로켓 노즐 설계 프로그램

✅프로젝트 소개✅

로켓의 추력을 담당하는 제일 중요한 부분이 로켓의 엔진이다. 특히 연료에 연소하면서 발생하는 고압 고온의 가스를 매우 빠르게 압축시켰다가 분출시키는 노즐의 역할은 매우 중요하다. 본 프로젝트에서는 몇개의 설계 파라메터만 알고 있으면 간단하게 로켓 노즐의 형상을 설계해주는 프로그램을 제공한다.

✅프로그램 특징✅

1. 노즐 설계에 필요한 파라메터를 입력하면(특히 목표 최대 추력을 입력하면 주어진 상태에서의 최적의 노즐 형상을 반환한다.) 적절한 노즐의 설계를 반환한다.

2. 노즐 설계를 바탕으로 blender에서 3d모델로 출력할 수 있는 스크립트를 제공한다.

3. gui 환경을 제공한다.

✅입력 파라미터✅

• Thrust ($F$): 설계 추력 (뉴턴, $N$)
• Chamber Pressure ($P_c$): 연소실 압력 (파스칼, $Pa$)
• Atmospheric Pressure ($P_a$): 대기압 (파스칼, $Pa$)
• Specific Heat Ratio ($\gamma$): 비열비 (무차원, 주로 1.042~1.044)
• Thrust Coefficient ($C_F$): 추력 계수 (무차원)
• Expansion Ratio ($\varepsilon$): 팽창비 (출구 단면적/노즐 목 단면적 비율)

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✅주요 계산 항목✅

1. 노즐 목 단면적 ($A_t$)

노즐 목 단면적은 다음의 추력 방정식을 변형하여 계산한다:
$$A_t = \frac{F}{C_F \cdot P_c}$$

• $F$: 추력
• $C_F$: 추력 계수
• $P_c$: 연소실 압력

2. 노즐 출구 단면적 ($A_e$)

출구 단면적은 팽창비를 사용하여 계산한다:
$$A_e = \varepsilon \cdot A_t$$

• $\varepsilon$: 팽창비
• $A_t$: 노즐 목 단면적

3. 출구 압력 ($P_e$)

출구 압력은 등엔트로피(isentropic) 팽창 조건을 가정하여 다음과 같이 계산한다:
$$P_e = P_c \cdot \left( \frac{2}{\gamma + 1} \right)^{\frac{\gamma}{\gamma - 1}} \cdot \varepsilon^{-\frac{\gamma - 1}{\gamma}}$$

• $P_c$: 연소실 압력
• $\gamma$: 비열비
• $\varepsilon$: 팽창비

4. 수축부 각도 (Convergent Angle)

수축부 각도는 최적의 하위음속 조건을 가정하여 일반적으로 $45^\circ$로 설정한다.

5. 확장부 각도 (Divergent Angle)

확장부 각도는 팽창비에 따라 다르게 설정한다:

• $\varepsilon < 10$: $15^\circ$
• $10 \leq \varepsilon < 50$: $12^\circ$
• $\varepsilon \geq 50$: $10^\circ$

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2D 노즐 형상 생성

계산된 기하학적 요소

1. 노즐 목 반지름 ($r_t$):
   $$r_t = \sqrt{\frac{A_t}{\pi}}$$
2. 출구 반지름 ($r_e$):
   $$r_e = \sqrt{\frac{A_e}{\pi}}$$
3. 수축부 길이:
   $$L_{\text{conv}} = \frac{r_{\text{inlet}} - r_t}{\tan(\theta_{\text{conv}})}$$

• $\theta_{\text{conv}}$: 수축부 각도

4. 확장부 길이:
   $$L_{\text{div}} = \frac{r_e - r_t}{\tan(\theta_{\text{div}})}$$

• $\theta_{\text{div}}$: 확장부 각도

5. 노즐 전체 길이:
   $$L_{\text{total}} = L_{\text{conv}} + L_{\text{div}}$$

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출력

1. 계산된 설계 파라미터:
   • 노즐 목 단면적 ($A_t$)
   • 출구 단면적 ($A_e$)
   • 출구 압력 ($P_e$)
   • 수축부 각도
   • 확장부 각도
2. 2D 시각화:
   • 수축부와 확장부를 포함한 노즐의 단면도를 화면에 그려줌.

 

✅소프트웨어 시연 영상✅