[논문]음원 분포선 위치가 발사체 이륙 음향하중에 미치는 영향

최상현; 이정권; 이익진

doi:10.5050/ksnve.2015.25.8.539

[국내논문] 음원 분포선 위치가 발사체 이륙 음향하중에 미치는 영향
Effect of Source Line Location on Lift-off Acoustic Loads of a Launch Vehicle 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.25 no.8, 2015년, pp.539 - 545

최상현 (Korea Aerospace Research Institute & KAIST) , 이정권 (Department of Mechanical Engineering, KAIST) , 이익진 (Department of Mechanical Engineering, KAIST)

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Intense acoustic load is generated when a launch vehicle lifts off, causing the damaging vibrations at the launch vehicle or satellite within the fairing. This paper is concerned with the prediction of lift-off acoustic loads for a launch vehicle. As a test example, the lift-off acoustic load on the Korean launch vehicle, NARO, is predicted by the existing calculation tool, the modified Eldred's second method. Although the acoustic sources, assumed as point sources, are to be located along the center line of the exhaust plume when using the Eldred's prediction method, the exact location of the deflected center line of exhaust gas flow is not usually known. To search for the most appropriate source positions, six models of source line distribution are suggested and the acoustic load prediction results from these models are compared with the actual measurements. It is found that the predicted sound pressure spectrum of the Naro is the most similar to the measured data when the centerline of the turbulent kinetic energy contour is used as the source line.

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주파수 범위 20~4,000 Hz의 1/3 옥타브 대역 각 중심 주파수에서 측정점에서의 음압 레벨을 예측하였다. 난류 유동 에너지 분포의 중심선을 음원 분포선으로 가정하여 0~5xt의 범위 내에 점음원을 등간격으로 분포시켰다. 음원의 개수가 부족할 경우 예측 정확도가 낮아지는데, 6,400개의 음원에 의해 계산된 음압 레벨을 측정 데이터와 같은 참조값으로 사용하고, 각 1/3 옥타브 대역의 중심 주파수에 대한 예측 음압 레벨과 측정 음압 레벨 차이의 절대값의 전체 주파수 영역에서의 평균을 다음 식을 이용하여 계산하였다.
70 m, α=30°, δ=30°이다. 최대 속도 라인을 유동의 축으로 가정할 수 있고, 또한 난류 소음이 발사체 음향 하중의 주 요인임을 감안하면 난류 유동 에너지 분포의 중심선을 음원 분포선으로 가정할 수 있다. 따라서 한국항공우주연구원에서 제공받은 전산 유동 해석 결과를 활용하여 최대 속도선과 난류 유동 에너지 분포의 중심선을 이 연구의 음원 분포선 모델에 Fig.

제안 방법

이 연구에서는 여섯 개의 음원 분포선 모델을 정의한 후 각 모델에 대하여 나로호 이륙 시 발사체 외부 표면에서의 음향 하중을 Eldred의 두 번째 소음원 분포 방법을 일부 수정하여 예측하였으며, 실제 발사 시 측정 결과와 비교하였다. 나로호 난류 유동 에너지 분포의 중심선을 음원 분포선으로 가정했을 때 측정점에서 가장 유사하게 예측할 수 있었다.
이 연구에서는 여섯 개의 음원 분포선 모델을 정의한 후 각 모델에 대하여 나로호 이륙 시 발사체 외부 표면에서의 음향 하중을 예측하여 실제 발사시 측정 결과와 비교한다. 우선 네 개의 기본적인 음원 분포선 모델은 Fig.
이 연구에서는 전산 유동 해석 결과를 참고하여 여섯 개의 음원 분포선 모델을 정의한 후 각 모델에 대하여 나로호 외부 표면에서의 이륙 음향 하중을 예측하여 실제 발사 시 측정 결과와 비교한다.

대상 데이터

5와 같이 유동과의 각도가 90°가 되는 지점에 위치한다. 음압 레벨 계산을 위한 입력 데이터는 선행 연구(2)와 한국항공우주연구원 자료로 부터 획득하였으며 일부 데이터는 Table 1과 같다.
1 dB 보다 작은데, Eldred 모델이 보통 ±4 dB 수준의 정확도를 가지는 것(1)을 감안하여 이 연구에서는 음원의 개수 400개가 충분하다고 판단하였다. 음원을 더 적게 사용해도 Eldred 모델의 정확도를 만족시킬 수 있으나 음원 400개를 사용할 때의 계산 시간이 1분(CPU 3.47 GHz, Ram 24 GB PC로 계산) 정도로 길지 않으므로 400개의 음원을 사용하였다.

데이터처리

3장에서는 수정된 Eldred의 두 번째 음원 분포 방법을 이용하고 회절과 반사 영향을 추가로 고려하여 나로호 음향 하중을 예측한 결과와 나로호 발사시 발사체 표면에서 측정한 결과를 비교한다. 음압 센서는 Fig.

성능/효과

또한 각 주파수에 대한 음압 레벨 차이의 평균을 계산하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다. Table 3에 표기한 바와 같이, 나로호 난류 유동 에너지 분포의 중심선을 음원 분포선으로 가정했을 때 측정점에서 가장 유사하게 예측할 수 있었다.
나로호 난류 유동 에너지 분포의 중심선을 음원 분포선으로 가정했을 때 측정점에서 가장 유사하게 예측할 수 있었다. 난류 소음이 발사체 소음의 주요 요인임을 감안하면, 소음원을 난류 유동 에너지 중심선에 위치시키는 것이 타당하므로 이때 음압 레벨의 차이가 가장 작은 것이 타당한 결과라 할 수 있다.

참고문헌 (8)

Eldred, K., 1971, Acoustic Loads Generated by the Propulsion System, NASA SP-8072.
Park, S. H., Seo, S. H. and Jang, Y. S., 2011, Prediction of Lift-off Acoustic Loads of KSLV-I and Its Comparison with Flight Measurements, Aerospace Engineering and Technology, Vol. 10, No. 1, pp. 13~19.
Haynes, J. and Kenny, R. J., 2009, Modifications to the NASA SP-8072 Distributed Source Method II for Ares I Lift-off Environment Predictions, 15thAIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA-2009-3160.
Park, S. H., 2007, Development of Space Launch Vehicle, Noise and Vibration, Journal of KSNVE, Vol. 17, No. 5, pp. 16~26.
Park, S. R., Lee, K. H., Kong, B. H., Kang, K. T., Jang, S. J. and Lee, S. G., 2013, Impinging Jet Effects on Acoustic Load Prediction of Launch Vehicle, Proceedings of the Acoustical Society of Korea Annual Autumn Meeting, pp. 23~26.
Sutherland, L. C., 1993, Progress and Problems in Rocket Noise Prediction for Ground Facilities, 15th AIAA Aeroacoustics Conference, AIAA-93-4383.
Smith III, W. O., 2013, An Empirical and Computational Investigation into the Acoustical Environment at the Launch of a Space Vehicle, PhD Dissertation of Auburn University, USA.
Fukuda, K., Tsutsumi, S., Fujii, L., Ui, K., Ishii, T., Oinuma, H., Kazawa, J. and Minesugi, K., 2009, Acoustic Measurement and Prediction of Solid Rockets in Static Firing Tests, 15th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, AIAA 2009-3368.

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