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ㅇ 연구의 목적 및 내용
특정 고도를 기준으로 설계된 로켓 노즐은 엔진 시작점 혹은 지상 연소 시험때와 같이 설계 고도보다 낮은 고도에서는 과팽창 상태가 된다. 과팽창 상태의 노즐은 내부에 발생한 충격파로 인해 내부 유동의 박리가 발생하게 된다. 노즐 내부의 유동 박리 영역은 노즐 측면에 대해 비대칭적으로 발생할 수 있는데, 이는 측면 하중을 발생시키는 요인이 된다. 측면 하중으로 인해 노즐 구조물의 탄성 변형이 발생하고 이는 노즐 내부의 유동 박리 영역의 비대칭성을 더욱 크게 만들어 더욱 큰 측면하중을 야기한다. 노즐의 측면

ㅇ 연구의 목적 및 내용
특정 고도를 기준으로 설계된 로켓 노즐은 엔진 시작점 혹은 지상 연소 시험때와 같이 설계 고도보다 낮은 고도에서는 과팽창 상태가 된다. 과팽창 상태의 노즐은 내부에 발생한 충격파로 인해 내부 유동의 박리가 발생하게 된다. 노즐 내부의 유동 박리 영역은 노즐 측면에 대해 비대칭적으로 발생할 수 있는데, 이는 측면 하중을 발생시키는 요인이 된다. 측면 하중으로 인해 노즐 구조물의 탄성 변형이 발생하고 이는 노즐 내부의 유동 박리 영역의 비대칭성을 더욱 크게 만들어 더욱 큰 측면하중을 야기한다. 노즐의 측면 하중으로 인해 노즐 지상 연소 실험 시 노즐이 파손되는 선행 사례들 통해서도 알 수 있듯이, 성공적인 로켓의 임무 수행에 있어서 측면하중에 대한 정확한 예측이 매우 중요하며 이를 위해서는 유체-구조 통합해석이 필수적이다. 이러한 이유로 본 연구에서는 다음과 같은 목표를 가지고 연구를 수행하였다.
• 과팽창 노즐 내부 유동에 대한 비정상 고정밀 해석
• 과팽창 노즐에 걸리는 하중에 대한 고정밀 구조 해석
• 과팽창 노즐의 측면하중에 의한 노즐 변형과 내부 유동 변화의 상호 간섭을 해석할 수 있는 유체-구조 연동(FSI)해석 소프트웨어 개발
• 개발된 FSI해석 소프트웨어를 이용한 과팽창 노즐 측면하중 해석
위와 같은 목적을 달성하기 위해 다음과 같은 세부적인 연구내용으로 연구과제를 수행하였다.
• 1차년도
‣ 노즐 측면하중 발생에 관한 해외 사례 및 발생 메커니즘 연구
‣ 노즐 측면하중에 대한 FSI 해석의 해외 방법론 분석
‣ FSI 해석 소프트웨어의 프레임워크 구성
• 2차년도
‣ 엔진 시동/종료 시 노즐 내부 유동에 대한 비정상 고정밀 유동 해석 수행
‣ 노즐 측면하중 해석을 위한 FSI 해석 소프트웨어 개발
‣ 해외 사례 해석을 통한 FSI 해석 소프트웨어 검증
‣ 한국형발사체 엔진 노즐에 대한 측면하중 발생 초도해석
• 3차년도
‣ 한국형발사체 엔진 노즐에 대한 측면하중 발생 상세해석 및 보완 설계 데이터베이스 제공
‣ 고공환경모사 초음속 디퓨저를 장착한 지상연소시험에서의 노즐 측면하중 발생 해석
‣ 한국형발사체 1단 4엔진 clustering에 따른 노즐 plume 상호간섭이 측면하중 발생에 미치는 영향 분석

ㅇ 연구개발성과
• 과팽창 노즐 측면하중에 대한 고정밀 분석이 가능한 FSI 소프트웨어 개발
• FSI 해석을 통한 과팽창 노즐 측면하중의 이해 및 예측
• 한국형 발사체 노즐 설계에 필요한 설계 데이터베이스 확보
• 한국형 발사체 엔진 지상시험에서의 측면하중 발생 분석

ㅇ 연구개발성과의 활용계획 (기대효과)
• 관련 분야에 대해 우주 선진국과의 기술 격차 감소
• 상용 발사체 시장 진출을 위한 기술 경쟁력 확보
• 초음속 영역을 비행하는 고속 비행체로의 FSI 해석 확장 적용


(출처 : 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 요약문 ... 4
• 목차 ... 5
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 6
• 가. 연구개발의 필요성 ... 6
• (1) 연구개발의 개요 ... 6
• (2) 경제적 산업적 젓요성 ... 6
• (3) 연구개발의 필요성 ... 7
• (4) 연구개발 대상 기술의 국내외 현황 ... 7
• (5) 선행연구의 내용 및 결과 ... 9
• (6) 현 기술 상태의 취약성 ... 11
• (7) 앞으로의 전망 ... 12
• 나. 연구개발의 목표 및 내용 ... 12
• (1) 연구개발의 최종목표 ... 12
• (2) 연차별 연구개발의 목표 및 내용 ... 12
• (3) 연도별 연구개발의 추진일정 ... 14
• 2. 연구수행내용 및 성과 ... 15
• 가. 사전 조사 ... 15
• (1) 측면하젓 발생 메커니즘과 해외 연구 사례 분석 ... 15
• (2) 노즐 측면하젓 유동-구조 연동(FSI)해석의 해외방법론 분석 ... 17
• (3) 유동-구조 연동(FSI)해석을 위한 정보 전달 기법 분석 및 표준 프레임워크 정립 ... 20
• (4) 유동-구조 통합(FSI)해석을 위한 표준 프레임워크 정립 ... 23
• 나. 연구방법 ... 24
• (1) 유동 해석 연구 방법 ... 24
• (2) 구조 해석 연구 방법 ... 32
• (3) 유체-구조 연동 해석 방법 ... 45
• 다. 연구수행내용 ... 49
• (1) 한국형 발사체 3단 연소기 해석 ... 49
• (2) 한국형 발사체 3단 연소기 고공환경모사 해석 ... 66
• (3) 한국형 발사체 1단 연소기 클러스터링 해석 ... 86
• 라. 연구 개발 성과 ... 98
• (2) 경제적 성과 ... 99
• 3. 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 100
• 가. 연도별 연구목표 ... 100
• 나. 연구개발 목표의 달성도 ... 100
• 다. 달성된 연구목표의 기술 수준 ... 101
• (1) 우주발사체 로켓 엔진 노즐 측면 하젓 해석 기술 ... 102
• (2) 고공환경모사를 위한 디퓨저 해석 기술 ... 102
• (3) 4엔진 clustering에 따른 노즐 plume 상호간섭 해석 기술 ... 103
• 4. 연구개발성과의 활용 계획 ... 105
• 가. 연구 성과의 활용 분야 ... 105
• (1) 우주발사체 로켓엔진의 데이터 확보 ... 105
• 나. 연구 성과의 활용 방안 ... 105
• (1) 국내 국가연구소 및 방위사업체 기술 이전 ... 105
• 5. 참고문헌 ... 107
• 끝페이지 ... 109