[논문]우주발사체 비행안전 분석시스템 개발

최규성; 고정환; 심형석; 노웅래

문제 정의

이외에도, FSAS는 측정된 바람 데이터 등을 이용한 비행안전 모델의 수정 및 보완 기능도 가지고 있으며, 발사체의 형상, 기본궤도, 비정상 비행 궤도의 데이터를 이용하여 분석을 수행한다. 본 논문에서는 우주발사체 비행안전 분석을 위해 적용된 비행안전분석법에 대하여 기술한 후, 구현된 시스템의 구성과 기능에 대하여 설명한다.
본 논문에서는 우주발사체에서 발생할 수 있는 비정상 비행시나리오에 따라 파편을 생성하여 파편의 궤도 및 위험도 분석이 가능한 비행 안전분석 시스템에 대해 설명하였다. 개발된 시스템은 소형위성발사체의 비행위험도 분석에 사용될 예정이며, 필요한 분석 기능은 추후에 추가될 수도 있도록 개발되었다.

가설 설정

이 관계를 나타내는 탄도 계수。)는 발사체 분해 및 폭파시 불확실성을 띠고 있으므로 파편 그룹내에 있는 로그 — 土五1。馭色평균 탄도계수(/3=10“z )를 구하여 최대, 최소가 3b에 포함되도록 한다. 이 범위내에 있는 탄도 계수 값은 가우스 분포에 맞추어 형성된다고 가정하여 몬테카를로 시뮬레이션을 이용하여 파편의 분산 영역을 구해내게 된다.

제안 방법

파편 그룹별 낙하물의 인구 밀집 지역에 대한 충돌확률을 계산한 후, 최종적으로 예상인명피해 (Ec)를 계산한다. 또한, 주거지역 외에도 파편 그룹별 낙하물의 선박 밀도 격자에 대한 충돌확률을 이용하여 선박에 탑승 중인 사람의 인명피해(Es)를 분석한다.
이후 앞에서 산출된 실패 확률과불확실성 모델을 통해 발사체의 현재 상태벡터 (속도, 위치)를 수정한 후, 예상낙하점 계산모듈을통하여 빠르고 정확하게 낙하점들을 계산한다. 마지막으로, 발사체의 비정상 비행시 파편의 낙하분산영역을 추정하여 인명 피해 (Expected Casualty, Ec)와 선박, 항공기에 미치는 영향을분석하게 된다. 또한 비행종단시스템 작동시 지연되는 시간이 있으므로 사전에 정해진 낙하한계선(impact limit line)을 통과하기 전에 파괴선 (destruct line)을 결정하여 비행안전 통제원에게제공하는 역할을 하게 된다.
소프트웨어는 초기데이터(인구 데이터, 선박데이터, 항공기 데이터, 세계지도, 발사체 정보, 비정상 모드별 파편정보, 바람데이터, 외란 프로파일 등)를 구조화하여 분석 알고리듬 모듈과 연계시켜 지도상에 결과 전시를 하며 세계지도는 상용프로그램인 구글어스와 유사한 방식으로 개발되어 사용자에게 편의성을 제공하고 있다. 분석알고리듬 모듈은 비정상기동모듈, 정상궤적에서의 실패 모드모듈, 인명피해 모듈, 충돌확률 모듈, 진공낙하점 모듈, 공력을 고려한 낙하점 모듈, 바람 및 공력 모듈, 6자유도 모듈 등을 포함하고 있어 다양한 비정상 시나리오를 적용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 결과를 산출한다. 이외에도, FSAS는 측정된 바람 데이터 등을 이용한 비행안전 모델의 수정 및 보완 기능도 가지고 있으며, 발사체의 형상, 기본궤도, 비정상 비행 궤도의 데이터를 이용하여 분석을 수행한다.
진행된다. 우선, 발사체의 폭발 또는 분해시발생하는 파편을 단위면적, 질량, 모양 등이 유사한 그룹별로 나누고 각 파편그룹에 대한 불확실성 모델을 추정한다. 그리고 비정상 비행모드는비행궤적을 따라 폭발 및 분해가 일어나는 경우와 횡방향 기동으로 인해 예상낙하점이 파괴선을벗어나는 비정상 턴으로 나누어 각각의 실패 확률을 산출한다.
그리고 비정상 비행모드는비행궤적을 따라 폭발 및 분해가 일어나는 경우와 횡방향 기동으로 인해 예상낙하점이 파괴선을벗어나는 비정상 턴으로 나누어 각각의 실패 확률을 산출한다. 이후 앞에서 산출된 실패 확률과불확실성 모델을 통해 발사체의 현재 상태벡터 (속도, 위치)를 수정한 후, 예상낙하점 계산모듈을통하여 빠르고 정확하게 낙하점들을 계산한다. 마지막으로, 발사체의 비정상 비행시 파편의 낙하분산영역을 추정하여 인명 피해 (Expected Casualty, Ec)와 선박, 항공기에 미치는 영향을분석하게 된다.
정상궤도상에서의 비행실패에 대한 분석툴로서, 폭발이 있을 경우 생성되는 파편 그룹 및 각 그룹별 폭발속도를 산출하며 엔진정지의 경우 외부의 영향없이 낙하하면서 공력하중으로 인해 부서질 때의 파편을 생성하여 파편의 궤적을 분석한다.
파편영역분석 툴은 여러가지 비행실패 모드에서 산출된 파편정보를 넘겨받아 4가지 불확실한 변수(탄도계수의 불확실성, 유도성능오차, 폭발시 파편의 증분속도, FTS(Flight Termination System)를 작동시키기 위해 지상에서 발사체에보내 응답하는데 소요되는 시간)에 의한 낙하영역분산을 몬테카를로 시뮬레이션을 이용해서 계산하고 나머지 2가지(바람과 양력)의 불확실한변수에 의한 분산을 합하여 낙하영역의 전체 분산을 계산한다. 불확실한 변수들에 의해 낙하영역은 2차원 정규분포를 갖는다.

