[논문]우주발사체 재진입모듈에 적용되는 열차단막 형상에 따른 특성연구

박진수

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박진수 (충남대학교 항공우주공학과)

본 연구에서는 유/무인 우주발사체의 재진입모듈에 적용되는 Heat-Shield(열차단막)의 형상에 따른 유동특성을 수치해석으로 분석했다. 재진입모듈이 지구의 대기권을 다시 진입하는 환경(고도 70km)을 기준으로 해석을 진행했다. 열차단막의 형상은 평판, 곡률이 다른 타원으로 나누었으며, 각 형상별 유동특성을 확인했다. 결론적으로 재진입 모듈의 형상에 따라 압력과 속도분포를 기준으로 열적인 분포를 예상했으며, 계산된 항력계수를 비교했다. 단순한 유동으로 열적 분포를 예상한 것에 한계가 있지만 대기권 재진입 모듈의 2차원 설계에 도움이 될 형상기준을 제시했다. 수치해석은 모두 Edison_CFD에서 제공하는 툴을 이용해 수행했으며, 전처리에는 e-mega (structured)을 후처리에는 e-dava를 이용했다. 해석 solver는 '정렬격자기반 2차원 압축성 유동 범용해석 소프트웨어'를 이용했다.

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문제 정의

본 연구에서는 70km고도에서 약 8km/s(마하26.2)의 극초음속으로 재진입하는 비행체를 기준으로 해석을 진행했으며, 열차단막의 5 가지 형상을 대상으로 비교/분석하려한다.
따라서 열적분포와 감속성능을 동시에 고려해야한다. 본 연구에서는 Edison-CFD를 이용하여 재진입모듈 형상에 따른 유동해석을 진행했다. 해석과정에 있어서 격자의 최적화정도를 파악하기 위해 격자수를 늘려 유효성검사를 거쳤으며, 각 수치는 이용할 수치적 허용오차 내로 수렴한 값을 이용했다.
이를 바탕으로 형상에 따른 유동특성과 온도분포를 예측해볼 것이며 각 형상의 장단점을 분석하려한다.
모델형상은 반원 형태에 가깝고 외부경계는 원형이므로 반원형상에서 격자의 직교성에 문제가 생길 수 있다. 이에 따라 외부경계의 spacing을 조절해 인접한 격자의 균일성과 직교성을 최대한 개선하려했다. 아래의 fig.

