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극초음속 비행체의 구조설계를 위한 공력 열하중 요소 개발

Development of Aerodynamic Thermal Load Element for Structural Design of Hypersonic Vehicle

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.11, 2018년, pp.892 - 901  

강연철 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  김규빈 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  김정호 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  조진연 (Department of Aerospace Engineering, Inha University) ,  김헌주 (Agency for Defense Development)

초록
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본 연구에서는 극초음속 비행체의 공력/열/탄성학적 거동을 반영할 수 있는 효율적인 공력 열하중 요소를 개발하였다. 빈번하게 설계 변경이 이루어지는 초기 설계 단계에서 효율적으로 사용될 수 있도록 준 해석적인 관계식을 적용하여 공력 하중과 열 하중을 구조 변형의 함수로 기술하고, 이를 기반으로 공력 열하중 요소를 정식화하였다. 정식화된 요소는 상용 프로그램의 사용자 서브루틴 형태로 구현하였으며, 이를 이용하여 극초음속 비행체 조종면의 공력/열/탄성학적 유한요소 연계해석을 수행하고 그 유용성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

An efficient aerodynamic thermal load element is developed to reflect the effect of coupled aero-thermo-elastic behaviors in the early design stage of hypersonic vehicle. To this aim, semi-analytic relationships depending on structural deformation are adopted for pressure and thermal load, and the e...

주제어

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문제 정의

  • 본 연구에서는 극초음속 비행체 개발 시 초기 구조설계 단계부터 공력/열/탄성학적 연계거동을 효율적으로 반영할 수 있는 효율적인 공력 열하중 요소를 개발하였다.
  • 이에 본 연구에서는 극초음속 환경에서 운용되는 비행체의 공력/열/탄성학적 연계거동을 효율적으로 해석할 수 있는 공력 열하중 요소를 개발하였다. 그리고 이를 통해 초기 설계 단계부터 공력/열/탄성학적 연계거동을 감안하여 공력가열 현상을 반영할 수 있도록 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
극초음속은 무엇인가? 극초음속이란 일반적으로 음속보다 5배 이상 빠른 속도영역을 일컬으며[1], 이런 의미에서 인류가 만든 최초의 극초음속 비행체는 1949년 2월 24일 발사된 기상관측로켓 Bumper이다[2]. 1950-60년대는 미국과 러시아(구 소련)의 냉전 그리고 우주개발 경쟁과 맞물려, 우주선 귀환캡슐의 재진입 연구, X-15 유인 로켓 추진 실험기 실증 연구 등과 같이 극초음속 연구가 본격적으로 수행된 시기이다[3].
인류가 만든 최초의 극초음속 비행체는 무엇인가? 극초음속이란 일반적으로 음속보다 5배 이상 빠른 속도영역을 일컬으며[1], 이런 의미에서 인류가 만든 최초의 극초음속 비행체는 1949년 2월 24일 발사된 기상관측로켓 Bumper이다[2]. 1950-60년대는 미국과 러시아(구 소련)의 냉전 그리고 우주개발 경쟁과 맞물려, 우주선 귀환캡슐의 재진입 연구, X-15 유인 로켓 추진 실험기 실증 연구 등과 같이 극초음속 연구가 본격적으로 수행된 시기이다[3].
극초음속 비행체의 공력/열/탄성학적 거동을 반영할 수 있는 효율적인 공력 열하중 요소를 개발하기 위해 수행한 것은 무엇인가? 본 연구에서는 극초음속 비행체의 공력/열/탄성학적 거동을 반영할 수 있는 효율적인 공력 열하중 요소를 개발하였다. 빈번하게 설계 변경이 이루어지는 초기 설계 단계에서 효율적으로 사용될 수 있도록 준 해석적인 관계식을 적용하여 공력 하중과 열 하중을 구조 변형의 함수로 기술하고, 이를 기반으로 공력 열하중 요소를 정식화하였다. 정식화된 요소는 상용 프로그램의 사용자 서브루틴 형태로 구현하였으며, 이를 이용하여 극초음속 비행체 조종면의 공력/열/탄성학적 유한요소 연계해석을 수행하고 그 유용성을 확인하였다.
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참고문헌 (29)

  1. Anderson, J. D., Jr., Fundamentals of Aerodynamics, International Student Ed., McGraw-Hill, Singapore, 1985, p. 39. 

  2. McNamara, J. J., and Friedmann, P. P., "Aeroelastic and Aerothermoelastic Analysis in Hypersonic Flow: Past, Present, and Future," AIAA Journal, Vol. 49, No. 6, 2011, pp. 1089-1122. 

  3. Anderson, J. D., Jr., Hypersonic and High-Temperature Gas Dynamics, 2nd edition, AIAA Education Series, AIAA, Virginia, U.S.A., 2006, pp.2-4. 

  4. Thompson, M. O., At the Edge of Space: The X-15 Flight Program, Smithsonian Institution Press, Washington and London, 1992. 

  5. Augenstein, B. W., and Harris, E. D., "The National Aerospace Plane (NASP): Development Issues for the Follow-on Vehicle, Executive Summary," RAND, R3878/1-AF, Santa Monica, CA, U.S.A., 1993. 

