[논문]삼각 Ballute이 부착된 발사체의 수치적 공력해석 연구

양영록; 정성기; 박지혁; 안성호; 김병수; 조태환

문제 정의

본 연구에서는 삼각 Ballute을 가진 발사체의 비행 성능 예측 특히, 종말단계에서의 속도와 비행자세 등을 예측하기 위한 사전 연구 단계로 발사체의 공력특성을 확보하기 위한 수치적 연구가 수행되었다. 발사체의 공력특성은 전산유체역학(CFD) 기법을 사용하여 발사체 주위의 전체 유동장을 수치적으로 계산하여 획득되었다.

가설 설정

둘째, 발사체의 몸체와 Ballute의 접합부는 완전 일체형으로 가정한다. - 발사체 몸체와 Ballute 접합부 사이에는 전개를 위한 구멍 및 공간이 존재한다. 완전 전개 후에는 구멍 및 공간을 통한 공기의 유출입은 적으며 공력특성에 미치는 영향이 작을 것으로 판단된다.
발사체의 공력특성은 전산유체역학(CFD) 기법을 사용하여 발사체 주위의 전체 유동장을 수치적으로 계산하여 획득되었다. Ballute의 완전 팽창 형상은 제작치수와 풍동시험 결과 등을 고려하여 결정되었으며, 팽창 후 Ballute의 형상 변화는 없다고 가정하였다^[10,11]. 해석결과 획득된 공력 계수의 민감도 해석을 통해 공력 계수 변화에 의한 탄도특성 변화를 정량적으로 평가하였으며, 탄도 예측결과와 비행시험 결과를 비교하였다.
둘째, 발사체의 몸체와 Ballute의 접합부는 완전 일체형으로 가정한다. - 발사체 몸체와 Ballute 접합부 사이에는 전개를 위한 구멍 및 공간이 존재한다.
셋째, Ballute의 천을 통한 공기의 유출입은 없는 것으로 가정한다. - Ballute의 천은 공기의 유출입이 없도록 코팅되어 있으므로 Ballute의 천을 통한 공기의 유출입은 매우 적다.
첫째, Ballute은 완전 팽창된 후 공기 유입부로 부터 공기의 유출입은 없고 형상이 고정됨으로 강체로 가정한다. - 완전 전개 후 Ballute은 제작치수 기준으로 팽창되며, Ballute 내부의 압력이 외부의 압력보다 높게 형성되어 공기의 유입은 없다^[10].
3과 같이 결정되었다. 팽창된 삼각 Ballute을 포함한 발사체 주위의 전체 유동장 해석과 최종 팽창 형상 결정을 위해 아래와 같은 추가 가정을 하였다.

