In recent years, more efforts are put into developing and researching propulsion system for lander spacecraft. Pulse modulation throttling method is technically simple with high TRL and has lot of technological heritage of being used in a number of landers and is planned to be used in Korea lunar lander’s propulsion system. Prior developments and researches used Hydrazine propellant to conduct pulse modulation thrust control. However, due to their toxic nature, it has main downsides of being hazardous to operating crew and environment as well as making the operational cost expensive. In this thesis, monopropellant thruster and propulsion system using environmentally friendly Hydrogen Peroxide propellant was set and tested its effectiveness in pulse modulation throttling. It is known that operating pulse modulation throttling in a specific pulse condition increase pressure oscillation, stronger structural vibration, low-frequency combustion instability and thrust oscillation. In this research, the factors, which cause instabilities that lead to lander mission failure, were figured out and pulse conditions that generate these instabilities were estimated. Also, designing and operation guideline was suggested to ensure stable operation of pulse modulation throttling.
우주 탐사가 본격화되며 착륙선의 추진 시스템에 관한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다. 펄스 변조 추력 제어 방식은 기술적으로 간단하고 성숙도가 높으며, 다양한 착륙선에 적용된 이력이 있으며, 한국형 달 착륙선의 하강 추력기 추력 제어 방식으로 사용될 예정이다. 기존의 개발 및 연구에서는 맹독성 하이드라진 계열의 추진제를 이용하여 펄스 변조 추력 제어를 수행했지만, 인체와 환경에 유해하고 운용 비용이 높아 연구 및 개발에 어려움이 크다는 단점이 존재한다. 본 학위논문에서는 친환경 물질인 과산화수소를 추진제로 사용하는 단일추진제와 추진 시스템을 구성하고, 펄스 변조 추력 제어를 수행하여 추력 제어 능력을 검증하고, 펄스 변조에 따른 추력 제어 성능과 추진 시스템의 특성을 분석했다. 펄스 변조 추력 제어 방식은 특정 펄스 운용 조건에서 압력 섭동의 증폭과 구조적 진동 심화, 저주파 불안정성에 의한 추력 섭동 현상이 일어난다고 알려져 있다. 본 연구에서는 착륙선의 임무 실패의 요인으로 작용할 수 있는 불안정성의 원인을 파악하고, 이런 불안정성이 발생할 수 있는 펄스 운용 조건을 예측했다. 마지막으로 안정적인 펄스 변조 추력 제어를 위한 설계 및 운용 지침을 제시했다.
