[논문]저궤도 재진입 비행체의 공력해석

김철완; 이융교; 이대성

저궤도 재진입 비행체의 공력해석
AERODYNAMIC ANALYSIS OF SUB-ORBITAL RE-ENTRY VEHICLE 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.13 no.2 = no.41, 2008년, pp.1 - 7

김철완 (항공우주연구원, 항공사업단) , 이융교 (항공우주연구원, 항공사업단) , 이대성 (항공우주연구원, 항공사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

For Aerodynamic analysis of vehicle at altitude, 100km, the validity of governing equations based on continuum model, was reviewed. Also, as the preliminary study for the sub-orbital space plane development, a candidate geometry was suggested and computational fluid dynamic(CFD) analysis was performed for various angles of attack in subsonic and supersonic flow regimes to analyze the aerodynamic characteristics and performance. The inviscid flow analyses showed that the stall starts at angle of attack above $20^{\circ}$, the maximum drag is generated at angle of attack, $87^{\circ}$ and the maximum lift to drag ratio is about 8 in subsonic flow. In supersonic, the stall angle is about $40^{\circ}$ and the maximum drag is generated at angle of attack, $90^{\circ}$. Also, mach number distribution of re-entry vehicle was computed versus altitudes.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 유동의 점성을 고려하지 않은 비 점성 유동 해석을 수행하였는데 이는 비행체가 재진입시에 90도에 가까운 큰 받음각을 유지하여 비행체 공력이 압력분포에 크게 좌우되기 때문이고, 본 해석의 목적이 각 비행조건에 대한 정확한 유동현상을 모사하는 것이 아닌 전 비행영역의 개략적인 공력 특성을 파악하는 것이기 때문이다. 수치해석은 아음속(M_∞=0.
본 논문은 고도가 높아져 공기가 희박한 영역에서 우주왕복선의 외부유동을 해석하기 위한 도구로서 continuum model에 기초한 지배방정식의 타당성을 분석하고 한국형 저궤도 우주 왕복선의 형상을 결정하며 결정된 형상에 대한 전산 해석을 아음속 및 초음속 영역에서 수행하여 그 결과를 분석하였다. 또한 마하수별로 공력해석을 수행하여 항력계수를 산출한 후 이를 바탕으로 비행체의 고도별 마하수를 구하였다.

가설 설정

받음각이 60도로 증가하면(Fig. 11(b)), 비행체 아랫면에 높은 압력이 형성되고 90도가 되면 비행체의 표면 압력이 크게 상승한다.

