This thesis represents the scheme for guidance and control algorithm of terminal normal shock for ramjet engine supercritical operation. The ramjet engine is air-breathing engine for supersonic flight, it compress the incoming air via its own shape without extra facilities for compression. Incoming air flow goes through the thread of oblique shocks and finally decelerated to subsonic flow after a terminal normal shock. The position and its strength of the terminal normal shock are regarded as one of the most significant factors to evaluate engine’s efficiency.
General operation of the engine may undergo through ambient disturbances which are from freestream and engine’s combustor. The disturbances alter the shock equilibrium, which cause the arbitrary variation of the shock location. As a result, the terminal shock may fall in an abnormal operation called buzz or unstart, as the shock are pulled out of engine’s intake exceeding the diffuser throat.
In this thesis, the way to find optimal position of the shock is firstly studied for high efficient and stable operation of the engine. The scheme to determine optimal position is used as one possible methodology to design a guidance law. And then, the shock is guided to designated position and regulated at that point via shock position control algorithm. The details for guidance and control of the terminal shock to guarantee to hold the shock in a preferred region under the perturbations take our main part. Also, an approach is introduced to stabilize the shock under Mach number control of ramjet powered vehicle as addressing engine’s internal dynamics and the response characteristics of the shock.
본 논문은 램제트 엔진의 초임계 운전을 위한 종말 수직 충격파 위치의 유도 및 제어에 대한 연구이다. 램제트 엔진은 초음속 비행에서 작동 가능한 공기 흡입식 엔진이며 들어오는 공기는 압축기 등의 별도의 장비 없이 자연발생적인 충격파들에 의해 압축되어 연소기로 들어오게 된다. 흡입 공기는 흡입구에서 다수의 경사충격파를 거친 후 종말 수직 충격파를 거쳐서 아음속으로 감속 및 압축되는데 종말 수직 충격파 위치는 엔진의 안정성과 효율성을 대변할 수 있는 주요 변수이다.
본 연구에서는 비행도중 발생할 수 있는 다양한 외란 상황들에 대한 운영상의 마진을 확보하고, 이를 고려함과 동시에 최적의 효율을 발생시킬 수 있는 위치를 찾아내어 종말 수직 충격파를 유도하고 유도된 명령을 따라가도록 충격파를 제어하기 위한 연구내용을 포함한다. 고려되는 외란 하에서 충격파의 변위를 해석적/수치적으로 분석하여 엔진이 가장 효율적이면서도 안정적인 운영을 위한 충격파 위치 마진을 도출할 수 있다. 더 나아가, 수식적인 유도과정을 통해서 비행조건에 따른 실시간 충격파 위치 마진을 계산하여 충격파가 지속적으로 안정적인 위치로 유도될 수 있도록 하는 알고리듬이 고려된다. 또한, 매우 복잡한 엔진 역학적 불확실성 속에서도, 충격파 위치 제어 알고리듬은 엔진의 연소실 조건 및 제어알고리듬에 의한 충격파의 과도 응답이 항상 만족할 만한 범위 내에 있음이 보장될 수 있도록 설계되었다. 최종적으로, 엔진 내부 동역학 및 충격파 위치 응답 특성의 정보를 이용한 램제트 엔진 미사일의 마하수 제어를 위한 접근법을 소개하고 있다.
본 연구를 통해 램제트 엔진이 실제 운영에서 직면하는 전반적인 시스템 특성을 확인할 있다. 또한, 본 연구에서 제시된 충격파 위치의 유도 및 제어 알고리듬은 엔진이 지속적으로 최적의 조건에서 운영될 수 있도록 하는 하나의 사전 연구로써 그 가치가 있다고 사료된다.
