[논문]요격시험평가 안전구역 설정을 위한 AUTODYN을 이용한 파편분산 및 낙하 예측 모델링

강보현; 김상호; 박기순; 정봉철; 이석우

doi:10.9766/kimst.2019.22.6.745

요격시험평가 안전구역 설정을 위한 AUTODYN을 이용한 파편분산 및 낙하 예측 모델링
Debris Dispersion and Falling Prediction Modeling Using AUTODYN to Determine Interception Test Evaluation for Safety Zone 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.6, 2019년, pp.745 - 753

강보현 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 김상호 (건국대학교 스마트운행체공학과) , 박기순 (건국대학교 방위사업학과) , 정봉철 (건국대학교 항공우주설계인증연구소) , 이석우 (LIG넥스원(주) L-SAM체계단 1팀)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, with the development of long-range / high-altitude guided weapon system for defense against ballistic missile, test range and firing altitude for guided weapons are increasing. Due to the increase in the test range and the intercepting altitude, it is expected to increase the range of safety area required for the firing test. Comparing to the foreign countries which have many desert or non-residence, in the domestic circumstances where the population is concentrated and distributed, it is more important to predict the falling area and to set the safety area for safely carry out the long-range / high-altitude intercept test. In this paper, we consider the following three points. The first is the booster fall trajectory modeling, the second is the shroud fall trajectory modeling, and finally, the debris dispersion modeling for the missile intercept. Especially, the AUTODYN model was used to predict debris falling area which produced in the high-speed guided missile intercepting test.

주제어

표/그림 (25)

그림 Fig. 1. Analysis of debris area in long-distance/high-altitude guided missile test
그림 Fig. 2. Reference shape of THAAD
그림 Fig. 3. Falling trajectory modeling of booster
그림 Fig. 4. 3-DOF point mass model(3Aero forces (normal, axial, side), thrust, weight)
그림 Fig. 5. Drag coefficient by shape^[6]
그림 Fig. 6. Result of booster trajectory simulation
그림 Fig. 7. Shroud shape of THAAD
그림 Fig. 8. THAAD Shroud drawing
그림 Fig. 9. External domain mesh
그림 Fig. 10. Mach number contour(60 km, AOA = 0, Sideslip = 0)
표 Table 1. Analysis case
표 Table 2. Simulation setting parameters
그림 Fig. 11. Static pressure contour(60 km, AOA = 0, Sideslip = 0)
그림 Fig. 12. Free-falling shroud trajectory on the flat earth frame
그림 Fig. 13. Overview of safety area configuration
그림 Fig. 14. Warhead shape
그림 Fig. 15. The generated mesh and its section
그림 Fig. 16. Initial velocity and direction
그림 Fig. 17. Debris dispersion configuration
그림 Fig. 18. Debris dispersion direction and velocity
표 Table 3. Failure setting
그림 Fig. 19. Analysis of debris dispersion boundary
그림 Fig. 20. Speedand angle measurement of debris
표 Table 4. Input data of simulation
그림 Fig. 21. Debris dispersion result

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 부스터의 낙하궤적 계산을 통해 비행시험 시 낙하지점을 예측할 때 바람의 효과를 고려하고자 한다. 이에 각각 기체 중심축방향과 옆방향의 바람의 속도, V_A와 V_Y를 동역학 모델에 반영하였다.

가설 설정

따라서 공력중심이 부스터의 중심에 있다고 가정하는 것이 타당하다. 또한 부스터의 추진제가 다 사용되었다고 가정했을 때 부스터의 무게 중심도 부스터 형상의 중심에 있다고 가정할 수 있다.
본 논문에서는 AUTODYN 모델운영을 위한 임의의 입력값과 요격고도를 30 km로 가정하였다. 하지만 파편분산 낙하지점산출은 표적의 크기, 중량, 형상, 재질 및 요격고도 등에 따라 산출결과는 상이하다.

