[논문]탄도탄 요격시험 안전구역 산출을 위한 모델링 및 시뮬레이션

이성균; 고진용; 한용수; 김창환

doi:10.9709/jkss.2020.29.1.001

탄도탄 요격시험 안전구역 산출을 위한 모델링 및 시뮬레이션
Estimation of Safety Area for Intercept Debris by Using Modeling and Simulation 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.29 no.1, 2020년, pp.1 - 9

이성균 , 고진용 (LIG넥스원 M&S연구팀) , 한용수 (LIG넥스원 성능분석팀) , 김창환 (LIG넥스원 M&S연구팀)

초록
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과학기술의 발전에 따라 탄도탄에 대한 위협이 나날이 증대되고 있으며, 이러한 위협에 대처하기 위한 탄도탄 요격미사일에 대한 개발이 요구되고 있다. 대탄도탄용 요격미사일의 개발을 위해서는 요격시험이 필수적이다. 시험을 통해 얻은 계측자료를 활용하여 요격미사일을 포함한 전체적인 요격 시스템의 성능을 확인할 수 있다. 그러나 요격시험 시에는 요격에 의한 파편이 발생되기 때문에 안전을 위한 민간인의 접근 통제가 필요하다. 따라서 요격시험에 앞서 요격 파편에 대한 안전구역의 신뢰도 높은 추정이 선행되어야 한다. 본 논문에서는 모델링 분석 및 시뮬레이션을 활용하여 요격 파편에 대한 안전구역을 산출하였다. 우선, 탄도탄과 요격미사일의 발사단계에서 요격까지의 전 과정에 대한 시뮬레이션을 수행하였고, 요격 시점에서의 상대 속도 및 상대 각도를 산출하였다. 이 결과를 활용하여 요격 시의 에너지를 계산하고 요격 파편의 방출속도를 산출하였다. 이후, 파편에 작용하는 항력과 중력을 고려하여 낙하 궤적을 산출하였고, 파편의 낙하 지점과 위험도를 종합적으로 고려하여 최종 안전구역을 산출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The ballistic missile threat continues to increase with the proliferation of missile technology. In response to this threat, many kinds of interceptors have been emphasized over the years. For development of interceptor, systematic flight tests are essential. Flight tests provide valuable data that can be used to verify performance and confirm the technological progress of ballistic missile defense system including interceptor. However, during flight tests, civilians near the test region could be risk due to a lot of intercept debris. For this reason, reliable estimate of safety area for the flight tests should be preceded. In this study, prediction of safety area is performed through modeling and simulation. Firstly, behaviors of ballistic missile and interceptor are simulated for those entire phase including interception to obtain the relative intercept velocity and the relative impact angle. By using obtained data of kinetic energy, the fragment ejection velocity is calculated and fragment trajectories are simulated by considering drag, gravity and wind effects. Based on the debris field formation and hazard evaluation of debris, final safety area is calculated.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Flow diagram of simulation
그림 Fig. 2. Variation of Sound speed and atmospheric density with respect to altitude
그림 Fig. 3. Simulation result of intercept procedure
표 Table 1. Principal dimension of ballistic missile
표 Table 2. Velocity and relative impact angle at interception
그림 Fig. 4. Maximum ejecta velocity with respect to fragment mass
그림 Fig. 5. Ejecta velocity of fragments
그림 Fig. 6. Trajectories of fragments
그림 Fig. 7. Simulation results (1-Run)
표 Table 3. Energy levels associated with personnel injury from fragments
표 Table 4. Injury characteristics for some common objects
그림 Fig. 8. Footprint of fragment (1-Run)
그림 Fig. 9. Trajectories of fragment with respect to fragment mass (CD: 1.0, A: 0.175)
표 Table 5. Safety area for fragment (1-Run)
표 Table 6. Range of Variable for Monte-Carlo simulation
그림 Fig. 10. Footprint of fragment (MonteCalro-Run)
그림 Fig. 11. Variation of safety area according to uncertainty variables
표 Table 7. Safety area for the intercept fragments

AI 본문요약
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문제 정의

심형석 등(2016)은 우주발사체의 파편 분산 관련 연구에서 불확실성 요인을 선정하고 파편 분산에 적용한 바 있다. 본 논문에서는 안전구역에 영향을 주는 불확실성 요인들을 선정하고 각 불확실성 요인에 대한 안전구역의 변화를 살펴보았다.

가설 설정

본 논문은 이러한 요격 과정 자체보다는 요격 파편의 거동에 대한 연구에 집중하였기에 요격 과정은 단순화하여 모의하였다. 탄도탄은 3자유도 질점모델로 가정하여 질량, 추력 그리고 중력을 반영하였다. 요격미사일의 공력은 Fleeman(2012)이 제안한 모델을 활용하여 항력, 수직항력 및 공력중심점을 산출하였으며 지배방정식은 식 (1)과 같다.

