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외부 장착물 분리 해석을 위한 Off-line 6-DOF 시뮬레이션 프로그램 개발
Development of an Off-line 6-DOF Simulation Program for Store Separation Analysis 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.37 no.12, 2009년, pp.1252 - 1257  

곽인근 (인하대학교 항공우주공학과 대학원) ,  신재화 (인하대학교 항공우주공학과 대학원) ,  이승수 (인하대학교 기계공학부 항공우주공학) ,  최기영 (인하대학교 기계공학부 항공우주공학) ,  현재수 (국방과학연구소) ,  김남균 (국방과학연구소)

초록
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항공기의 외부장착물 분리해석이 가능한 Off-line 6-DOF 시뮬레이션 프로그램을 개발 하였다. 개발한 프로그램은 풍동시험이나 CFD 해석을 통해 구축된 공력 데이터베이스를 이용하여 외부장착물의 분리 궤적을 예측할 수 있다. 공력 계수의 계산에는 flow angle 방법을 적용하였으며 분리 궤적 계산에는 사출력과 구속 조건의 적용이 가능하도록 하였다. 개발한 프로그램을 이용하여 군용항공기의 분리 궤적을 계산하였으며 이를 CTS 시험 결과와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Off-line 6-DOF simulation program for store separation analysis has been developed. The developed program enables to predict a trajectory of a store from the database which was constructed by wind tunnel testing or CFD analysis. The flow angle method was applied to the program for predicting aerodyn...

주제어

#외부장착물 분리 해석  

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

제안 방법

  • 개발한 프로그램에서 장착물 분리 해석을 하려면 공력 데이터베이스의 구축이 선행되어야 한다. 공력 데이터베이스는 풍동 시험이나 CFD를 통해 정상 상태에서의 장착물의 공력 계수를 측정하는 freestream test와 항공기와 장착물의 간섭 유동장 내에서의 grid test를 통해 구축한다. 공력 데이터베이스에는 freestream test를 하여 구축한 freestream 데이터베이스와 freestream test와 grid test의 결과를 이용하여 항공기와 장착물의 간섭영향을 구한 grid increments 데이터베이스의 두 종류가 있다.
  • 두 번째 시뮬레이션으로 고도 5000ft에서 45°로 강하하는 군용항공기의 폭탄 분리 궤적을 계산하고 CTS 시험 결과와 비교하였다.
  • 마하수 0.85, 받음각 1.3°, 고도 3,000ft 조건에서 수평 비행 중에 두 개의 사출기를 이용하여 분리되는 폭탄을 개발한 프로그램을 통해 해석하고 이를 같은 조건에서 수행한 CTS 시험 결과와 비교하여 공력계수와 분리궤적을 도시하였다.
  • 본 연구에서는 풍동 시험이나 전산유체역학을 이용하여 구해진 공력 데이터를 데이터베이스화 시키고 이를 이용하여 간섭유동장 내에서의 공력을 예측하고 운동방정식을 풀어 장착물의 분리궤적을 예측하는 6-DOF 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다.
  • 본 프로그램에서는 flow angle 방법을 사용하였으며 이를 위해서는 마하수(M)와 항공기의 받음각(αac), 그리고 항공기와 장착물의 상대 위치( x, y, z )에 따른 6분력 공력 계수의 변화량( ΔCgi )과 흐름각(flow angle)의 변화량( Δα, Δβ)을 정리한 grid increments 데이터베이스가 식 (2)와 같이 정리되어야 한다.
  • 장착물의 분리 궤적을 예측할 수 있는 6-DOF 시뮬레이션 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 사용자가 손쉽게 데이터베이스를 구축할 수 있으며 이를 이용하여 다양한 조건에서 장착물의 분리 궤적을 예측할 수 있다.

대상 데이터

  • 개발한 프로그램의 검증을 위해 수평 비행의 경우와 45°로 강하(dive)하는 조건에서 군용항공기의 폭탄의 분리 궤적을 계산하여 이를 CTS 시험 결과와 비교하였다. 해석에 필요한 freestream 데이터와 grid 데이터는 국방과학연구소에서 제공한 풍동 시험치를 사용하였다. Freestream 데이터는 피치각을 -0.

데이터처리

  •  개발된 프로그램으로 군용 항공기의 외부 장착물 분리 시뮬레이션을 수행하고 이를 CTS 시험 결과와 비교하여 프로그램을 검증하였다.
  • 개발한 프로그램의 검증을 위해 수평 비행의 경우와 45°로 강하(dive)하는 조건에서 군용항공기의 폭탄의 분리 궤적을 계산하여 이를 CTS 시험 결과와 비교하였다.