제안 방법

3[6]을 이용하여 비 점성 유동해석을 수행하였다. 경계조건은 벽면의 경우 slip 조건을 적용하였고 원방 경계 조건은 비행 고도 조건에 맞는 대기 조건을 입력하고 비행체의 마하수를 고려하였다. 유동해석은 Fluent에 내재되어 있는 pressure-based solver를 사용하였고 안정적인 해의 수렴을 위해 relaxation factor값을 default값의 절반으로 줄였다.
3에 나타나 있다. 동체는 원통형이고 날개는 델타형으로 정하였는데 높은 받음각에서 공력특성 향상을 위해 이를 선택하였다. 날개의 뒷부분은 aileron과 elevator의 역할을 함께 감당하는 elevon을 위치시켜 종 및 횡 안정성(longitudinal & lateral stabilities)을 향상시킨다.
본 논문은 고도가 높아져 공기가 희박한 영역에서 우주왕복선의 외부유동을 해석하기 위한 도구로서 continuum model에 기초한 지배방정식의 타당성을 분석하고 한국형 저궤도 우주 왕복선의 형상을 결정하며 결정된 형상에 대한 전산 해석을 아음속 및 초음속 영역에서 수행하여 그 결과를 분석하였다. 또한 마하수별로 공력해석을 수행하여 항력계수를 산출한 후 이를 바탕으로 비행체의 고도별 마하수를 구하였다.
의 활용 가능성을 분석하였다. 또한 한국형 외기권 우주 왕복선 초기 형상에 대한 공력 해석을 아음속 및 초음속에 대하여 수행하였는데 아음속의 경우 실속은 받음각 20도에서 발생하고 최대 항력은 90도 근처에서 생성된다. 또한 초음속 영역의 실속각은 약 40도이다.
유동해석은 Fluent에 내재되어 있는 pressure-based solver를 사용하였고 안정적인 해의 수렴을 위해 relaxation factor값을 default값의 절반으로 줄였다. 또한 해의 수렴정도를 판단하기 위해 공력계수의 변화를 관찰하여 공력계수 변화가 공력계수의 1% 이내가 되면 계산을 마치도록 하였다. 참고문헌[4]에 의하면, Fluent를 이용한 초음속 유동의 해석 정밀도가 유지됨을 알 수 있어 본 논문에서는 초음속 유동의 해석의 정밀도를 별도로 검증하지는 않았다.
먼저 표면 격자는 geometry 생성 software인 CATIA에서 작성한 형상을 비 정렬 격자 생성 software인 GAMBIT에 입력하여 생성하였다. 왕복선 표면은 삼각격자를 이용하여 모델링하였는데 총 격자수는 8만3천개이며 그 결과가 Fig.
수치해석은 아음속(M∞=0.2)과 초음속(M∞=3.0)시에 받음각을 0도 이하부터 90도 이상까지 3도 간격으로 변화시키며 수행하였고, 받음각 90도에 대해 마하수를 0.2부터 3.4까지 0.2씩 변화시키며 진행하였다.
앞에서 기술한 바와 같이 초음속 해석의 경우에도 양력 및 항력 계수의 변화를 관찰하여 이 값들이 더 이상 변하지 않으면(1% 이내 수렴) 반복 계산을 종료하였다.
고도 100km 상공을 비행중인 비행체의 공력해석을 위해 연속체 가정에 근거한 Euler 및 Navier-Stokes Eqn.의 활용 가능성을 분석하였다. 또한 한국형 외기권 우주 왕복선 초기 형상에 대한 공력 해석을 아음속 및 초음속에 대하여 수행하였는데 아음속의 경우 실속은 받음각 20도에서 발생하고 최대 항력은 90도 근처에서 생성된다.
0도와 90도사이의 받음각에 대해 피칭모멘트는 음의 값을 가지며 종방향 안정성도 가짐을 확인하였다. 재진입 비행체의 고도별 마하수를 산출하기위해 일정한 받음각(90도)에서 마하수에 따른 공력해석을 수행하여 항력을 구하였고, 고도별 대기조건을 고려하여 마하수를 결정하였다.
또한 해의 수렴정도를 판단하기 위해 공력계수의 변화를 관찰하여 공력계수 변화가 공력계수의 1% 이내가 되면 계산을 마치도록 하였다. 참고문헌[4]에 의하면, Fluent를 이용한 초음속 유동의 해석 정밀도가 유지됨을 알 수 있어 본 논문에서는 초음속 유동의 해석의 정밀도를 별도로 검증하지는 않았다.

이론/모형

수치해석은 유동해석 코드인 Fluent v.6.3[6]을 이용하여 비 점성 유동해석을 수행하였다. 경계조건은 벽면의 경우 slip 조건을 적용하였고 원방 경계 조건은 비행 고도 조건에 맞는 대기 조건을 입력하고 비행체의 마하수를 고려하였다.

성능/효과

또한 초음속 영역의 실속각은 약 40도이다. 0도와 90도사이의 받음각에 대해 피칭모멘트는 음의 값을 가지며 종방향 안정성도 가짐을 확인하였다. 재진입 비행체의 고도별 마하수를 산출하기위해 일정한 받음각(90도)에서 마하수에 따른 공력해석을 수행하여 항력을 구하였고, 고도별 대기조건을 고려하여 마하수를 결정하였다.
날개의 뒷부분은 aileron과 elevator의 역할을 함께 감당하는 elevon을 위치시켜 종 및 횡 안정성(longitudinal & lateral stabilities)을 향상시킨다. 또한 날개의 끝단을 위로 올려 winglet의 역할과 수직안정판(vertical stabilizer)의 역할을 하는데 수직 안정판이 동체의 윗부분에 위치하는 것에 비해 방향 안정성은 유지하면서 빗 흐름 시 날개에서 발생한 웨이크가 동체에 위치한 안정판 근처를 지나고 이로 인해 안정판의 성능감소가 발생할 수 있는 가능성을 제거하였다.
본 논문에서 분석하고자 하는 재진입 비행체의 도달 고도는 약 100km로서 현재 운행 중인 space shuttle에 비해서는 낮은 영역이다. 그러나 우주로 분류되는 100km 상공은 공기가 매우 희박하여 비행체의 공력해석에 널리 사용되는 Euler 및 Navier-Stokes 코드의 타당성에 대한 의문이 제기되었다.
경계조건은 벽면의 경우 slip 조건을 적용하였고 원방 경계 조건은 비행 고도 조건에 맞는 대기 조건을 입력하고 비행체의 마하수를 고려하였다. 유동해석은 Fluent에 내재되어 있는 pressure-based solver를 사용하였고 안정적인 해의 수렴을 위해 relaxation factor값을 default값의 절반으로 줄였다. 또한 해의 수렴정도를 판단하기 위해 공력계수의 변화를 관찰하여 공력계수 변화가 공력계수의 1% 이내가 되면 계산을 마치도록 하였다.