제안 방법

Cone 형상의 모델은 나머지의 모델과 같이 후단형상이 원형인 모델과의 비교를 위해 한 가지 모델에 대한 해석을 진행했다. 예상컨대, 후단의 유동이 비교적 큰 재순환 영역이 형성되면서 고온영역이 크게 발달할 것이다.
각 모델에 대해 형성된 격자를 이용해 해석을 진행했다. 추가적으로 계산된 결과의 유효성 검사를 위해 격자의 수를 늘려서 같은 조건에서 진행했으며, 결과의 차이가 미미하여 격자가 유효하다 판단하였다.
따라서 저속영역이 고온 영역으로 고려될 수 있다. 다음의 x축-velocity contour를 통해 모델별로 저속영역의 분포와 크기를 확인해보고, 재순환영역을 비교해보겠다.
또한 곡률이 커지면서 풍하측의 압력강하가 서서히 일어나는 현상을 관찰했다. 박리의 지연과 연관이 있을 것으로 사료되며 아래의 velocity contour에서 자세히 다루겠다.
공통적으로 풍상측에 형성되는 박리에 의해 풍하측에는 큰 재순환영역이 발생했다. 또한 박리영역을 감싸고 있는 shear layer가 re-compression shock이 형성되는 목 부위에서 다시 합쳐지는 현상도 확인했다. 재진입 모듈의 풍상측에서 활 형태와 같은 detached bow shock이 형성되어 낮은 마하수(≈5)로 감속되는 것도 확인했다.
해석을 위한 전처리과정은 모두 E-Mega 프로그램을 이용해 진행했다. 또한 에디슨 Computing source의 부담을 줄이기 위해 가급적 적은 블록으로 구성하려했다. 첫 격자간격의 결정은 앞서 table 2에서 이뤄졌으며 모든 모델을 이를 바탕으로 진행했다.
예상컨대, 후단의 유동이 비교적 큰 재순환 영역이 형성되면서 고온영역이 크게 발달할 것이다. 모델 2~5는 전단의 타원호의 단축길이가 다르게 구성했으며, 이에 따른 항력 계수를 통한 감속성능 비교와 속도분포에 따른 열 분포 예측을 진행하였다.
얻은 데이터에 대한 분석으로 재진입 모듈의 형상에 따라 압력과 속도분포를 기준으로 열적인 분포를 예상했으며, 계산 된 항력계수를 비교했다.
이런 결과를 바탕으로 모든 모델에 대해 far-field는 특성길이의 30배를 적용하였다. 이에 따라서 계산 횟수를 줄여 계산 모델별로 생성된 격자의 수는 60,500개, 단일 Block, Arclength TFI를 사용했다.
하지만 cone / plane 모델의 경우, 다른 모델과 같은 방식으로 형성하면 직교성이 아주 좋지 않았다. 이를 보완하기 위해 fig. 6과 같이 e-mega의 Elliptic(Lapl.) 알고리즘으로 보정하였다.
이런 결과를 바탕으로 모든 모델에 대해 far-field는 특성길이의 30배를 적용하였다. 이에 따라서 계산 횟수를 줄여 계산 모델별로 생성된 격자의 수는 60,500개, 단일 Block, Arclength TFI를 사용했다. 모델형상은 반원 형태에 가깝고 외부경계는 원형이므로 반원형상에서 격자의 직교성에 문제가 생길 수 있다.
이는 재순환영역의 크기와 연관될 것이며, 고온영역으로 예측할 수 있는 부분이다. 자세한 분석은 Velocity contour를 통해 분석하겠다.
각 모델에 대해 형성된 격자를 이용해 해석을 진행했다. 추가적으로 계산된 결과의 유효성 검사를 위해 격자의 수를 늘려서 같은 조건에서 진행했으며, 결과의 차이가 미미하여 격자가 유효하다 판단하였다.
본 연구에서는 Edison-CFD를 이용하여 재진입모듈 형상에 따른 유동해석을 진행했다. 해석과정에 있어서 격자의 최적화정도를 파악하기 위해 격자수를 늘려 유효성검사를 거쳤으며, 각 수치는 이용할 수치적 허용오차 내로 수렴한 값을 이용했다.

이론/모형

본 해석을 위한 해석자는 서울대학교에서 개발한 유한체적법기반의 범용 압축성 유동을 위한 “2D_Comp_P-2.0”을 이용했다.
0”을 이용했다. 이 해석자는 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)방정식을 지배방정식으로 한다. RANS는 난류의 평균 유동장을 구하기 위한 것이며 천이유동의 해석을 불가능한 특성을 갖는다.
해석을 위한 전처리과정은 모두 E-Mega 프로그램을 이용해 진행했다. 또한 에디슨 Computing source의 부담을 줄이기 위해 가급적 적은 블록으로 구성하려했다.

