Monopropellant thrusters have been widely used for the attitude control in pulse mode for a satellite or a manned spacecraft. Fast response characteristic is a principal performance factor when it is operated in pulse mode. Almost all the elements of thruster, such as propellant feeding system, catalyst bed, and pressure chamber, exert an influence on response time of thruster. Above all, it is empirically known that dribble volume, the volume between injector face and propellant supply valve, is closely related with response characteristics. However, even though several researches have been conducted respectively on response time and dribble volume, there were no systematic researches on dribble volume with respect to response time. Therefore, this thesis describes an experimental research about a correlation between dribble volume and response characteristics. Experiment was conducted on the reference thruster. A reference thruster is designed for optimizing response time based on previous studies to investigate an implication of dribble volume. A 100 N class hydrogen peroxide monopropellant reference thruster was used.
Dribble volume consists of two parts; propellant feed line volume, manifold volume. The effect of manifold volume with respect to response characteristics was verified by comparing the experiment sets which have branch type manifold or cylinder type manifold. A branch type manifold minimizes flow channels volume in order to eliminate superfluous manifold volume of a cylinder type manifold. On the other hand, the effect of feed line volume to response time was also evaluated by controlling a pipe length between propellant feeding valve and injector. Considering heat transfer from the thruster, a certain length of a propellant feeding line is required. An experiment was conducted to measure the temperature profiles of the several points of the feeding line from the monopropellant thruster with constant displacement. The distance from thruster to solenoid valve was determined by the temperature profile on the criteria of performance degradation of solenoid valve and thermal decomposition of the propellant.
The experiment was conducted with three combinations of test condition, and each experimental set-up was highlighted for propellant feed line volume and manifold volume in the whole dribble volume. Consequently, minimized injector manifold and manifold volumes improved all elements of response characteristics: ignition delay, rising time, and tail-off time. The improvement of response characteristics in the first pulse was more remarkable than the pulses which were reached to designed chamber pressure.
단일추진제 추력기는 인공 위성 또는 우주선의 자세 제어에 널리 이용된다. 이 때 추력기는 주로 펄스 모드로 작동하게 되는데 정밀하고 신속한 제어를 위해 추력기의 응답 특성은 중요한 성능 평가 요소라 할 수 있다. 추력기 시스템을 구성하는 추진제 공급 시스템, 촉매 반응기, 챔버 등 대부분의 요소는 추력기의 응답 특성에 영향을 미친다. 특히 추진제 공급 밸브에서부터 인젝터 면에 이르는 공급 계통 내의 부피를 일컫는 드리블 볼륨은 경험적으로 응답 특성과 밀접한 관계가 있다고 알려져 있다. 드리블 볼륨이 추력기에 미치는 영향에 관한 연구나 성능 평가 요소로써 응답 특성에 관한 연구는 일부 진행된 바 있으나, 이 두 가지 요소의 상호 관계에 대한 연구는 다소 미흡하게 진행되었다. 따라서, 본 논문에서는 응답 특성과 드리블 볼륨 간의 관계에 대한 필요성을 인식하고 이를 실험을 통해 다루었다. 기준 추력기를 통해 실험을 수행하였는데, 기준 추력기는 기존의 연구에서 밝혀진 최적의 응답 특성을 나타내는 조건을 갖도록 설계 되었으며 이를 통해 드리블 볼륨의 영향을 보다 명확하게 확인 할 수 있다. 기준 추력기는 90 wt.% 과산화수소를 추진제로 이용하며 100 N의 진공 추력을 갖도록 설계하였다.
드리블 볼륨은 추진제 공급관의 부피와 매니폴드의 부피로 구성되어 있다. 매니폴드의 부피가 응답 특성에 대해 미치는 영향은 가지형 매니폴드와 원통형 매니폴드를 각각 장치한 실험 세트의 실험 결과의 비교를 통해 확인하였다. 가지형 매니폴드는 기존에 샤워헤드 인젝터에 주로 사용되는 원통형 매니폴드에서 잉여의 부피를 제거하여 최소화된 매니폴드 부피를 갖도록 설계 하였다. 또한 추진제 공급관의 부피는 밸브와 인젝터 사이의 거리를 변화 시켜 조절하였으며, 이를 통해 추진제 공급관의 부피가 응답 특성에 미치는 영향을 볼 수 있다. 추진제 공급관의 길이는 짧을수록 드리블 볼륨의 최소화 측면에서 유리하나 추력기에서 밸브로의 열전달이 밸브 성능과 구조에 영향을 미치기 때문에 이를 고려하기 위한 실험을 수행하였다. 추력기로부터 일정한 간격을 두고 추진제 공급관에서 시간에 따른 온도 분포를 얻었다. 실험을 통해 얻은 온도 분포를 솔레노이드 밸브의 성능 감소와 추진제의 열분해 정도를 고려하여 평가하고 이에 따라 밸브와 추력기 간의 최적의 거리를 정하였다.
매니폴드의 형상과 추진제 공급관의 길이를 변화 시킨 세 가지 실험 조건에 대해 실험을 수행하였으며, 각각의 실험 조건은 전체 드리블 볼륨 중 매니폴드의 부피와 추진제 공급관의 부피가 응답 특성에 미치는 영향을 살펴보기에 적합하도록 구성되었다. 실험 결과 최소화된 드리블 볼륨의 부피는 다른 실험 조건들에 비해 점화 지연, 압력 상승 시간, 압력 하강 시간 등 응답 특성에서 향상된 결과를 나타냈으며, 냉시동 후 첫 번째 펄스에서의 응답 특성의 향상 정도가 챔버 압력이 정상 상태에 이르렀을 때의 응답 특성의 향상 정도에 비해 두드러짐을 확인하였다.