제안 방법

이러한 가정을 바탕으로 CFD를 통한 공력해석을 수행하여 풍동시험 결과와 비교하였다. CFD 해석은 풍동시험과 동일한 조건으로 Fig. 4와 같이 격자를 생성하여 공력해석을 수행하였으며, 시행착오를 통해 풍동시험과 가장 유사한 결과가 나타나는 형상을 최종 형상으로 선정하였다. 풍동시험을 재현한 CFD 해석의 경계조건으로 유입류는 100m/sec이며 받음각은 0°이다.
공력해석은 마하수 0.3 ∼ 0.9, 받음각 0° ∼ 30°, Bank Angle 0°, 30°, 60°의 범위에서 수행되었다.
따라서 Bank Angle은 0°, 30°, 60°에 대해 해석을 수행하였고 받음각은 0° ～ 30° 범위에서 10° 간격으로 해석을 수행하여 공력 데이터베이스를 구축하였다.
또한, Bank Angle은 0°, 15°, 및 30°인 경우를 시험하였다.
수치해석을 통해 획득된 공력 계수의 오차가 비행 특성에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 비행탄도 계산에 가장 영향이 큰 축력 계수 값을 50%～ 150%로 변화시키며 비행탄도 계산을 수행, 그 결과를 분석하였다. Fig.
삼각 Ballute 발사체에 대한 풍동시험은 국방과학연구소의 소형 아음속 풍동에서 수행되었다. 시험에서는 발사체에 작용하는 힘과 모멘트 측정이 이루어졌으며, Ballute의 전개와 팽창 현상 등도 고찰되었다. 시험 속도는 30 ～ 100m/sec이었으며, 받음각의 범위는 -30° ～ +30°이었다.
압축성 효과를 고려한 공력 데이터베이스 구축을 위하여 마하수 0.3에서 0.9까지 0.1간격으로 받음각 0°와 10°에 대해 공력해석을 수행하였다.
이러한 가정을 바탕으로 CFD를 통한 공력해석을 수행하여 풍동시험 결과와 비교하였다. CFD 해석은 풍동시험과 동일한 조건으로 Fig.
효율적인 해석결과를 얻을 수 있는 격자 선정을 위해 격자수 변화를 통한 다수의 시험 계산을 수행하였다. 이러한 연구를 바탕으로 계산 정확도 대비 시간 효율이 우수한 격자 모델링을 선정하였으며, 전 비행영역으로 확장하여 발사체에 대한 수치계산을 수행하였다. 격자수는 약 70만개로 비정렬 격자(Unstructured Grid)를 사용하였으며 압력 변화가 큰 Ballute 주위에 많은 격자를 집중하였고 Ballute에 의한 후류의 영향을 충분히 모사하기 위해 Fig.
따라서 Bank Angle은 0°, 30°, 60°에 대해 해석을 수행하였고 받음각은 0° ～ 30° 범위에서 10° 간격으로 해석을 수행하여 공력 데이터베이스를 구축하였다. 측각에 대해서는 Bank Angle과 받음각을 조합하여 해당하는 값을 사용할 수 있도록 하였다.
풍동시험과 CFD 해석결과가 정성적ㆍ정량적으로 유사한 경향을 나타냄에 따라 Ballute의 팽창 형상모델에 대한 전 마하수 영역, 받음각 및 Bank Angle에 대하여 CFD 계산을 통한 공력 데이터베이스를 구축하였다.
효율적인 해석결과를 얻을 수 있는 격자 선정을 위해 격자수 변화를 통한 다수의 시험 계산을 수행하였다. 이러한 연구를 바탕으로 계산 정확도 대비 시간 효율이 우수한 격자 모델링을 선정하였으며, 전 비행영역으로 확장하여 발사체에 대한 수치계산을 수행하였다.

대상 데이터

이러한 연구를 바탕으로 계산 정확도 대비 시간 효율이 우수한 격자 모델링을 선정하였으며, 전 비행영역으로 확장하여 발사체에 대한 수치계산을 수행하였다. 격자수는 약 70만개로 비정렬 격자(Unstructured Grid)를 사용하였으며 압력 변화가 큰 Ballute 주위에 많은 격자를 집중하였고 Ballute에 의한 후류의 영향을 충분히 모사하기 위해 Fig. 5와 같이 전체 유동장의 크기는 발사체의 몸체 길이 기준 10배로 구성하였다.
본 연구를 통해 획득된 공력 계수의 신뢰성을 확인하기 위하여 발사체의 비행시험을 국방과학 연구소에서 수행하였다. 비행시험은 에어건을 사용하여 수행되었으며, 초기 고도 6m, 사격고각 3.
본 연구의 발사체 형상은 Fig. 2와 같이 원통형의 몸체에 삼각 Ballute이 부착되어 있는 형태이다. Ballute은 발사체 전체의 항력을 증가시켜 속도를 감소시키며, 비행 안정성을 확보하여 적절한 비행탄도의 확보를 가능하게 한다.
본 연구의 발사체는 원통형의 몸체에 삼각형 형태의 Ballute이 부착되어 있는 형태이다. Ballute은 발사체 전체의 항력을 증가시켜 속도를 감소시키며, 발사체의 비행 안정성을 확보하여 적절한 비행탄도를 가능하게 한다.

