[논문]풍동시험과 CFD 해석 결과를 반영한 유도무기 조종날개 공력계수 모델링 기법 연구

임경진

doi:10.9766/kimst.2019.22.3.360

풍동시험과 CFD 해석 결과를 반영한 유도무기 조종날개 공력계수 모델링 기법 연구
A Study on the Modeling Method of Missile Fin Aerodynamic Coefficient using Wind Tunnel Test and CFD 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.22 no.3, 2019년, pp.360 - 368

임경진 (국방과학연구소 제1기술연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper

A study on aerodynamic modeling was performed to predict the hinge moments required for initial design of missile. Fin aerodynamic coefficients were modeled using the equivalent angle of attack method based on the wind tunnel test. In addition, CFD analysis was performed to calculate the dynamic pressure around the body and improve the accuracy of aerodynamic coefficients. The aerodynamic coefficient accuracy was verified by comparisons of the coefficient acquired from wind tunnel test and prediction of flow conditions, not involved in the model built-up. It was confirmed that fin aerodynamic coefficients can be predicted effectively by using the proposed method.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Body coordinate system and aerodynamic coefficients^[5]
그림 Fig. 2. Fin coordinate system and aerodynamic coefficients
그림 Fig. 3. Correlation of normal-force coefficient with equivalent angle of attack^[7]
그림 Fig. 4. Correlation of axial center-of-pressure position with normal-force coefficient^[7]
그림 Fig. 5. Fin number(ø = 0°, rear view)
그림 Fig. 6. Normal-force coefficient(Wind tunnel test)
표 Table 1. Wind tunnel test(WT) conditions
그림 Fig. 7. Correlation of normal-force coefficient with equivalent angle of attack
그림 Fig. 8. Correlation of axial center-of-pressure position with normal-force coefficient
그림 Fig. 9. Normal-force coefficient
그림 Fig. 10. Mach contour(M = 3.0, α = 10°)
그림 Fig. 11. Modeling Q_LOCAL (M = 3.0)
그림 Fig. 12. Comparison of Normal-force coefficient between WT data and modeling data(M = 3.0)
그림 Fig. 13. Comparison of Normal-force coefficient between WT data and modeling data using Q_LOCAL (M = 3.0)
그림 Fig. 14. Prediction of normal-force coefficient (with Q_LOCAL)
그림 Fig. 15. Prediction of axial center-of-pressure (with Q_LOCAL)

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

유도탄의 설계에 필요한 조종면의 공력 모델링 기법에 대한 연구를 수행하였다.

제안 방법

풍동 시험 결과를 바탕으로 등가받음각 기법을 적용하여 수직력 계수, 압력 중심을 모델링하고 그 결과를 확인하였다. 동체 주변 충격파의 영향으로 초음속에서 발생하는 국부적인 동압의 영향을 보정하기 위해 CFD 해석을 통한 날개 위치의 동압 모델링을 수행하였다. 모델링 식을 통해 Cz_h와 X_cp 모두 풍동시험과 유사하게 예측하는 것을 확인하였으며 동압 모델링을 통해 그 정확도가 향상되었다.
모델링을 통해 산출된 공력계수의 확장성의 확인을 위해 모델링 식에 반영되지 않은 뱅크각 45°, 날개 변위각 ±10°에서의 공력계수 산출 결과를 풍동시험 결과와 비교하였다.
압력중심 위치는 익근 시위(Root chord) 기준의 X_cp, 폭 기준의 Y_cp로 정해지고 X_cp는 날개의 힌지모멘트, Y_cp는 굽힘 모멘트를 결정한다. 본 연구에서는 날개의 힌지모멘트에 직접적인 영향을 주는 Cz_h와 X_cp의 모델링을 수행하였다.
0의 경우, 뱅크 각 0°에서는 모델링 결과가 풍동시험 결과와 유사하지만 뱅크각 45°에서 받음각이 ±10°가 넘어가면서 풍동시험 결과와 차이가 나타났다. 이는 모델링 식으로 충분히 예측하지 못한 유동 현상에 의한 것으로 판단하고 이 차이를 줄이기 위한 추가 CFD 해석을 수행하였다.
날개 주변 동압을 산출하기 위해서는 동체로 인해 발생하는 충격파와 동체-날개 간 간섭유동 등의 복잡한 유동 현상이 고려되어야 한다. 이론적 계산 기법이나 시험 측정으로는 한계가 있기 때문에 전반적인 유동 분포가 계산 가능한 CFD 해석을 통해 그 값을 산출하였다.
풍동 시험 결과를 바탕으로 등가받음각 기법을 적용하여 수직력 계수, 압력 중심을 모델링하고 그 결과를 확인하였다. 동체 주변 충격파의 영향으로 초음속에서 발생하는 국부적인 동압의 영향을 보정하기 위해 CFD 해석을 통한 날개 위치의 동압 모델링을 수행하였다.
힌지모멘트 예측에 필요한 공력계수를 모델링하기 위해 풍동시험을 수행하고 그 결과를 바탕으로 모델링 식을 산출하였다.