제안 방법

9는 파편 질량에 따른 요격 파편의 궤적을 비교한 것이다. 가시성을 위해 각 파편의 궤적 중 안전구역의 경계를 형성하는 파편의 궤적만을 도시하였다.
요격 시점에서의 탄도탄과 요격미사일의 상태를 산출하여 파편 낙하영역의 크기 뿐 아니라 구체적인 위치를 산출함으로써 안전구역의 신뢰도를 높였다. 또한 요격 파편의 형상 및 파편 방출속도와 같은 불확실성 요인의 영향을 몬테카를로 (MonteCalro) 시뮬레이션을 통해 확인하였고 이에 따른 낙하영역의 변화를 제시하였다.
탄도탄과 요격미사일의 추 력 및 제어 특성을 반영하여 요격 상황을 모의하였고, 요격 파편의 물리적 특성을 반영해 개발된 이론식을 활용하여 요격 파편의 궤적을 모의하였다. 또한, 지표면에 도달하는 파편의 위험성을 고려하여 안전구역을 설정하였다. 안전구역의 분산에 영향을 주는 대표적인 불확실성 요인들을 정의하고 각 요인들에 따른 파편 낙하영역의 변화를 살펴보았다.
1회 시뮬레이션 결과의 경우, 요격과정을 포함한 안전구역 설정에 대하여 기술하였다. 몬테카를로 시뮬레이션의 경우, 시뮬레이션 과정에서 불확실성에 기여할 수 있는 대표적인 변수들을 선정하고 불확실성 변수들에 대한 안전구역의 변화를 살펴보았다.
본 논문에서는 Table 3의 임계값(Threshold)을 기준으로, 14.91 Nm를 초과하는 에너지를 갖는 파편을 위험파편으로 분류하였다. Fig.
본 논문에서는 안전구역 산출을 위한 시뮬레이션 프로그램을 MATLAB을 활용하여 자체 개발하였다. 안전구역 산출을 위한 모델링은 크게 탄도탄과 요격미사일의 요격 과정 모의, 요격시의 파편 방출 과정 모의, 자유 낙하 파편의 궤적 모의, 그리고 지표면 도달 파편의 위험도 판별로 구분된다.
본 논문은 이러한 요격 과정 자체보다는 요격 파편의 거동에 대한 연구에 집중하였기에 요격 과정은 단순화하여 모의하였다. 탄도탄은 3자유도 질점모델로 가정하여 질량, 추력 그리고 중력을 반영하였다.
본 연구에서는 모델링 분석 및 시뮬레이션을 활용하여 요격과정이 포함된 요격 파편의 궤적을 모의하고 안전구역에 대한 분석을 수행하였다. 탄도탄과 요격미사일의 추 력 및 제어 특성을 반영하여 요격 상황을 모의하였고, 요격 파편의 물리적 특성을 반영해 개발된 이론식을 활용하여 요격 파편의 궤적을 모의하였다.
175의 값으로 설정했을 때의 결과이다. 시뮬레이션 결과분석을 통해 파편 낙하의 위험이 있는 영역으로서 안전을 위해 확보되어야 하는 영역을 산출하였다.
안전구역의 분산에 영향을 주는 대표적인 불확실성 요인들을 정의하고 각 요인들에 따른 파편 낙하영역의 변화를 살펴보았다.
앞에서 언급한 기법을 활용하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 결과를 1회 시뮬레이션 결과와 몬테카를로 시뮬레이션 결과로 나누어 제시하였다. 1회 시뮬레이션 결과의 경우, 요격과정을 포함한 안전구역 설정에 대하여 기술하였다.
본 논문에서는 탄도탄과 요격미사일의 발사단계에서 요격까지의 전 과정을 전체 시뮬레이션에 포함하였다. 요격 시점에서의 탄도탄과 요격미사일의 상태를 산출하여 파편 낙하영역의 크기 뿐 아니라 구체적인 위치를 산출함으로써 안전구역의 신뢰도를 높였다. 또한 요격 파편의 형상 및 파편 방출속도와 같은 불확실성 요인의 영향을 몬테카를로 (MonteCalro) 시뮬레이션을 통해 확인하였고 이에 따른 낙하영역의 변화를 제시하였다.
요격 파편의 항력계수의 범위는 여러 형상에 따른 항력계수 자료들을 참고하여 선정하였고, 파편 방출 속도 계수 ‘A’의 범위는 경험식의 제안 범위를 반영하였 다.
6 사이의 값, ρ_M은 해당 재질의 밀도, ζ는 상수로 5x10⁶ J/kg, V_CR은 임계 속도로 강철의 경우 3 km/s의 값을 각각 갖는다. 이렇게 얻어진 파편들의 초기 상태를 반영하여 이후 파편들의 낙하 궤적을 모의하였다.
탄도탄과 요격미사일의 거동을 포함한 요격과정의 시뮬레이션을 통해 Table 2와 같은 초기조건을 설정하였고, 이를 활용하여 요격 파편의 궤적을 산출하였다. 이후 지표면에 낙하한 파편들을 고려하여 안전구역을 설정하였다. Fig.
본 연구에서는 모델링 분석 및 시뮬레이션을 활용하여 요격과정이 포함된 요격 파편의 궤적을 모의하고 안전구역에 대한 분석을 수행하였다. 탄도탄과 요격미사일의 추 력 및 제어 특성을 반영하여 요격 상황을 모의하였고, 요격 파편의 물리적 특성을 반영해 개발된 이론식을 활용하여 요격 파편의 궤적을 모의하였다. 또한, 지표면에 도달하는 파편의 위험성을 고려하여 안전구역을 설정하였다.
요격 파편의 항력계수의 범위는 여러 형상에 따른 항력계수 자료들을 참고하여 선정하였고, 파편 방출 속도 계수 ‘A’의 범위는 경험식의 제안 범위를 반영하였 다. 파편 질량은 2장에서와 같이, 파편의 에너지가 위험 임계값을 갖도록 20g을 기준으로 설정하고 그 범위를 변화시켰다. 파편 질량의 경우, 최종 낙하 시의 위험도에 따라 질량의 경계를 설정해야 하며 경계값은 시험상황에 따라 동적인 특성을 가진다.
6은 항력계수를 1로 설정했을 때, 질량 20g인 파편의 낙하 궤적이다. 항력계수는 파편의 형상에 따라 각각 변화하므로 몬테카를로 시뮬레이션 시 파편 항력계수 의 범위를 지정하여 항력계수의 변화에 따른 낙하궤적의 변화를 확인하였다.
3은 탄도탄과 요격미사일의 발사단계에서 탄도탄이 요격미사일과 충돌하는 요격 시점까지의 시뮬레이션 결과이며, Table 2는 요격 시점에서의 요격속도 및 상대 충돌 각도를 보여준다. 해당 결과를 활용하여 이후 요격 파편의 방출 및 낙하 과정을 모의하였다.

