초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
달착륙선이 자세제어와 착륙 하강속도 감소용 로켓추진노즐들을 이용하여 월면 착륙지점에 접근할 경우, 로켓추진노즐로부터 고속으로 배출되는 기체 플룸이 월면에 충돌하게 되며, 수백 kg 이상의 표토입자를 분사시키는 현상이 발생함. 이로 인해 표토입자가 달착륙선 본체와 센서에 충돌할 경우, 부품의 물리적 손상 및 기능 오작동을 야기하여 달탐사 임무에 막대한 지장을 초래할 수 있음. 따라서 본 연구의 최종목표는 달착륙선 비행의 가장 위험한 단계인 월면고도 약 30미터부터 시작되는 착륙과정 중 수반되는 로켓플룸-

□ 연구의 목적 및 내용
달착륙선이 자세제어와 착륙 하강속도 감소용 로켓추진노즐들을 이용하여 월면 착륙지점에 접근할 경우, 로켓추진노즐로부터 고속으로 배출되는 기체 플룸이 월면에 충돌하게 되며, 수백 kg 이상의 표토입자를 분사시키는 현상이 발생함. 이로 인해 표토입자가 달착륙선 본체와 센서에 충돌할 경우, 부품의 물리적 손상 및 기능 오작동을 야기하여 달탐사 임무에 막대한 지장을 초래할 수 있음. 따라서 본 연구의 최종목표는 달착륙선 비행의 가장 위험한 단계인 월면고도 약 30미터부터 시작되는 착륙과정 중 수반되는 로켓플룸-월면-입자분산 상호작용에 관한 해석모델과 전산모사 시뮬레이션 기술을 개발하여, 달착륙선/구성품/시뮬레이터 설계와 착륙운영절차, 열제어 문제 등 한국형 달착륙선/탐사로봇의 계속적 임무수행에 필요한 정보를 도출하기 위해 반드시 갖춰야할 달탐사 핵심기술을 국내기술로 확보해야 함. 이를 위해 이전 여타연구의 계산시간이 막대히 소요되는 기법 대신 보다 효율적인 Boltzmann 방정식 기반의 신규 연속류-자유류 해석기법을 적용함.

□ 연구개발성과
착륙용 로켓노즐 근처에서의 연속류가 달의 진공상태 자유류로 급격하게 팽창하는 플룸유동을 기존의 Navier-Stokes 기법으로는 해석에 한계가 있는 점, 월면 표토층의 플룸에 의한 침식 및 가스-입자 상호작용, 토출된 먼지입자의 단거리 및 장거리 분산 등이 복잡하게 연계된 Multi-physics, Multi-scale 물리현상, 그리고 진공, 미소중력, 독특한 월면 표토층 물리적 특성으로 인해 지구에서의 지상실험이 불가한 점 등이 매우 도전적인 연구주제가 됨.
1차년도에는 달 표토입자 정보 수집, Apollo, Chang’e 3호 등 해외 달착륙선 사례 자료조사 및 분석, 달착륙선 및 착륙용 로켓노즐의 형상/작동조건/추진제, 표토층 특성 등의 기반연구 자료조사를 수행하였고, 본 과제의 가장 핵심적 모듈이 되는 Boltzmann 방정식 기반의 신규 연속류-자유류 해석기법을 정립하였음.
2차년도에는 정상 축대칭 플룸-월면 상호작용 코드, DSMC를 이용한 코드 검증, 침식-입자분산 해석코드 등의 전산모사 시뮬레이션 기술의 단위 핵심모듈 개발 후, 로켓플룸-월면-입자분산 상호작용 연계해석코드를 개발하였음.
3차년도에는 개발된 연계해석코드를 이용하여 고도, 추력 등의 플룸-월면-입자분산 영향성을 심층적으로 분석하고, 한국형 달착륙선 형상에 대해 로켓플룸에 의한 Force 및 Heat Flux, 입자분산 궤적을 계산하여 한국형 달착륙선 설계와 계속적 임무수행에 필요한 정보를 산출하였음.

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
개발 시뮬레이션 기술은 일차적으로 한국형 달착륙선 및 센서 설계 (착륙과정 시나리오, 착륙 시뮬레이터, 착륙용 로켓의 작동 시나리오, 공력 및 열전달, 추적센서, 카메라 등)에 활용이 가능함. 또한 탐사로봇 등의 계속적 임무수행이 필요한 시스템의 에너지 공급원 열제어, 먼지 오염 수준 산출 등의 분야에 활용이 가능함. 특히 플룸 및 입사분산에 의해 한국형 달착륙선에 생길 수 있는 Force, Heat Flux, 입자 마모에 관련된 Risk 정량화에 본 시뮬레이션 기술이 핵심적 역할을 할 것이며, 본 연구를 통해 국가 달탐사 개발에 필요한 연구인력을 양성하는데 기여할 수 있음. 나아가 월면 상태에 따라 엔진 Shut-Off 후 월면 표토층의 불안정이 야기될 수 있는데, 이에 따른 착륙 Gear 설계 영향성 검토가 가능함. 장기적으로 추가연구를 통해 해당 기술의 적용범위를 한국형 달착륙선의 경사착륙, 노즐 각 변경, Multi-engine 시스템 등과 같은 삼차원 문제, 달 탐사 후 샘플 귀환시 수반되는 이륙 비행 시뮬레이션 분야로 확장이 가능함.

(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 2. 연구수행내용 및 성과 ... 6
• 2-1. 연구 접근방법 ... 6
• 2-2. 연구내용 ... 7
• 2-3. 연구개발성과 ... 8
• 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 10
• 3-1. 목표 ... 10
• 3-2. 목표 달성여부 ... 11
• 3-3. 목표 미달성 시 원인(사유) 및 차후대책(후속연구의 필요성 등) ... 12
• 4. 연구개발성과의 활용 계획 등 ... 12
• 4-1. 활용분야 및 활용방안 ... 12
• 4-2. 추가연구 및 기술이전 ... 12
• 붙임. 참고문헌 ... 12
• 끝페이지 ... 16