[논문]몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 발사체 단 분리 운동 분석

오충석; 선병찬; 박용규; 노웅래

doi:10.5139/jksas.2015.43.4.341

몬테카를로 시뮬레이션을 이용한 발사체 단 분리 운동 분석
Stage Separation Analysis of Launch Vehicle Using Monte Carlo Simulation 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.4, 2015년, pp.341 - 348

오충석 (Korea Aerospace Research Institute) , 선병찬 (Korea Aerospace Research Institute) , 박용규 (Korea Aerospace Research Institute) , 노웅래 (Korea Aerospace Research Institute)

초록
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본 논문에서는 일반적인 발사체의 형상에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하여 분리 유격 분석을 수행하였다. 단 분리는 매우 짧은 시간동안 이루어지며, 매우 많은 운동 변수가 관계되고 충돌 발생시 발사 실패가 나타나는 매우 중요한 비행 이벤트이다. 다양한 오차요인이 무작위(random)로 발생하는 경우에도 설정된 유격조건 내에서 분리가 됨을 확인하기 위해 일반적인 발사체 형상에 대한 단 분리 분석을 수행하였다. 몬테카를로 분석 기법을 발사체 단 분리 분석에 적용함으로서 단 분리 운동시 확률적인 결과들을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper addresses Monte-Carlo simulation analyses for the stage separation of the general launch vehicle. The stage separation event of the launch vehicle occurs during a very short time and is related with many dynamic parameters. The stage separation is a critical event in that the launch fails if there is a collision during the stage separation. The stage separation analyses was conducted for the general launch vehicle to confirm the separation without collision within the designed clearance in case of the random input parameters. This paper presents the stochastic results of the stage separation of the launch vehicle using the Monte-Carlo simulation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 단 분리 운동 입력 파라미터의 허용오차 구간 내에서 가장 최악으로 나타나는 분리 유격 조건과 몬테카를로 시뮬레이션에 의해 각 개별 변수들이 무작위로 조합되어 발생하는 경우를 비교하여 단 분리 유격 특성을 분석하였다. 일반적인 발사체 형상을 적용하였으며 단 분리 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 Worst 시뮬레이션 결과를 비교하였다.

가설 설정

가속 모터(UM, ullage motor)의 작동시간은 2단 엔진의 점화 특성에 의해 결정되며 4.5 s로 가정하였다. Table 3의 가속 모터 규격을 적용하였다.
입력 파라미터의 민감도 분석을 수행하였으며 그 결과 단 분리 입력 데이터 중 이탈각 변동에 크게 영향을 주는 1단 발사체 횡방향 무게 중심(ycg,st1, zcg,st1), 단 분리 시점 Y, Z축 각속도(wy, wz) 및 역추진 모터 추력(T), 역추진 모터 추력 지연시간(ΔtRM), 역추진 모터 기축 방향에 대한 기울임 각(θT) 및 역추진 모터 추력의 중심 지향각(α)의 입력 데이터만 Uniform 분포로 가정하여 분석을 수행하였다.

제안 방법

1단 엔진 종료 명령 후 약 7초간 시뮬레이션을 수행하였다. 역추진 모터는 구조적으로 Interstage나 Intertank 또는 후방 동체에 부착가능하다.
Figure 4는 6자유도 단 분리 운동을 위한 단 분리 모델을 나타낸 것이다. 6자유도 시뮬레이션 방정식을 적용해 운동분석을 수행하였으며 Fig. 2-4에서와 같이 역추진 모터와 가속 모터가 각각 배치된 경우에 대해 1단, 2단 발사체의 힘․모멘트 운동식을 각각의 기체축 좌표에 대하여 나타낼 수 있다. 참고로 다음 식(1)-(6)은 역추진 모터와 가속모터, 중력 및 엔진 잔류, 시동 추력에 의해 기체축에 작용하는 힘을 나타낸다.
참고문헌[1]-[8]에는 이와 같은 단 분리와 관련한 연구가 수행되었다. 단 분리시 역추진 모터 위치에 따른 횡방향 유격 등에 대한 분석이 수행되었다[1]. 참고문헌[2]-[4]는 인도 PSLV, GSLV 발사체의 단 분리 시스템 소개와 분리시 유격과 상대 속도에 대한 분석이 수행되었다.
) 및 역추진 모터 추력의 중심 지향각(α)의 입력 데이터만 Uniform 분포로 가정하여 분석을 수행하였다. 단 분리시 이탈각 변화에 크게 영향을 주지 않은 입력 파라미터는 Worst 결과 값과 비교를 위해 Worst 시뮬레이션 입력값을 적용하였다.
발사체 단 분리시 다양한 오차요인이 무작위(Random)로 발생하는 경우에도 설정된 유격조건 내에서 분리가 됨을 확인하기 위해 일반적인 발사체 형상에 대한 단 분리 분석을 수행하였으며 참고문헌[9]-[14]에도 유사한 연구 결과가 제시되었다. 몬테카를로 분석 기법을 단 분리 분석에 적용함으로서 단 분리 운동시 확률적인 결과들을 예측하였다.
역추진 고체 모터 추력 벡터의 방향을 나타내는 각 즉 중심 지향각 α와 기축에 대한 기울임각(cantangle) θT를 정의하였다.
본 논문에서는 단 분리 운동 입력 파라미터의 허용오차 구간 내에서 가장 최악으로 나타나는 분리 유격 조건과 몬테카를로 시뮬레이션에 의해 각 개별 변수들이 무작위로 조합되어 발생하는 경우를 비교하여 단 분리 유격 특성을 분석하였다. 일반적인 발사체 형상을 적용하였으며 단 분리 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 Worst 시뮬레이션 결과를 비교하였다. Worst Case 조건의 경우 시뮬레이션 시간은 짧으나 보수적인 결과를 나타낼 수 있고 몬테카를로 시뮬레이션은 실제와 유사한 결과를 얻을 수 있으나 시뮬레이션 시간이 매우 많이 요구되는 단점이 있다.
5 deg/s까지 고려하였다. 입력 파라미터의 Uniform 분포를 갖는 경우에 대해 몬테카를로 시뮬레이션 분석을 수행하였다.
편차(3σ)는 단 분리시 이탈각 요구 조건에 의해 도출되었으며 충분한 안전 여유를 갖도록 설정하였다.