후속연구

또한 왕복선은 재진입시 자세 제어에 많은 어려움이 있는데 캐나드는 종 및 횡 안정성 확보에 도움을 줄 수 있다. 다만 재진입시 캐나드에 발생하는 공력가열에 의한 문제가 발생할 수 있는데 왕복선의 최대 비행 마하수가 약 3정도로 크지 않기 때문에 공력 가열 현상이 일반적인 우주 왕복선에 비해 매우 작아 개발단계에서 이에 대한 대책을 세울 수 있을 것으로 판단된다.
12는 동체 아랫면의 표면온도 분포 비(T/T_∞)를 보여준다. 특히 동체의 선두부, 캐나드 그리고 날개 표면의 온도가 상승하는데 재진입시 표면 온도를 냉각할 수 있는 장치가 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	민간에 의한 우주여행의 가능성을 현실화 시켜준 계기는 무엇인가?	우주로 분류되는 고도 100km를 도달하고 지구로 귀환하는 임무를 성공적으로 수행한 Spaceship-1의 개발성공으로 민간에 의한 우주여행의 가능성이 현실화되고 있다. Spaceship-1은 모선에 실려 고도 15km까지 상승한 후 모선과 분리되고 로켓의 추진력을 이용해 재 상승한 후 관성력으로 고도 100km에 도달한 후 안정된 자세로 대기권에 재진입하여 고도 약 15km에서부터 활강자세로 지상에 착륙하는 임무 시나리오를 가지고 있는데.
	Spaceship-1의 임무 시나리오는?	우주로 분류되는 고도 100km를 도달하고 지구로 귀환하는 임무를 성공적으로 수행한 Spaceship-1의 개발성공으로 민간에 의한 우주여행의 가능성이 현실화되고 있다. Spaceship-1은 모선에 실려 고도 15km까지 상승한 후 모선과 분리되고 로켓의 추진력을 이용해 재 상승한 후 관성력으로 고도 100km에 도달한 후 안정된 자세로 대기권에 재진입하여 고도 약 15km에서부터 활강자세로 지상에 착륙하는 임무 시나리오를 가지고 있는데. shuttle cock의 원리를 응용하여 안정성을 극대화한 자세로 대기권에 재진입한다[1,2].
	Spaceship-1은 어떤 원리를 응용하여 안정성을 극대화한 자세로 대기권에 진입하는가?	Spaceship-1은 모선에 실려 고도 15km까지 상승한 후 모선과 분리되고 로켓의 추진력을 이용해 재 상승한 후 관성력으로 고도 100km에 도달한 후 안정된 자세로 대기권에 재진입하여 고도 약 15km에서부터 활강자세로 지상에 착륙하는 임무 시나리오를 가지고 있는데. shuttle cock의 원리를 응용하여 안정성을 극대화한 자세로 대기권에 재진입한다[1,2]. 2005년부터 항공우주연구원을 중심으로 한국형 저궤도 재사용 발사체의 개발 타당성을 검토하는 움직임이 있어 왔는데 기본적인 궤도분석, 추진기관의 타당성 및 가능한 외부형상에 대한 검토 등이 그것이다.

참고문헌 (6)

http://www.spaceandtech.com/spacedata/rlvs/x33_sums.html
2005, FAA, Suborbital Reusable Launch Vehicles and Emerging Markets
1989, Anderson, J.D., Hypersonic and High Temperature Gas Dynamics, McGraw-Hill
2001, 옥호남, 김인선, 라승호, 최성욱, 이장연, "Fluent를 이용한 병렬형 로켓의 공력특성 예측," Fluent User Group Meeting
2006, 김철완, 이융교, 장병희, 이장연, 이대성, "저궤도 우주왕복선 형상 설계 및 공력해석," 항공우주학회 추계학술발표회
Fluent User's Manual, v.6.3

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

저궤도 재진입 비행체의 공력해석
AERODYNAMIC ANALYSIS OF SUB-ORBITAL RE-ENTRY VEHICLE 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

저궤도 재진입 비행체의 공력해석 AERODYNAMIC ANALYSIS OF SUB-ORBITAL RE-ENTRY VEHICLE 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (6)

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

저궤도 재진입 비행체의 공력해석
AERODYNAMIC ANALYSIS OF SUB-ORBITAL RE-ENTRY VEHICLE 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper