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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 질량이 시간에 대해 변하는 Payload와 하강 중 존재하는 외부대기 교란의 효과를 포함한 낙하산 시스템의 거동을 알아보고자 한다. Payload는 일정 시간 동안 질량이 변하는 물체인 조명탄(Flare)으로 고려하였다.
- 본 연구에서는 질량 감소가 하강 낙하산 시스템의 동적 거동에 미치는 효과를 분석하였다. 이를 위해 먼저 낙하산과 조명탄의 항력 계수를 전산유체역학 기법을 이용하여 구한 다음, 기존 연구의 유사 낙하산 형상에 대한 항력 계수 데이터와 비교하여 검증하였다.
가설 설정
- 자유낙하와는 달리 낙하산, 조명탄 각각 항력에 기여하기 때문에 항력 계수를 따로 감안하였다. 기준 면적 및 항력 계수는 낙하산 16.0 m2, 0.833, 조명탄 0.0121 m2, 0.9273으로 가정하였다.
- 5 kg, 연소 시간은 250초, 연소 형태는 선형적 감소로 가정하였다. 낙하산 전개 시, 낙하산의 전개 시간을 조절하는 도구인 타이머를 비롯한 낙하산 덮개 등 약 0.5 kg의 장비가 분리되고, 낙하산의 전개 시간은 1초로 가정하였다. 조명탄의 풍향, 풍속에 따른 고도별 도달 시간 및 연소 완료 시간은 Table 3와 같이 예측되었다.
- 이는 일정한 규칙이 있는 것이 아니기 때문에 실제 대기 상황에 따른 자세를 예측하기 어렵다. 따라서 조명탄의 자유낙하에 따른 자세를 단순화하기 위하여 투하 시점에서부터 낙하산이 펼쳐지기 직전까지의 자세를 한 자세로 고정시켜, 투하 시점에서의 운반 항공기의 속도에 의해 횡축(x-축) 이동을 하더라도 자세는 변하지 않는 것으로 가정하였다.
- 해석 시 조명탄의 중량은 15 kg, 낙하산의 중량은 2 kg으로 가정하였다. 조명제는 8.5 kg, 연소 시간은 250초, 연소 형태는 선형적 감소로 가정하였다. 낙하산 전개 시, 낙하산의 전개 시간을 조절하는 도구인 타이머를 비롯한 낙하산 덮개 등 약 0.
- 즉 기준 평면 내에서 낙하산 및 조명탄의 궤적에 가장 크게 영향을 미칠 수 있는 방향인 위, 아래, 좌, 우 4개 풍향을 고려하였다. 좌, 우 방향의 외풍은 낙하산 및 조명탄의 궤적에만 영향을 줄 뿐, 시간에 따른 낙하거리에 큰 영향을 주지 못한다. 하지만 위, 아래 방향의 외풍은 시간에 따른 낙하 거리에 큰 영향을 주어 조명탄의 안전 고도를 고려하는데 중요한 인자가 된다.
- 외풍은 지면 마찰로 인해 지면 근처로 갈수록 풍속이 점점 줄어 지면에서는 영의 값을 갖는 지면 경계층 형태로 존재한다. 지면 경계층의 풍속 감소율은 Tanh 함수 형태, Tanh(z)≒1이 되기 시작하는 z값은 4로 가정하였다. 결과적으로 고도 h(m) 지점에서부터 감소가 시작되는 경계층의 식은 Tanh(4z/h)로 표현될 수 있다.
- m(t)는 조명탄의 연소에 의한 질량 변화를 반영한 낙하산 전체 시스템의 질량의 시간적 변화를 나타낸다. 질량 감소율은 시간에 따라 선형적으로 변하는 것으로 가정하였다. 따라서 조명탄의 질량은 식 (12)와 같이 표현될 수 있다.
- 해석 시 조명탄의 중량은 15 kg, 낙하산의 중량은 2 kg으로 가정하였다. 조명제는 8.
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