이론/모형

역추진 모터는 구조적으로 Interstage나 Intertank 또는 후방 동체에 부착가능하다. 그러나 Intertank에 역추진 모터가 부착되면 이탈각 및 화염간섭 측면에서 가장 좋은 위치이므로 Fig. 5와 같은 배치형태에 대하여 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.

성능/효과

Figure 9는 단 분리시 2단 노즐 중심의 단 분리면상에서의 위치를 나타낸다. Worst 경우보다 몬테카를로 결과들이 더 큰 유격을 갖으며 분리면 상에 위치해 있어 안전하게 분리면을 이탈함을 확인할 수 있다. 2단 노즐의 분리면 이탈시 2단 노즐 중심은 역추진 모터(RM)와 가속모터(UM)의 고장유무에 상관없이 단 분리면에 유사하게 분포하고 있음을 알 수 있다.
76deg 값을 가져 요구조건 9 deg의 47% 이탈각 여유를 갖고 있으며 Worst Case에 비해 2 deg 정도 안전여유를 더 가지는 것으로 분석된다. 그 결과 단 분리시 입력 파라미터의 무작위(random) 선택의 경우에는 더 충분한 안전 여유를 가지며 주어진 유격 조건에서 충돌 없이 단 분리가 발생함을 확인할 수 있다.
Worst Case 조건의 경우 시뮬레이션 시간은 짧으나 보수적인 결과를 나타낼 수 있고 몬테카를로 시뮬레이션은 실제와 유사한 결과를 얻을 수 있으나 시뮬레이션 시간이 매우 많이 요구되는 단점이 있다. 몬테카를로 분석 결과 1/2단 분리의 경우 고장이 없는 경우 최대 이탈각이 4.60 deg, 역추진 모터와 가속모터가 1개 고장이 있는 경우 최대 이탈각이 4.76deg 값을 가져 요구조건 9 deg의 47% 이탈각 여유를 갖고 있으며 Worst Case에 비해 2 deg 정도 안전여유를 더 가지는 것으로 분석된다. 그 결과 단 분리시 입력 파라미터의 무작위(random) 선택의 경우에는 더 충분한 안전 여유를 가지며 주어진 유격 조건에서 충돌 없이 단 분리가 발생함을 확인할 수 있다.
6-9은 몬테카를로 시뮬레이션 결과를 보여준다. 분석 결과로 상대속도, 거리 각단 각속도 변화량, 이탈 시간, 횡방향 거리 및 이탈각등을 정리하였다. Table 7에서와 같이 RM, UM 고장이 없는 경우 이탈각 평균값은 2.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단 분리 장치는 어떻게 구성되는가?	단 분리 장치는 결합되어 있던 구조체를 절단(severing) 하는 파이로 볼트 또는 선형 화약 장치와 상대 분리 속도를 제공하기 위한 역추진 모터(retro motor) 또는 스프링으로 구성된다. 이러한 분리 시스템 설계시 비행의 실패 확률을 줄이기 위해 가장 신뢰성이 높은 방식이 사용되어야 하며, 분리 충격이 적고 오염 가능성이 낮은 방식으로 선정되어야 한다.
	발사체의 1단부에 주로 사용되는 모터는 무엇인가?	일반적인 발사체의 1단부에는 여러 개의 엔진이 사용되는데 액체 엔진의 특성상 잔류 추력 구간(tail off period)에서 엔진간 추력 차이가 가장 크게 발생한다. 따라서 이러한 추력 차이가 있고,예측이 어려운 추력 프로파일 조건에서는 연소 종료된 1단을 밀어내기 위해 1단에 역추진 모터(retro motor)가 주로 사용된다. 또한 2단은 엔진점화를 위한 필요한 추진제 안정화 및 공급을 목적으로 적정한 전방향 가속도가 필요하며, 이를 위해 가속 모터(ullage motor)를 사용한다.
	몬테카를로 시뮬레이션 결과와 Worst 시뮬레이션 결과의 차이는 어떻게 나타나는가?	일반적인 발사체 형상을 적용하였으며 단 분리 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 Worst 시뮬레이션 결과를 비교하였다. Worst Case 조건의 경우 시뮬레이션 시간은 짧으나 보수적인 결과를 나타낼 수 있고 몬테카를로 시뮬레이션은 실제와 유사한 결과를 얻을 수 있으나 시뮬레이션 시간이 매우 많이 요구되는 단점이 있다. 몬테카를로 분석 결과 1/2단 분리의 경우 고장이 없는 경우 최대 이탈각이 4.60 deg, 역추진 모터와 가속모터가 1개 고장이 있는 경우 최대 이탈각이 4.76deg 값을 가져 요구조건 9 deg의 47% 이탈각 여유를 갖고 있으며 Worst Case에 비해 2 deg 정도 안전여유를 더 가지는 것으로 분석된다. 그 결과 단 분리시 입력 파라미터의 무작위(random) 선택의 경우에는 더 충분한 안전 여유를 가지며 주어진 유격 조건에서 충돌 없이 단 분리가 발생함을 확인할 수 있다.