데이터처리

해석 형상은 날개를 제외한 동체만의 형상을 사용하였으며, 상용 프로그램인 Star-ccm+을 사용하여 3차원 압축성 해석을 수행하였다. CFD 해석 결과를 바탕으로 Fig.

이론/모형

힌지모멘트의 예측을 위해서는 이론적 산출기법과 수치해석 기법, 풍동시험을 통한 시험적 기법 등이 사용된다. 날개의 경우, 힌지 위치를 중심으로 한 압력 중심 위치의 부정확성과 동체와 날개에서 발생할 수 있는 유동의 상호 영향 등 여러 가지 변수가 있기 때문에 이를 모두 고려하여 정확한 값을 예측하기에는 한계가 있다.

성능/효과

모델링 식을 통해 Cz_h와 X_cp 모두 풍동시험과 유사하게 예측하는 것을 확인하였으며 동압 모델링을 통해 그 정확도가 향상되었다. 모델링에 반영되지 않은 조건에서의 조종날개 공력계수 정확도 검증을 통해 풍동시험을 수행하지 않은 영역에 대해서도 모델링 식을 사용해 효과적으로 힌지모멘트를 예측할 수 있는 것을 확인하였다.

후속연구

13에서 모델링된 Cz_h 식에 Q_LOCAL을 반영하였을 때 받음각 -5° 이하에서 모델링된 계수의 정확도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 받음각 10° 이상에서는 그 차이가 소폭 감소되었지만 여전히 큰 값을 보이며 이 차이의 보정을 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이외에도 풍동시험이 불가능한 받음각 범위와 다양한 마하수에서의 조종날개 공력 예측을 위한 연구를 수행할 예정이다. 향후 정확도 향상을 위한 모델링 기법의 개선, CFD 해석을 통한 다양한 유동 현상 반영 등의 추가 연구를 통해 더 넓은 영역의 정확한 조종면 공력계수 예측이 가능할 것으로 기대된다.
이외에도 풍동시험이 불가능한 받음각 범위와 다양한 마하수에서의 조종날개 공력 예측을 위한 연구를 수행할 예정이다. 향후 정확도 향상을 위한 모델링 기법의 개선, CFD 해석을 통한 다양한 유동 현상 반영 등의 추가 연구를 통해 더 넓은 영역의 정확한 조종면 공력계수 예측이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	힌지모멘트의 예측을 위해 사용되는 것은?	힌지모멘트의 예측을 위해서는 이론적 산출기법과 수치해석 기법, 풍동시험을 통한 시험적 기법 등이 사용된다. 날개의 경우, 힌지 위치를 중심으로 한 압력 중심 위치의 부정확성과 동체와 날개에서 발생할 수 있는 유동의 상호 영향 등 여러 가지 변수가 있기 때문에 이를 모두 고려하여 정확한 값을 예측하기에는 한계가 있다.
	힌지모멘트 예측을 위해 이론적인 계산 기법보다 CFD나 풍동시험을 통한 기법이 주로 사용되는 이유는?	힌지모멘트의 예측을 위해서는 이론적 산출기법과 수치해석 기법, 풍동시험을 통한 시험적 기법 등이 사용된다. 날개의 경우, 힌지 위치를 중심으로 한 압력 중심 위치의 부정확성과 동체와 날개에서 발생할 수 있는 유동의 상호 영향 등 여러 가지 변수가 있기 때문에 이를 모두 고려하여 정확한 값을 예측하기에는 한계가 있다. 따라서 힌지모멘트 예측을 위해 이론적인 계산 기법보다 CFD나 풍동시험을 통한 기법이 주로 사용된다[2,3].
	유도탄의 기동을 위해 사용하는 방법은?	유도탄의 기동을 위해서는 일반적으로 조종날개에 변위각을 주어 비행자세를 변화시키는 방법을 사용한다[1]. 이 때, 동체는 물론 조종날개에도 공력이 작용하게 되는데 이로 인해 조종날개의 구동축에 발생하는 모멘트를 힌지모멘트라 정의한다.

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