추력 단계 변화에 따른 전단 동축형 분사기들의 분무 및 연소 특성

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 협동과정 지능형우주항공시스템전공, 2024. 2. 윤영빈.최근 Space X사의 Falcon 9과 blue origin사의 New shepard 같은 재사용 발사체들이 비행 후 다시 착륙해 재사용이 가능해지며, 액체 로켓 엔진 개발에서 재사용을 위한 기술이 큰 관심을 받고 있다. 재사용 발사체는 로켓 발사에서 가장 큰 비용을 차지하는 발사체의 재사용을 통해 비용을 절감하는 발사체로, 이를 위해서는 회수되는 발사체의 착륙 시 발사체 재착륙을 위한 소프트 랜딩 기술이 중요하다. 소프트 랜딩은 발사체 엔진의 추력을 제어해 이루어 지기 때문에 최근 액체 로켓 엔진에 추력제어 기술을 적용하기 위한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 액체 로켓 엔진에서 분사기는 엔진에서 추진제를 분사하고 연소시켜 추력을 발생시키는 역할을 담당하여 액체 로켓 엔진의 추력제어 기술에서 핵심적인 역할을 수행한다. 그 중 전단 동축형 분사기는 축대칭 형상의 이원 추진제 분사기의 일종으로 간단한 구조와 검증된 분사기 성능으로 액체 로켓 엔진에 가장 많이 사용되는 분사기이다. 하지만 전단 동축형 분사기에 추력제어 기술을 적용한 그 동안의 연구개발 사례들은 수소를 연료로 사용했거나, 그 개발 과정 혹은 사용된 분사기들에 대한 세부 정보가 상세하게 공개되는 경우가 적었다. 따라서 메탄을 연료로 사용하는 전단 동축형 분사기에 추력제어 기술을 적용해 deep throttling(5:1) 시 어떠한 특성을 보이는지 연구해야 할 필요가 있다. 따라서 본 연구는 3톤급 메탄 로켓 엔진에 사용되는 전단 동축형 분사기들에 대하여, 분사기 형상에 따른 추력 제어에 따른 성능을 분석하였다. 리세스 길이와 산화제 테이퍼 각도를 형상변수로 하여 총 4가지 타입의 분사기를 제작하였고, 100 %에서 20 %까지의 단계적인 추력에 따른 분무 특성과 연소 특성을 비교 및 분석하였다. 분무 특성은 실험으로 기체 메탄을 공기, 액체산소를 물로 모사하고 운동량비를 상사조건으로 상압 수류실험을 통해 분석되었으며, Back-light 기법을 통한 분무 이미지를 분석하여 Dark core length와 SMD를 측정하였다. 그리고 연소 특성은 상용 프로그램인 ANSYS Fluent로 단일 인젝터 연소기 연소 전산해석을 통해 예측하였으며, 연소실 압력, 특성속도, 분사 운동량비, 그리고 화염형상을 지표로 분석되었다. 그 결과 전단 동축형 분사기의 리세스 길이와 산화제 테이퍼 각도와 같은 분사기의 형상이 분무 및 연소 특성에 미치는 영향을 확인했다. 또한 분사기 수류실험 결과와 연소 전산해석 결과가 상관관계가 있음을 확인하였다. 본 연구는 전단 동축형 분사기를 적용한 추력 제어용 메탄 로켓 엔진을 위한 효과적인 분사기 설계의 기초자료로서 이용될 것으로 기대된다. 또한 대한민국 국군의 우주자산 투사를 위한 우주 발사체와 재사용 발사체의 추진기관 연구에 활용한다면, 대한민국 국군의 우주투사 능력 향상에 기여할 수 있을 것이다.In recent years, there has been a growing interest in the implementation of throttling technology for liquid rocket engines. This interest has particularly arisen with the advent of reusable launch vehicles such as SpaceXs Falcon 9 and Blue Origins New Shepard, which have been designed to reduce costs by returning to Earth and being reused. To enable these vehicles to achieve their objectives, soft landing technology that regulates the rocket engine's thrust has become necessary. The injector constitutes a vital component of the thrust control technology. It operates by spraying and igniting the propellant, generating the required thrust. Due to its simple design and proven performance, the shear coaxial injector has emerged as the most commonly employed type of bipropellant injector in liquid rocket engines. However, limited information is available about applying thrust control technology to shear coaxial injectors utilizing methane as fuel. Consequently, there is a need to explore the characteristics of applying thrust control technology to this type of injector during deep throttling (5:1). This study analyzed the thrust control performance of shear coaxial injectors for a 3-ton methane rocket engine. Four types of injectors were produced, with recess length and oxidizer taper angle as shape variables. The spray and combustion characteristics were analyzed at various thrust levels, ranging from 100 % to 20 %. Spray characteristics were analyzed using atmospheric flow experiments that simulated gaseous methane with air and liquid oxygen with water. The backlight technique measured the dark core length and SMD from the spray image. Combustion characteristics were predicted through computational analysis of a single injector combustor using the commercial program ANSYS Fluent. The analysis included the evaluation of combustion chamber pressure, characteristic velocity, spray momentum flux ratio, and flame configuration. This study is expected to be used as basic data for effectively designing a shear coaxial injector for a variable thrust engine. In addition, if it is utilized in the research on the rocket engine propulsion of space launch vehicles and reusable launch vehicles for the projection of space assets of the Republic of Korea Armed Forces, it could contribute to enhancing the space force projection of the Republic of Korea Armed Forces.Chapter 1. Introduction １ 1.1. Background １ 1.2. Overview of previous works ６ 1.3. Objectives ８ Chapter 2. Experiment Apparatus and conditions ９ 2.1. Shear coaxial injector design ９ 2.2. Experimental condition and setting . １２ 2.3. Spray characteristics measurement . １５ Chapter 3. Numerical simulation conditions １７ 3.1. Benchmark case and validation . １７ 3.2. Combustor Modeling and setting . ２１ Chapter 4. Results and discussion ２５ 4.1. Spray characteristics ２５ 4.1.1 Dark core length ２６ 4.1.2 Sauter Mean Diameter (SMD) . ２８ iv 4.2. Combustion characteristics ３２ 4.2.1 Chamber pressure ３３ 4.2.2 Characteristics velocity( ) . ３５ 4.2.3 Momentum flux ratio (J) . ３８ 4.2.4 Flame configuration ４２ 4.2.5 Oxidizer overcooling . ４４ Chapter 5. Conclusion ４７ References ４９ Abstract in Korean ５４ v석