참고문헌 (14)

Oh, C., et al., "Stage separation system survey and analysis of a multistage launch vehicle," Proceeding of the 2010 KSAS Fall Conference, 2010, pp. 771-775.
Jeyakumar, D., and Biswas, K. K., "Stage separation system design and dynamic analysis of ISRO launch vehicles," Journal of Aerospace Sciences & Technologies, Vol. 55, 2003, pp. 211-222.
Rao, B. N., et al., "Rigid body separation dynamics for space launch vehicles," The Aeronautical Journal, 2006, pp. 289-302.
Jeyakumar, D., and Biswas, K. K., "Stage separation dynamic analysis of upper stage of a multistage launch vehicle using retro rockets," Mathematical and Computer Modelling, Vol. 41, 2005, pp. 849-866.

상세보기
Paglia, F., et al., "Vega launcher aerodynmaics at separation of 1st stage," AIAA/ASME Joint Propulsion Conference, AIAA-2007-5859, 8-11 July 2007, Cincinnati, OH
Huebner, L. D., "Ares I-X flight test vehicle similitude to the Ares I crew launch vehicle" Acta Astronautica, Vol. 65, 2009, pp. 1706-1716.

상세보기
Mayers, S. L., Beard, B., and Smith, R., "Ares I stage separation system design certification testing," 56th JANNAF Propulsion Meeting, 14-17 Apr. 2009.
Tartabini, P. V., and Starr, B. R., "Ares I-X separation and reentry trajectory analyses," AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, AIAA-2011-6462, 8-11 August 2011, Portland, Oregon
Singaravelu, J., Jeyakumar, D., and Nageswara Rao, B., "Taguchi's approach for reliability and safety assessments in the stage separation process of a multistage launch vehicle," Reliability Engineering and System Safety, Vol. 94, 2009, pp.1526-1541.

상세보기
Roshanian, J., and Talebi, M., "Monte Carlo simulation of stage separation dynamic of a multistage launch vehicle," Applied Mathematics and Mechanics, Vol. 29, 2008, pp.1411-1426.

상세보기
Hanson, J. M., and Hall, C. E., "Learning about Ares I from Monte Carlo simulation," AIAA Guidance, Navigaton and Control Conference and Exhibit, AIAA-2008-6622, 18-21 August 2008, Honolulu, Hawaii
Roh, W. R., Cho, S. B., Ko, J. H., Sun, B. C., Kim, J. Y., Park, J. J., and Cho, G. R., "Trajectory and Attitude Analysis for the 1st Flight Test of KSLV-I Launch Vehicle," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 38, No. 3, 2010, pp.213-220

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Park, Y. K., Sun, B. C., Roh, W. R., and Oh, C. S., "A Study of Attitude Contorl and Stability Analysis Using D-Decomposition Stability Area Technique for Launch Vehicle," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 37, No. 6, 2009, pp.537-544

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Sun, B. C., Park, Y. K., and Choi, H. D., "Attitude Contorl Design and Analysis for Thrust Vector Control System of 3-Staged Launch Vehicle," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 33, No. 2, 2005, pp.67-74

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