전기펌프 사이클과 ED 노즐을 적용한 발사체 상단의 중량 추정 연구 = Study on Estimating the Mass of the Upper Stage of a Launch Vehicle Using Electric Pump Cycle and an ED Nozzle

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 2단형 소형발사체의 3 톤급 상단 엔진을 고려한 전기펌프 사이클의 구조비 개선을 위해 차세대 배터리와 ED 노즐을 적용하여 중량 추정 및 성능 분석을 수행하였다. 전기펌프 사이클에서 배터리는 임무의 최종 단계에서 건조 중량으로 남기 때문에 구조비 손실이 있을 수 있다. 이에 따라 최근 빠르게 발전하고 있는 차세대 배터리 기술과 발사체 중량 감소를 위한 ED 노즐 적용하여 발사체의 중량을 추정하였다. 노즐은 80% 벨 노즐의 길이보다 단축한 ED 노즐을 적용했을 경우의 중량을 계산하여 발사체의 구조비와 성능을 비교하였다. 전기펌프 사이클은 배터리와 노즐의 개선을 통해 2.5 MPa 이하의 연소실 압력에서 총 연소시간에 따라 가스발생기 사이클보다 낮은 구조비를 가졌다. 또한, 동일한 연소실 압력에서 500 km의 SSO 궤도에 투입 시 페이로드가 현재 기술 수준의 배터리를 적용한 전기펌프 사이클과 대비 최대 26.34%, 가스발생기 사이클 대비 2.72%의 증가하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A mass estimation study was conducted to improve the inert mass fraction of an electric pump cycle by applying a next-generation battery and an ED nozzle to the 3 tonf class upper stage of a two-stage launch vehicle. In an electric pump cycle, the battery remains at dry mass in the final stages of the mission, which can result in disadvantage of inert mass fraction. Accordingly, the mass of the launch vehicle was estimated when applying the rapidly developing next-generation battery technology and an ED nozzle to reduce the mass of the launch vehicle. In the case of the nozzle, the mass was calculated considering an ED nozzle, which was shorter than the 80% Bell nozzle, and the inert mass fraction and performance of the launch vehicle were compared. An electric pump cycle has a lower inert mass fraction than the gas generator cycle depending on the total burning time at a combustion chamber pressure of 2.5 MPa or less through the application of a next-generation battery and ED nozzle. In addition, when launched into a 500 km SSO at the same combustion chamber pressure, the payload demonstrated a maximum increase of 26.34% compared to an electric pump cycle with the application of current technology battery, and a 2.72% increase compared to the gas generator cycle.