이론/모형

  • 1절에서 언급한 데이터베이스를 이용하여 간섭 유동장 내에서의 장착물의 공력 계수를 추출하는 역할을 한다. 공력 계수는 flow angle 방법을 사용하여 추출하였다. Flow angle 방법은 항공기로 인해 흐름각이 변화하면서 생기는 공력계수의 변화량과 항공기와 장착물의 간섭으로 생기는 공력계수의 변화를 모두 고려하는 방법이다[2].
  • 중력은 장착물의 질량과 자세로부터 계산한다. 공력 및 운동방정식(kinematic equation) 등이 모두 비선형으로 주어지고, 레일론치(rail launch)와 피벗(pivot)등의 구속조건이 주어지는 환경에서 이를 효율적이며 일관되게 처리하기 위하여 운동방정식과 구속조건을 일반화된 힘(generalized force)을 이용하여 구성하였다. 구속 조건이 없는 운동 상황에서는 사용자의 선택에 의해 Newmark-beta 적분방법, 4th order Runge-kutta 적분 방법, Adams-Bashforth & Adams-Moulton 적분 방법 등을 사용할 수 있도록 하였다.
  • 구속 조건이 없는 운동 상황에서는 사용자의 선택에 의해 Newmark-beta 적분방법, 4th order Runge-kutta 적분 방법, Adams-Bashforth & Adams-Moulton 적분 방법 등을 사용할 수 있도록 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
외부장착물 분리 해석 방법에는 무엇이 있는가? 외부장착물 분리 해석 방법에는 전산유체역학 (CFD)이나 Panel Method와 같이 해석적인 방법과 CTS(Captive Trajectory Support)나 자유낙하 (dynamic drop)과 같이 풍동 시험을 이용하는 방법, 그리고 carriage loads나 grid data등의 풍동에서 측정한 데이터를 이용하는 방법들이 있다[1]. 현재 국내에는 CTS 시스템을 갖춘 풍동 시설이 없어 무장 분리 시험을 해외에 의존하고 있다.
Off-line 6-DOF 시뮬레이션 프로그램은 무엇을 예측하는가? 항공기의 외부장착물 분리해석이 가능한 Off-line 6-DOF 시뮬레이션 프로그램을 개발 하였다. 개발한 프로그램은 풍동시험이나 CFD 해석을 통해 구축된 공력 데이터베이스를 이용하여 외부장착물의 분리 궤적을 예측할 수 있다. 공력 계수의 계산에는 flow angle 방법을 적용하였으며 분리 궤적 계산에는 사출력과 구속 조건의 적용이 가능하도록 하였다.
외부장착물 분리 해석 프로그램의 개발이 필요한 이유는? 군용항공기에서 항공기와 외부 장착물 간의 적합성을 판단하는 주요한 요소 중 하나가 외부장착물의 분리(separation)이다.[1] 외부장착물은 항공기와 조종사의 안전을 도모하면서 동시에 목표 지점의 정확한 타격이 가능하도록 분리되어야한다. 그러므로 외부장착물의 분리 궤적을 사전에 예측하는 외부장착물 분리 해석 프로그램의 개발이 반드시 필요하다.
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참고문헌 (8)

  1. Anonymous, "Aircraft/Stores Compatibility: Systems Engineering Data Requirements and Test Procedure", MIL-HDBK-1763, Department of Defense, 1998. 

  2. 김병규, 이승수, 김상진, 강인모, 김명성, "날개 전개가 가능한 무장의 분리 특성해석", 한국항공우주학회지, 제35권 5호, 2007. 

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  3. 김상진, 강인모, 김명성, "Grid Survey 방법을 이용한 무장분리예측 기법 연구", 한국전산유체공학회 2006년도 추계학술대회논문집, 2006. 

  4. 정형석, 윤용현, 이상현, "무장분리 안전성을 위한 전산해석", 한국전산유체공학회 2007년도 춘계 학술대회논문집, 2007. 

  5. 이승수, 김상진, 김명성, "저속통제기 외부장착물 분리해석 및 비행시험", 한국항공우주학회지, 제32권 5호, 2004. 

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  6. 윤용현, 조환기, 정형석, 조동현, 이상현, 배승욱, "전투기 외부 무장분리 안전성 해석을 위한 풍동실험연구", 한국항공우주학회지, 제37권3호, 2009. 

    원문보기 상세보기

  7. S. Lee, K. Choi, J. Y. Cho, S. Kim, J. Hyun, N. Kim, J.K. Lee, "ANYSEP: A Program Package for Store Seperation Analysis", KSAS International Journal, Vol. 9, No. 2, 2008. 

  8. Cenko, A., Gowanlock, D., Lutton, M., and Tutty, M., "F/A-18C/JDAM Applied Computational Fluid Dynamics Challenge II Results", AIAA-2000-795, the 38th Aerospace Sciences Meeting, 2000. 

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