제안 방법

12는 CFD 계산 결과로 얻은 공력계수를 토대로 비행 동역학 원리를 적용한 shroud의 궤적 결과이다. MATLAB Simulink를 사용하여 THAAD의 초기 속도를 입력해 6DOF 계산을 진행하였다.
격자를 생성하면 Fig. 15와 같고 작은 파편 단위를 다루는 해석이기 때문에 조밀도 값을 70로 변경하여 격자의 조밀함을 높여주었다.
구조해석 프로그램인 AUTODYN을 활용하여 탄도탄과 요격탄의 충돌 시 파편의 분산을 AUTODYN으로 해석하고 생성된 파편의 질량, 위치, 속도 등의 초기 조건을 이용하여 파편의 낙하지점을 추정함으로써 충돌파편의 분산영역을 예측한다^[4].
파편의 낙하지역 설정은 탄도탄 및 유도탄별 최소 4개 지점에 대한 시뮬레이션이 필요하다. 그러므로 Fig. 19와 같이 파편의 속도와 상하단(자세각) 파편을 고려하여 X 축 및 Y축에 해당되는 파편의 대표적인 경계값을 선정 분석한다.
다음에 나올 본문에서는 booster의 낙하궤적 모델링을 시작으로하여 shroud 낙하궤적 모델링을 다룬 뒤,마지막으로 요격충돌 시 파편분산 모델링을 순서적으로 다룬다.
직격요격에 의한 충격으로 발생된 파편들은 어떠한 추력을 받지 않고 초기 속도를 가진 하나의 파편으로써 떨어진다. 따라서 2절의 Booster 낙하궤적 모델링 방법을 사용하여 AUTODYN 모델링에 의해 산출된 초기 속도와 자세각에 의해 낙하하는 시뮬레이션을 수행하였다.
또한 질량에 따라서도 초기 수행 질량의 50 %, 200% 각각의 경우에 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 두 경우 모두 매우 빠른 초기 속도로 인해 파편의 질량에 따른 거리의 차이가 생기지 않았다.
2의 부스터의 낙하궤적 시뮬레이션을 수행하여 MATLAB GUI(Graphic User Interface)를 통해 나타낸 것이다. 바람의 영향을 고려하여 각각 다른 전면 바람속도와 측면 바람속도의 값과 분리 고도와 초기속도 등을 임의로 대입하여 8가지의 경우의 궤적을 나타낸 것이다. 이 시뮬레이션을 토대로 바람 속도,분리고도, 초기속도 등을 원하는 입력값으로 대입하여 그 때의 최종 좌표를 구할 수 있다.
본 논문에서는 AUTODYN 시뮬레이션 결과 산출된 파편의 속도와 자세각을 입력값의 기반으로 하여 요격고도 30 km에서의 파편분산을 분석하였다. 탄도탄과 유도탄의 진행방향에 따라 파편분산방향이 각각 다르므로 탄도탄 파편 분산영역과 유도탄 파편 분산영역이 종합되어 Fig.
본 연구에서 기준으로 정한 형상은 THAAD이기 때문에 탄두 역시 THAAD의 탄두로 해석을 수행한다. Fig.
이 연구에서는 어떠한 정확한 초기자료값을 받아진행한 것이 아닌 THAAD로 형상을 정하여 임의로 어떠한 물성값을 이용하여 단순화한 형상에 대한 해석을 진행하였기 때문에 안전구역을 보다 보수적으로 넓게 설정하였다.
본 논문에서는 부스터의 낙하궤적 계산을 통해 비행시험 시 낙하지점을 예측할 때 바람의 효과를 고려하고자 한다. 이에 각각 기체 중심축방향과 옆방향의 바람의 속도, V_A와 V_Y를 동역학 모델에 반영하였다.
이와 달리 본 연구에서는 정량적인 계산값을 산출하기 위해 입력값을 대입하여 낙하지점을 예측하였다.
탄도탄 직격요격시 탄도탄과 유도탄의 충돌로 파편이 생성되어진다. 지상에 타격을 줄 수 있는 유효한 크기의 임의의 질량과 모양을 설정하고 추력 없이 매우 빠른 초기 속도를 갖는 파편을 시뮬레이션 하였다. 그 결과 낙하지점을 예측할 수 있다.
본 논문에서는 위 세 가지 낙하물에 대한 모델을 제시하였고, 특히 고속충돌 시 발생하는 낙하물에 대해서는 구조해석 프로그램인 AUTODYN 모델을 활용한다. 탄도미사일과 요격미사일의 충돌 시 파편 분산을 해석하고, 비행궤적을 산출하여 파편 분산 영역 예측방법을 제시하였다^[3].
탄도탄 고고도 요격사격 시험장 파편 낙하지점 예측을 위한 탄도탄 피탄 범위 예측 프로그램 개발의 필요성이 제기되어 Booster, Shroud, 및 파편 분산 등의 낙하물 비행궤적에 대한 모델링을 각각 수행하였다. 특히 AUTODYN 모델링을 통해 탄도탄 직격요격 시 파편의 생성 및 파편의 분산영역을 분석하여 탄도탄 실사격 시험 시 안전영역 예측 방법을 제시하였다.
탄도탄 고고도 요격사격 시험장 파편 낙하지점 예측을 위한 탄도탄 피탄 범위 예측 프로그램 개발의 필요성이 제기되어 Booster, Shroud, 및 파편 분산 등의 낙하물 비행궤적에 대한 모델링을 각각 수행하였다. 특히 AUTODYN 모델링을 통해 탄도탄 직격요격 시 파편의 생성 및 파편의 분산영역을 분석하여 탄도탄 실사격 시험 시 안전영역 예측 방법을 제시하였다. 실제 THAAD의 안전구역을 구하고자 한다면 실험이 우선되어야하고 실험을 통한 초기값 지정이 필요하며 확률통계적인 분포를 설정하여 접근해야 하지만 이에 관한 실험값들이 전무하며 제공받은 초기값 정보가 없기 때문에 실제 상황과 가능한 비슷하게 구성하여 방법적인 측면을 강조하였다.
파편분산 영역계산 시뮬레이션은 고도 30 km에서 AUTODYN 결과값으로 산출된 파편의 속도와 자세값을 기초로 시뮬레이션을 시행하였으며, 파편분산 영역계산을 위한 초기 입력값은 Table 4와 같다.