대상 데이터

KSLV-I 발사 시의 비행안전분석을 위하여 개발된 비행안전 분석시스템 (FSAS:Flight Safety Analysis System) 은비행안전 분석에 필요한 툴(파편의 낙하영역, 발사체의 위험도 분석, 비행안전영역설정, 파괴선 설정 등)을 효율적으로 제공하고 계산결과는 3차원 지구상의 세계 지도에 제시하도록 구성되었다. 본 시스템은 크게 세계지도를 포함한 소프트웨어 부분과 분석알고리듬을 제공하는 모듈로 구성되어 있다. 소프트웨어는 초기데이터(인구 데이터, 선박데이터, 항공기 데이터, 세계지도, 발사체 정보, 비정상 모드별 파편정보, 바람데이터, 외란 프로파일 등)를 구조화하여 분석 알고리듬 모듈과 연계시켜 지도상에 결과 전시를 하며 세계지도는 상용프로그램인 구글어스와 유사한 방식으로 개발되어 사용자에게 편의성을 제공하고 있다.

데이터처리

제시하는 모듈이다. 다른 툴에서 계산된 파편의 분산영역을 토대로 각 비정상 모드에 대한 각 파편 그룹의 평균 낙하점과 불확실성을 나타내는 표준편차를 계산한다. 파편 그룹별 낙하물의 인구 밀집 지역에 대한 충돌확률을 계산한 후, 최종적으로 예상인명피해 (Ec)를 계산한다.

성능/효과

4) 위험 프로파일 - 위험 프로파일은 이산적으로 손실 또는 사상자수에 따른 충돌확률을 도시화한다. 또한, 재산손실 및 인명피해 정도를 일반인도 인지하기 쉽게 나타낼 수 있는 장점을 지니고 있다.

후속연구

시스템에 대해 설명하였다. 개발된 시스템은 소형위성발사체의 비행위험도 분석에 사용될 예정이며, 필요한 분석 기능은 추후에 추가될 수도 있도록 개발되었다. 현재 본 시스템은 시간별, 파편그룹별, 격자별, 실패모드별로 반복된 계산이 많기 때문에, 전체결과를 산출하는데 많은 시간이 소요되고 있고 이에 따라 향후 연산 기능을 강화하는 방안으로 연산병렬처리기능 도입과 분석 모듈 최적화 방안을 강구하여 개량해 나갈 예정이다.
개발된 시스템은 소형위성발사체의 비행위험도 분석에 사용될 예정이며, 필요한 분석 기능은 추후에 추가될 수도 있도록 개발되었다. 현재 본 시스템은 시간별, 파편그룹별, 격자별, 실패모드별로 반복된 계산이 많기 때문에, 전체결과를 산출하는데 많은 시간이 소요되고 있고 이에 따라 향후 연산 기능을 강화하는 방안으로 연산병렬처리기능 도입과 분석 모듈 최적화 방안을 강구하여 개량해 나갈 예정이다.

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