가지고 있는데 이를 다이아프램을 설치함으로써 후퇴율을 높여주어 성능을 향상시킬 수 있다는 사실을 알 수 있는 실험이었다.

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