대상 데이터

재료는 알루미늄 합금으로 설정하였고 추가적인 주응력파손과 주변형율 파손을 설정하여 충돌 시 파편으로 쪼개어질 수 있도록 Table 3과 같이 값을 설정하였다.

이론/모형

마지막으로 고도에 따른 동압을 구하기 위해, 대기 모델로 ISA(International Standard Atmosphere)을 사용하여, 고도에 따른 ρ를 계산하도록 한다.
본 논문에서는 위 세 가지 낙하물에 대한 모델을 제시하였고, 특히 고속충돌 시 발생하는 낙하물에 대해서는 구조해석 프로그램인 AUTODYN 모델을 활용한다. 탄도미사일과 요격미사일의 충돌 시 파편 분산을 해석하고, 비행궤적을 산출하여 파편 분산 영역 예측방법을 제시하였다^[3].

후속연구

실제 THAAD의 안전구역을 구하고자 한다면 실험이 우선되어야하고 실험을 통한 초기값 지정이 필요하며 확률통계적인 분포를 설정하여 접근해야 하지만 이에 관한 실험값들이 전무하며 제공받은 초기값 정보가 없기 때문에 실제 상황과 가능한 비슷하게 구성하여 방법적인 측면을 강조하였다. 이는 Ballistic Missile Defence(BMD) system, 요격 파편 안전 분석 분야에 적용 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파편의 분산에 영향을 주는 요소들은 무엇이 있는가	또한, 파편의 분산에 영향을 주는 요소들로는 표적의 크기, 중량, 형상, 재질, 요격 고도 그리고 기상 등이 있다. 이러한 요격 특성에 따라 파편의 분산이 달라질 수 있기 때문에 각각의 요소들도 고려해야 한다.
	탄도탄을 방어하기 위한 유도무기 개발 시 탄도탄 요격시험에서 고려해야하는 것은 무엇인가	탄도탄을 방어하기 위한 유도무기 개발 시 탄도탄 요격시험을 수행하는데 있어 매우 다양한 제약조건이 존재한다. 영토 및 영해의 면적이 좁고, 대부분의 지역에 인구가 분포하고 있는 국내 여건 상 탄도탄 요격시험은 안전을 최우선적으로 고려해야 한다. 따라서 탄도탄 요격 체계의 비행시험 시 지상 및 해상의 안전 확보를 위해 낙하지점을 예측하는 것은 필수적이다. 또한, 탄도탄 요격체계 배치 이후 실제 탄도탄 교전 상황 발생 시, 요격체계 배치 및 운용 시방어자산의 피해를 최소화하기 위한 슈라우드 및 부스터 낙하 파편에 따른 안전영역 예측에 대한 고려가 필요하다[1].
	ANSYS AUTODYN은 어떤 프로그램이고 어떠한 문제를 해결할 수 있는가	ANSYS AUTODYN은 비선형 동역학 문제를 해석하기 위해 개발된 동역학 프로그램(Hydro Code/Explicit Code)으로 대 변위/대 변형 문제, 고체-유체 간의 연성 문제, 접촉, 관통, 폭발, 충돌처럼 일반 유한 요소 해석 프로그램으로는 처리하기 어려운 문제들을 쉽고 빠르게 해결할 수 있는 해석 솔루션이다. 또한 프로그램의 효율을 높이기 위해 2D와 3D로 분리되어 있으며, 4종류의 솔버(Solver)가 함께 포함되어 있다.

참고문헌 (6)

Lee, Y. S., Kim, H. C., Rhee, S. M., "A Study of Debris Risk Analysis Procedure for Hit to Kill Ballistic Missile Flight Test," The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 2016, No. 11, pp. 1194-1195.
J. N. Mule., D. McKnight., "Intercept Debris Safety Analysis and Avoidance Screening for Ballistic Missile Intercept Testing," SPIE's 1996 International Symposium on Optical Science, Engineering, and Instrumentation, Vol. 2813, pp. 2-5, 1996.
Kim, H. C., Rhee, S. M., Hong, D. O., Huh, L., Lee, S. W., "Development of a Computer Program for Estimation of Altitude-Dependant Debris Dispersion Range from Ballistic Missile Intercept by Collision," The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 2017, No. 4, pp. 639-640.
TSNE, ANSYS AUTODYN Training Manual, tsne, CH.2 - CH.7.
Morris R. Driels, "Weaponeering Conventional Weapon System Effectiveness Second Edition," American Institute of Aeronautics & Astronautics, 2013.
Sighard F. Hoerner, "Fluid-Dynamic Drag," 1965.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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