데이터처리

8%의 결과 차이를 나타내었다. 풍동시험과 CFD 계산을 통한 항력 계수 차이에 대한 영향은 공력 계수의 민감도 분석을 통해 평가되었다.
Ballute의 완전 팽창 형상은 제작치수와 풍동시험 결과 등을 고려하여 결정되었으며, 팽창 후 Ballute의 형상 변화는 없다고 가정하였다^[10,11]. 해석결과 획득된 공력 계수의 민감도 해석을 통해 공력 계수 변화에 의한 탄도특성 변화를 정량적으로 평가하였으며, 탄도 예측결과와 비행시험 결과를 비교하였다. 삼각 Ballute 발사체에 대한 풍동시험은 국방과학연구소의 소형 아음속 풍동에서 수행되었다.

이론/모형

지배 방정식으로 압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하였으며 수치기법으로 Cell 기반 유한 체적법, 난류모델은 κ-ε(Wall Function)을 이용하였다. 2차 풍상기법(Upwind Scheme), 내재적(Implicit) 시간 전진법, Roe의 FDS(Flux Difference Scheme) 기법을 사용하였으며 해석효율 및 정확도를 높이기 위해하여 저속에서 예조건화(Preconditioning) 기법을 이용하였다. 수치해석은 상용 프로그램인 FLUENT6.
본 연구에서는 삼각 Ballute을 가진 발사체의 비행 성능 예측 특히, 종말단계에서의 속도와 비행자세 등을 예측하기 위한 사전 연구 단계로 발사체의 공력특성을 확보하기 위한 수치적 연구가 수행되었다. 발사체의 공력특성은 전산유체역학(CFD) 기법을 사용하여 발사체 주위의 전체 유동장을 수치적으로 계산하여 획득되었다. Ballute의 완전 팽창 형상은 제작치수와 풍동시험 결과 등을 고려하여 결정되었으며, 팽창 후 Ballute의 형상 변화는 없다고 가정하였다^[10,11].
2차 풍상기법(Upwind Scheme), 내재적(Implicit) 시간 전진법, Roe의 FDS(Flux Difference Scheme) 기법을 사용하였으며 해석효율 및 정확도를 높이기 위해하여 저속에서 예조건화(Preconditioning) 기법을 이용하였다. 수치해석은 상용 프로그램인 FLUENT6.2와 CFD-FASTRAN 2008을 이용하였다. Fig.
지배 방정식으로 압축성 Navier-Stokes 방정식을 사용하였으며 수치기법으로 Cell 기반 유한 체적법, 난류모델은 κ-ε(Wall Function)을 이용하였다.