성능/효과

결론적으로 Cone 모델이 감속성능으로나 열적인 분포에서 가장 지양해야할 형상이었으며, 나머지 모델에서는 항력계수의 최대 차이가 15 %에 불과했으나 재순환영역이 확연히 줄어드는 구간이 확인됐다. 정확한 열적인 분포 수치적으로 추가 분석해봐야 한다.
그리고 모델의 풍상측 곡률이 증가할수록 재순환영역은 확연하게 줄어드는 경향을 확인했다. 실제 재진입 모델의 경우나 참고논문[2]의 열 해석결과를 보면, 약 마하 25 기준에서 풍하측의 Heat flux가 풍상측 보다 크다.
정확한 열적인 분포 수치적으로 추가 분석해봐야 한다. 다만, 유동현상학적으로는 Elliptic #1과 Elliptic #2의 항력계수가 5 %정도의 차이를 보이지만, 이 두 모델 사이에서 후단의 저속/정체구간(재순환영역)이 확연히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이를 감안하면 Elliptic #1 모델과 Elliptic #2 모델의 곡률사이에서 적정한 성능을 가진 재진입 모듈의 설계가 가능할 것이라 예상된다.
모델의 풍상측 곡률이 커질수록 풍하측에 re-compression shock에 의한 목이 뚜렷하게 관찰됐다. 이는 재순환영역의 크기와 연관될 것이며, 고온영역으로 예측할 수 있는 부분이다.
모델의 풍하측 재순환 영역을 비교해보면, 풍상측의 속도 분포보다 모델별로 확연한 차이를 보이고 있다. Cone/Plane 두 모델을 비교해보면, Cone 형상이 Plane보다 재순환영역이 길게 뻗어있지만 면적은 .
초기에 선정한 원형 far-field의 직경은 25m로 설정했으며, 특성길이의 25배이다. 이 조건에서 15만 회의 계산을 거쳤으며 수렴성 판단한 결과 충분한 수렴성이 확보되지 않았다. 30배의 far-field 조건에서는 아래의 fig.
재진입 모듈의 풍상측에서 활 형태와 같은 detached bow shock이 형성되어 낮은 마하수(≈5)로 감속되는 것도 확인했다.
13-17과 같다. 전반적으로 모델의 풍상측에는 stagnation 속도와 저속영역이 bow shock의 형태를 따라 발달됨을 확인했으며 풍하측에는 재순환영역을 관찰했다. (Contour의 legend는 - 900 m/s ~ 7850 m/s범위로 설정했다.

후속연구

단순한 유동으로 열적 분포를 예상한 것에 한계가 있지만 대기권 재진입 모듈의 대략적인 2차원 설계에 도움이 될 형상기준을 마련한데에 의의를 두며 추후 3차원 열/유동해석을 추가 진행해보고자 한다.
다만, 유동현상학적으로는 Elliptic #1과 Elliptic #2의 항력계수가 5 %정도의 차이를 보이지만, 이 두 모델 사이에서 후단의 저속/정체구간(재순환영역)이 확연히 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이를 감안하면 Elliptic #1 모델과 Elliptic #2 모델의 곡률사이에서 적정한 성능을 가진 재진입 모듈의 설계가 가능할 것이라 예상된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

대기를 뚫고 재진입하는 비행체들을 무엇이라 부르는가?

위성의 경우를 제외하면 모두 대기를 뚫고 재진입하는 비행체들이다. 이를 재진입모듈이라 부르며, 각 국가별/시기별로 다양한 형상의 열차단막을 가지고 있다. 재진입시, 비행체는 약 8km/s의 속도로 상단한 양의 운동에너지를 가지고 대기권에 진입하게 된다.

지구의 중력만을 고려한 궤도를 유지하기 위한 속도는 얼마인가?

지구의 중력만을 고려한 궤도를 유지하기 위한 속도는 약 11 km/s이다. 지구의 대기권으로 재진입하기 위해서는 적정한 각도를 유지해야 하며, 이를 위한 속도가 대략 9 km/s이다.

우주발사체를 통해 임무를 수행하는 비행체은 어떻게 나뉘나?

우주발사체를 통해 임무를 수행하는 비행체는 여러 분류로 나뉠 수 있다. 위성과 같이 궤도비행만을 하며 수명을 다하는 비행체, 대륙간 탄도 미사일(ICBM)과 같이 준궤도를 비행하고 대기권으로 재진입하는 비행체, 우주정거장으로 사람과 화물을 나르고 지구로 재진입하는 비행체, 대기권이 짙은 외계 행성에 착륙하는 비행체 등을 대표적으로 들 수 있다. 위성의 경우를 제외하면 모두 대기를 뚫고 재진입하는 비행체들이다.

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