대상 데이터

지금까지의 많은 연구는 지표면에서의 파편 낙하영역의 크기를 산출하는 것에 집중되었다. 본 논문에서는 탄도탄과 요격미사일의 발사단계에서 요격까지의 전 과정을 전체 시뮬레이션에 포함하였다. 요격 시점에서의 탄도탄과 요격미사일의 상태를 산출하여 파편 낙하영역의 크기 뿐 아니라 구체적인 위치를 산출함으로써 안전구역의 신뢰도를 높였다.

이론/모형

높은 고도에서의 비행궤적을 적절하게 모의하기 위해 국제표준대기(ISA: International Standard Atmosphere) 모델을 기반으로 고도에 따른 음속과 공기밀도를 산출하였다. 모의에 사용된 탄도탄의 제원은 Table 1과 같으며 국제표준대기모델을 활용했을 때의 고도에 따른 음속 및 공기밀도는 Fig.
탄도탄은 3자유도 질점모델로 가정하여 질량, 추력 그리고 중력을 반영하였다. 요격미사일의 공력은 Fleeman(2012)이 제안한 모델을 활용하여 항력, 수직항력 및 공력중심점을 산출하였으며 지배방정식은 식 (1)과 같다.
유도미사일의 유도과정 모의를 위해 식 (2)와 같은 비례항법유도(PNG: Proportional Navigation Guidance)를 활용하였다.

성능/효과

안전구역의 분산에 영향을 주는 대표적인 불확실성 요인들을 정의하고 각 요인들에 따른 파편 낙하영역의 변화를 살펴보았다. 파편들의 항력계수 및 방출속도, 그리고 질량 범위의 변화에 따라 파편의 분산 범위가 광범위하게 분포할 가능성이 있음을 확인하였다.

후속연구

보다 정확한 안전구역 추정을 위해서는 실제 요격시험의 결과를 반영하여 모의모델을 보완해야 하며, 이를 위해서는 장기적인 관점에서 요격시험 시 발생하는 파편 분산 데이터를 축적해야 한다. 이를 기반으로 모의모델을 수정하고 안전구역 분산에 영향을 주는 요인과 그 범위를 현실적으로 선정해야 할 것이다.
본 모의 기법은 파편 낙하영역의 넓이 뿐 아니라 구체적인 낙하영역의 위치 확인에 활용될 수 있으며, 요격 파편 위험도의 경계값 및 불확실성 요인을 반영한 안전구역 설정에도 활용 가능하다. 이를 통해 시험탄도탄의 궤적 및 발사 방향, 그리고 요격 지점 및 고도에 대한 시험 상황을 안전구역 측면에서 검토할 수 있을 것이다.
보다 정확한 안전구역 추정을 위해서는 실제 요격시험의 결과를 반영하여 모의모델을 보완해야 하며, 이를 위해서는 장기적인 관점에서 요격시험 시 발생하는 파편 분산 데이터를 축적해야 한다. 이를 기반으로 모의모델을 수정하고 안전구역 분산에 영향을 주는 요인과 그 범위를 현실적으로 선정해야 할 것이다.
본 모의 기법은 파편 낙하영역의 넓이 뿐 아니라 구체적인 낙하영역의 위치 확인에 활용될 수 있으며, 요격 파편 위험도의 경계값 및 불확실성 요인을 반영한 안전구역 설정에도 활용 가능하다. 이를 통해 시험탄도탄의 궤적 및 발사 방향, 그리고 요격 지점 및 고도에 대한 시험 상황을 안전구역 측면에서 검토할 수 있을 것이다.

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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
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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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