The Production of Experimental Exophthalmos in Gold Fish

Gold fish (Carassius auratus, var. japonicus) were used for the demonstration of the exophthalmos-producing substance in the serum of a patient suffering from thyrotoxicosis with exophthalmos. The exophthalmic response of the fish was determined by measuring the intercorneal distance by the use of a micrometer before and after the injections of test materials, and the percentage change in that distance was calculated. The responsiveness of the fish was partly controlled by the injections of normal saline. normal human serum. and commercially prepared anterior pituitary hormone with and without prednisolone added. The normal saline injection did not provoke any resonse in fish. The normal human serum produced transient enophthalmos. whereas the serum from a patient suffering from toxic goiter with exophthalmos produced definite exophthalmos. The anterior pituitary hormone elicited marked exophthalmic response. There was no correlation between the degree of response and the dosage level of the hormone used. Addition of prednisolone to this hormone preparation seemed to inhibit the exophthalmogenic effect of the anterior pituitary hormone. This method of the production of experimental exophthalmos in gold fish might be used for the demonstration of the exophthalmos-producing substance in the serum of the exophthalmic patient

Design space exploration for sparse GEMM acceleration in RISC-V based embedded systems

학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부, 2022.2,[iii, 23 p. :]최근 엣지 컴퓨팅(edge computing)이 주목을 받으면서 희소 행렬(sparse matrix)의 곱 연산의 활용 범위도 중앙화된 데이터센터 내 서버를 넘어 사용자와 거리가 가까운 엣지 클라우드 혹은 엣지 디바이스로 넓어질 것으로 기대되고 있다. 이를 지원하기 위한 임베디드 시스템의 개발에서 새롭게 떠오르고 있는 명령어 세트인 리스크 파이브(RISC-V)는 누구나 자유롭게 쓸 수 있다는 점과 빠른 시장 대응 능력을 바탕으로 대안으로 주목받고 있다. 본 학위논문에서는 RISC-V 시스템 내에 존재하는 코-프로세서(coprocessor)와의 인터페이스를 활용하여 설계한 희소 행렬의 곱 연산 가속기의 가능성과 한계점에 대해 분석하고 이를 발전시킬 수 있는 방향에 대해 다루고자 한다.한국과학기술원 :전기및전자공학부