  6. Harsha, P. T., Keel, L. C., Castrogiovanni, A., and Sherrill, R. T., "X-43A Vehicle Design and Manufacture," AIAA/CIRA 13th International Space Planes and Hypersonics Systems and Technologies, AIAA2005-3334, 2005. 

  7. Norris, G., "High-Speed Strike Weapon To Build On X-51 Flight," Aviation Week & Space Technology, URL: http://aviationweek.com/awin/high-speed-strike-weapon-build-x-51-flight [retrieved 20 May 2013]. 

  8. Gibson, N., and Fiorenza, N., "Russia unveils Kinzhal hypersonic missile," IHS Jane's Defence Weekly, URL: https://www.janes.com/article/78635/russia-unveils-kinzhal-hypersonic-missile [retrieved 15 March 2018] 

  9. Majumdar, D., "We Now Know How Russia's New Avangard Hypersonic Boost-Glide Weapon Will Launch," The National Interest, URL: [https://nationalinterest.org/blog/the-buzz/we-now-know-how-russias-new-avangard-hypersonic-boost-glide-25003 [retrieved 20 March 2018] 

  10. Panda, A., "Introducting the DF-17: China's Newly Tested Ballistic Missile Armed With a Hypersonic Glide Vehicle," The Diplomat, URL: https://thediplomat.com/2017/12/introducing-the-df-17-chinas-newly-tested-ballistic-missile-armed-with-a-hypersonic-glide-vehicle/ [retrieved 28 December 2017] 

  11. Howe, D., Aircraft Conceptual Design Synthesis, Professional Engineering Publishing, Suffolk, United Kingdom, 2000, p. 3. 

  12. Thornton, E. A., and Dechaumphai, P., "Coupled Flow, Thermal, and Structural Analysis of Aerodynamically Heated Panels," Journal of Aircraft, Vol.25, No. 11, 1988, pp.1052-1059. 

  13. Dechaumphai, P., Thornton, E. A., and Wieting, A. R., "Flow-Thermal-Structural Study of Aerodynamically Heated Leading Edges," Journal of Spacecraft, Vol. 26, No. 4, 1989, pp.201-209. 

  14. Falkiewicz, N. J., and Cesnik, C. E. S., "A Reduced-Order Modeling Framework for Integrated Thermo-Elastic Analysis of Hypersonic Vehicles," 50th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, AIAA 2009-2308, Palm Spring, CA, U.S.A., 2009. 

  15. Falkiewicz, N. J., Cesnik, C. E. S., Crowell, A. R., and McNamara, J. J., "Reduced-Order Aerothermoelastic Framework for Hypersonic Vehicle Control Simulation," AIAA Journal, Vol. 49, No. 8, 2011, pp.1625-1646. 

  16. Culler, A. J., and McNamara, J. J., "Impact of Fluid-Thermal-Structural Coupling on Response Prediction of Hypersonic Skin Panels," AIAA Journal, Vol.49, No.11, 2011, pp. 2393-2406. 

  17. Crowell, A. R., McNamara, J. J., and Miller, B. A., "Hypersonic Aero-thermoelastic Response Prediction of Skin Panels Using Computational Fluid Dynamics Surrogates," ASD Journal, Vol. 2, No. 2, 2011, pp. 3-30. 

  18. Ricketts, R. H., Noll, T. E., Whitelow, W., Jr., and Huttsell, L. J., "An Overview of Aeroelasticity Studies for the National Aero-Space Plane," 34th Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, La Jolla, CA, U.S.A., AIAA-93-1313-cp, 1993. 

  19. Zhang, W. W., Ye, Z. Y., Zhang., C. A., and Liu, F., "Supersonic Flutter Analysis Based on a Local Piston Theory," AIAA Journal, Vol. 47, No. 10, 2009, pp. 2321-2327. 

  20. Falkiewicz, N. J., "Reduced-Order Aerothermoelastic Analysis of Hypersonic Vehicle Structures," Ph.D. dissertation, The University of Michigan, MI, U.S.A., 2012. 

  21. Ellis, D. A., Pagel, L. L., and Schaeffer, D. M., "Design and Fabrication of a Radiative Actively Cooled Honeycomb Sandwich Structural Panel for a Hypersonic Aircraft," NASA-CR-2057, 1978. 

  22. MIL-HDBK-5H: Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures, 1998. 

  23. Boyer, R., Collings, W. G., and Welsch G., Materials Properties Handbook: Titanium Alloys, ASM International, 1994. 

  24. Leyens, C., and Peters, M., Titanium and Titanium Alloys, Wiely-VHC, betz-druck, GmbH, Darmstadt, Germany, 2003. 

  25. http://www.matweb.com/serach/DataSheet.aspx?MatGUIDa74096c99aa6486382a9c9e1be0883c4 

  26. Lighthill, M. J., "Oscillating Airfoils at High Mach Numbers," Journal of The Aeronautical Sciences, Vol. 20, No. 6, 1953, pp. 402-406. 

  27. Hoffmann, K. A., and Chiang, S. T., Computational Fluid Dynamics, Vol. 1, 4th edition, Engineering Education System, Wichita, Kansas, U.S.A., 2000. 

  28. Abaqus User Subroutines Reference Manual v6.10. 

  29. Rudd, L., and Lewis, M. J., "Comparison of Shock Calculation Methods," Journal of Aircraft, Vol. 35, No. 4, 1998, pp. 647-649. 

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