Structural Modeling and Dynamic Analysis Reflecting Liquid Propellant for Longitudinal Dynamic Instability (POGO) of Aerospace Vehicles

Abstract

본 논문에서는 액체연료를 사용하는 항공우주 비행체의 동적 해석을 수행하기 위해 액체연료 소모와 유체-구조간 유탄성 효과를 복합적으로 고려하여 구조 모델링 기법을 개발하고 검증하였다. 특히, 액체 연료탱크의 다양한 모델링 및 해석 기법들을 매개변수 연구를 통해 비교 분석하여 적합한 1차원 스프링-질량 모델링 기법을 도출하고, 이를 전기체 동적 해석에 적용함으로써 구조 해석의 정밀도를 향상시켰다. 또한 이러한 기법들을 액체연료 발사체의 축방향 동적 불안정성인 포고 현상 예측에 적용하였다. 포고 현상은 전기체의 구조 고유진동과 연료 공급 시스템의 고유진동간의 상호 섭동에 의한 현상으로 구조-유체-추진이 연성 결합된 복합적 불안정 특성을 가지고 있다. 특히, 이는 구조의 저차 축방향 진동 특성에 대한 정확한 예측을 통해 포고 불안정성 발생을 예측하고 제어할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 액체 연료탱크들을 가지는 발사체의 전기체 형상을 저차 축방향 모드 해석에 집중하여 해석을 설계하였다. 액체 연료탱크의 모델링 기법은 매개변수 연구 방법을 적용하여 구조와 액체연료간 유탄성에 대한 영향을 분석함으로써, 해석 모델의 비선형적인 축방향 액체연료 움직임 모사의 향상된 정밀성을 확인할 수 있었다. 최종적으로 1/10비율로 축소된Saturn V 발사체의 형상 정보를 개발된 모델링 및 동적 해석 기법에 적용하여 목표 발사체의 진동특성 결과를 도출하였고, 이를 해당 발사체의 기존 해석 및 실험결과와 비교함으로써 기법을 검증하였다. 그 결과, 직교 이방성 해석기법을 통해 도출된 4개 모드의 고유주파수와 부분 구조체간의 섭동 주파수가 0.5~1.2%의 차이로 기존 결과값들과 일치하였다. 또한, 실제 Saturn V의 AS-502 비행 시험 시 발생한 포고 현상의 동일한 주파수영역 및 시간대에서, 이번 해석으로 도출된1차 구조 모드와 연료 공급 시스템간의 주파수 중복에 의한 포고현상을 예측할 수 있었다. 따라서, 제시된 액체연료를 고려한 항공우주 비행체의 구조 모델링 및 동적 해석 기법은 축방향 구조 해석의 정밀성을 향상시킬 수 있으며, 액체연료 발사체의 포고 해석 및 제어에도 활용 가능할 것으로 기대된다.

For accurate dynamic analysis of the space vehicles using liquid propellant, both consumption of liquid propellant and change of the structural stiffness reflecting nonlinear hydroelastic properties during flight time should be simultaneously considered. In this thesis, structural modeling and dynamic analysis methods reflecting liquid propellant are developed and applied to longitudinal dynamic instability (POGO) analysis. The pogo phenomenon of the liquid propellant launch vehicles results from the complex interaction between the vehicle structure vibration in the longitudinal direction and liquid propellant feeding system. Thus, accurate prediction of the lower mode longitudinal vibration characteristics enables to avoid pogo instability efficiently. For dynamic analysis, a complete vehicle structure including the liquid propellant tanks was analytically modeled while focusing on the longitudinal lower modes. Besides, adequate liquid propellant tank modeling methods were established by use of an advanced one-dimensional mass-spring model to obtain the refined vehicle model. By using these methods, parametric studies for the liquid propellant tank modeling reflecting hydroelastic effect were conducted. Evaluations on the dynamic analysis of the 1/10-scale Saturn V replica configuration were also conducted during first stage burning. Consequently, the numerical results obtained by the developed orthotropic modeling and dynamic analysis method were found to be in good agreement with the natural vibration characteristics by the previous analyses and experiments. Additionally, the target vehicle showed the pogo estimated areas at the first structural mode when compared with the frequencies of the propellant feeding system. In conclusion, the present simplified structural modeling and modal analysis procedure can be used to analyze vibration characteristics of the aerospace vehicle using liquid propellant. It is also capable of identifying pogo occurrence areas and providing design criteria for pogo instability.