성능/효과

10의 b)는 고도 450m 지점에서의 공력 계수 변화에 따른 속도 변화를 나타내었다. 결과 그림에서 보듯이 축력 계수를 50%로 감소시킨 경우 고도 450m 지점에서의 속도가 36%의 오차를 나타내었으며 축력 계수를 150%로 증가시킨 경우 고도 450m 지점에서의 속도가 18%의 오차를 나타내었다.
10의 결과에서 축력 계수의 오차는 50% 감소한 경우가 150% 증가한 경우보다 큰 오차를 나타냄을 확인할 수 있었다. 마하수 0.3에서 CFD 해석결과는 풍동시험 결과 보다 최대 약 5.8%의 차이를 나타냈으며, 실제 비행 시 공력 불확실성을 고려하여 10%정도의 차이를 가정한다면, 사거리는 최대 8%, 고도 450m 지점에서 속도는 최대 2%의 범위를 가질 것으로 예측된다. Fig.
이는 레이놀즈수 효과로 속도가 낮은 저 레이놀즈수 유동에서는 속도가 감소함에 따라 항력이 증가함을 나타낸다[12]. 마하수 0.6 ～ 0.9의 범위에서는 압축성 효과에 의해 축력 계수가 증가하였으며 마하수 0.6을 전후하여 경향이 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 공력 데이터베이스 구축을 위한 최종 마하수는 0.
이 같은 삼각 Ballute이 부착된 발사체의 비행특성을 예측하기 위한 사전 연구단계로 저 비용의 공력해석 연구가 요구되어 전산유체역학 기법을 사용한 발사체의 공력해석 연구가 수행되었다. 발사체의 공력특성은 발사체 주위의 전체 유동장을 수치적으로 계산하여 획득되었으며, 풍동시험 결과 정성적ㆍ정량적으로 유사한 결과를 나타내어 획득된 공력 계수들의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 공력해석은 마하수 0.
본 연구를 통해 Ballute의 최종 전개형상을 예측하여 공력해석을 수행함으로서 저 비용으로 비행탄도 해석을 위한 공력 데이터베이스 구축이 가능함을 확인할 수 있었으며 그 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 보다 정밀한 연구를 위해 비행조건에 따른 Ballute의 형상 변형을 고려한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
9°, 초속 225m/sec로 비행시험을 수행한 결과 사거리는 320m 이었다. 본 연구에서 획득된 공력 계수를 사용하여 비행시험과 같은 조건으로 비행탄도 해석을 수행한 결과, Fig. 12와 같이 사거리는 316m로 나타났다. 비행시험과 본 연구를 통해 획득된 공력 계수를 이용한 비행탄도 사거리 해석 결과의 오차는 1.
12와 같이 사거리는 316m로 나타났다. 비행시험과 본 연구를 통해 획득된 공력 계수를 이용한 비행탄도 사거리 해석 결과의 오차는 1.25%에 불과하여 예측된 공력 계수의 신뢰성을 다시 한 번 확인할 수 있었다.
10의 a)는 축력 계수 변화에 따른 사거리 변화를 나타낸다. 비행탄도 계산결과에서 축력 계수를 50% 감소시킨 경우 사거리가 약 60%, 축력 계수를 150% 증가시킨 경우 사거리가 약 30%의 오차를 나타냈다.
9, 받음각 0° ∼ 30°, Bank Angle 0°, 30°, 60°의 범위에서 수행되었다. 해석결과 얻어진 공력 계수의 민감도 분석을 통해 비행탄도에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였으며, 실제 비행시험의 사거리와 비교한 결과 만족할 수준의 예측결과를 얻을 수 있었다.

후속연구

본 연구를 통해 Ballute의 최종 전개형상을 예측하여 공력해석을 수행함으로서 저 비용으로 비행탄도 해석을 위한 공력 데이터베이스 구축이 가능함을 확인할 수 있었으며 그 적용 가능성을 확인할 수 있었다. 향후 보다 정밀한 연구를 위해 비행조건에 따른 Ballute의 형상 변형을 고려한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Ballute는 어떤 기본형태를 갖는가?	1과 같이 크게 세가지의 기본 형태를 가지고 있다. 첫 번째로 Ballute 내부에 비행체를 감싸고 있는 고치형태(Cocoon Ballute)와 비행체에 직접 연결되어 그 기능을 수행하는 부착 형태(Attached Ballute), 마지막으로 Towed Ballute이라 하여 비행체의 뒤쪽에 밧줄로 연결되어 그 기능을 수행하는 형태가 있다[3,4]. 사용 용도에 따라서는 원형, 원추형, 도넛형, 삼각형 등 다양한 형태의 Ballute이 사용되고 있다.
	Ballute는 무엇인가?	Ballute은 Balloon과 Parachute의 기능과 형태를 결합한 합성어이며 주로 비행체에 장착되어 항력의 증가를 통한 감속 기능과 비행체의 안정성을 증가시키는 기능을 한다[1,2]. 이러한 Ballute은 Fig.
	Ballute에 대한 기술적 쟁점과 불확실성(Uncertainties)에 대한 연구로 무엇이 진행되고 있는가?	반면 Ballute에 대한 공력해석 및 제작은 매우 복잡하여 현재에도 Ballute에 대한 기술적 쟁점과 불확실성(Uncertainties)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 주요 쟁점으로는 Ballute의 최적형상, 내구성, 유동 안정성, 비행탄도, 전개 및 팽창, 풍동시험의 검증과 불확실성 등이 있다[5∼9].

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