[논문 리뷰] Performance Analysis of Novel Propellant Oxidizers using Molecular Modelling and Nozzle Flow Simulations

Pujan Biswas, Sudarshan Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 31.

Rocket and propulsion systems research인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 고체 로켓 모터에서 염화아머니움의 대체로 사용할 수 있는 37종의 새로운 탄소 기반 이량체 산화제를 제안한다. 열화학적 생성열은 DFT(B3LYP/6-311++G(d,p))를, 이상적 특별 추진력은 NASA CEA를 사용하여 계산하였으며, 실제 손실을 모의하기 위해 OpenFOAM 기반 초음속 노즐 유동 시뮬레이션을 수행하여, k-epsilon 난류 모델과 RDT를 적용하였다. 그 결과 실제 진공 특별 추진력은 이상치의 88–91% 수준이며, 염화아머니움 대비 최대 24초의 성능 향상을 기록하였다.

ABSTRACT

Search for alternate fuels for improvement in rocket engine performance is a topic of ever-growing interest and discussion in the research community. The primary target of this paper is to present novel compounds in view of their possible use as oxidizers in propulsion applications using molecular modeling calculations and supersonic flow simulations. Carbon-based heterocyclic compounds tend to have strained molecular structures leading to high heats of formation and energetic behavior. In the present work, molecular modeling calculations for molecules of 37 such potential propellant oxidizers are presented. Density functional theory (B3LYP) was employed for the geometry optimization of the proposed molecular structures using the 6-311++G(d,p) basis set. Heats of formation of the compounds were calculated using the molecular modeling results. Appropriate propellant compositions were considered with the proposed compounds as oxidizer components and Ideal specific impulse (Ivac,ideal*) was calculated for each composition assuming isentropic flow, computed using the NASA CEA software package. To predict the actual delivered specific impulse (Ivac,act*), supersonic nozzle flow simulations of equilibrium product gases of each propellant composition have been carried out using OpenFOAM. The standard k-epsilon turbulence model for compressible flows including rapid distortion theory (RDT) based compression term, has been employed. As the problem is inherently transient in nature, local time stepping (LTS) methodology has been further implemented to reach a steady-state solution. These simulations accounted for divergence losses, turbulence losses and boundary layer losses and gave a more realistic estimation of the specific impulse. It was observed that the Ivac,act* for all propellant compositions lie between 88% to 91% of the corresponding ideal value. The newly proposed oxidizers showed considerable improvement in propulsion performance as compared to ammonium perchlorate which is currently the most widely used oxidizer in solid rocket motors. The maximum improvement observed in Isp was 24 s.

연구 동기 및 목표

• 고체 로켓 추진제를 위한 고성능 산화제로 사용 가능한 새로운 탄소 기반 이량체 화합물을 식별하고 평가하는 것.
• 로켓 노즐의 비이상적 흐름 손실을 모델링하여 이상 예측 성능의 한계를 극복하는 것.
• CFD 시뮬레이션을 활용해 실제 도달 특별 추진력을 추정하는 데 사용할 수 있는 개방소스 및 접근성이 높은 방법론을 개발하는 것.
• 제안된 산화제의 성능을 현재 고체 로켓 모터에서 표준으로 사용되는 염화아머니움과 비교하는 것.
• 이상적 Isp를 실제 성능 추정치로 변환하기 위한 일반적인 보정 계수(중앙값 89.28%)를 설정하는 것.

제안 방법

• 기하학적 최적화 및 생성열 계산을 위해 DFT(B3LYP)와 6-311++G(d,p) 기저 집합을 사용하였다.
• 이sovolumetric 및 손실 없는 조건 하에서 NASA CEA 소프트웨어를 사용해 이상적 특별 추진력(Isp,vac*)을 계산하였다.
• 압축성 k-epsilon 난류 모델과 압축에 대한 빠른 왜곡 이론(RDT)을 포함한 OpenFOAM을 사용해 초음속 노즐 유동 시뮬레이션을 수행하였다.
• 일시적 시뮬레이션에서 안정 상태 해를 도달하기 위해 국소 시간 스텝(LTS)을 적용하였다.
• 노즐 유동에서의 발산, 경계층 및 난류 손실을 고려하여 실제 도달 특별 추진력(Isp,act*)을 추정하였다.
• 격자 수렴성 및 독립성 검증을 통해 시뮬레이션 정확도를 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비이상적 흐름 손실을 고려할 경우, 신규 산화제 기반 추진제의 실제 진공 특별 추진력은 얼마인가?
• RQ2 난류, 경계층 및 발산 손실은 이상 예측 대비 고체 로켓 추진제 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 OpenFOAM과 같은 개방소스 CFD 프레임워크가 새로운 추진제 조성의 실제 특별 추진력을 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 다양한 산화제 조성에서 실제 대 이상 특별 추진력 비율의 중앙값은 얼마인가?
• RQ5 이상적 Isp 값을 새로운 에너제틱 화합물의 현실적인 성능 추정치로 변환하기 위한 보편적인 보정 계수를 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 37종의 추진제 조성에서 실제 도달 특별 추진력(Isp,act*)은 NASA CEA로 계산한 이상치의 88%에서 91% 수준이었다.
• 실제 성능과 이상 성능 간의 중앙값 효율은 89.28%였으며, 이는 유사한 화합물에 대해 일관된 보정 계수를 제공함을 시사한다.
• 염화아머니움 대비 특별 추진력 향상 최대치는 24초였으며, 이는 S2-F 조성에서 관찰되었다.
• 알루미늄 첨가제가 없는 추진제, 예를 들어 S1-2는 높은 성능를 달성하면서 동시에 유해 배출도를 감소시켰다.
• S9-4 조성은 90.19%의 높은 효율을 기록하였으며, 실제 Isp는 231.80 s였다.
• 이 연구는 난류, 경계층 및 발산 손실이 성능을 상당히 감소시킴을 확인하였으며, 이는 세밀한 CFD 시뮬레이션의 필요성을 뒷받침한다.