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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 이균호
- 발행연도
- 2017
- 저작권
- 세종대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수12
이 논문의 연구 히스토리 (4)
2017
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달착륙선은 임무수행지점으로의 안정적인 착지를 위해 추진시스템을 통해 달 표면으로 배기가스를 사출시켜 그에 대한 반작용으로 감속기동을 실시한다. 하지만, 배기가스가 월면에 충돌할 때 발생하는 표토입자의 분산 현상과 하강엔진 노즐에서 고진공 우주환경으로 사출되는 배기가스의 후방유동 현상은 착륙선 및 탑재체의 기계적 손상 및 내구성 저하 등의 문제를 발생시킬 수 있으므로 달착륙선 설계 및 개발 단계에서 반드시 고려해야할 요소이다.
해외 우주 선진국에서는 달착륙선 하강엔진에 대한 연구가 이미 활발히 진행되었으며 하강엔진에서 사출되는 배기가스 거동 및 표토입자 분산에 대한 연구도 상당부분 진행되었다. 반면 국내의 경우, 2020년 달착륙선 개발 계획에 따라 지상모델에 대한 성능시험 등 개념설계 수준의 연구개발이 진행되고 있지만 하강엔진의 배기가스 거동에 대한 본격적인 연구가 수행되지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 한국형 달착륙선 개발에 필요한 핵심기술을 확보하기 위하여 하강엔진에서 사출된 배기가스의 거동을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 방법을 이용하여 예측해 보고자 하였다.
본 연구에서는 진공영역에서의 배기가스 거동을 해석하는데 적합한 전산유체해석 기법 선별 및 해석 절차 수립을 위해 대표적인 하강엔진으로 언급되는 아폴로 달착륙선 하강엔진(Apollo Lunar Module Descent Engine)에 대한 선행 해석 연구를 일차적으로 수행하였다. 해석 기법의 선별은 해석 결과의 타당성을 검증하는 방식으로 진행되었으며 이를 위해 진공의 희박영역 해석에 가장 일반적으로 사용되는 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo)과 연속체 영역 해석에 주로 사용되는 연속체 유동 모델(Continuum Flow Model)을 하강엔진 외부의 배기가스 거동 해석에 별도로 적용하고 그 결과를 비교 및 분석하였다.
그 결과, 직접모사법이 진공영역에서의 배기가스 거동을 가장 적절하게 예측하는 것으로 확인되었으며 이를 한국형 달착륙선 하강엔진의 배기가스 해석에 적용하였다. 특히, 한국형 달착륙선 하강엔진 연구에서는 하강엔진의 작동고도, 추력의 크기, 가상 충돌 크레이터 모사와 같은 다양한 조건을 적용하여 배기가스 해석을 수행하였으며 그 결과, 각 조건에서의 배기가스 거동 특성 및 달착륙선에 가해지는 열적하중과 교란 힘/토크, 달 표면에서의 압력 및 전단력 등 배기가스-월면 상호작용으로 인한 영향을 최종적으로 예측할 수 있었다.
해외 우주 선진국에서는 달착륙선 하강엔진에 대한 연구가 이미 활발히 진행되었으며 하강엔진에서 사출되는 배기가스 거동 및 표토입자 분산에 대한 연구도 상당부분 진행되었다. 반면 국내의 경우, 2020년 달착륙선 개발 계획에 따라 지상모델에 대한 성능시험 등 개념설계 수준의 연구개발이 진행되고 있지만 하강엔진의 배기가스 거동에 대한 본격적인 연구가 수행되지 않은 상태이다. 따라서 본 연구에서는 한국형 달착륙선 개발에 필요한 핵심기술을 확보하기 위하여 하강엔진에서 사출된 배기가스의 거동을 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 방법을 이용하여 예측해 보고자 하였다.
본 연구에서는 진공영역에서의 배기가스 거동을 해석하는데 적합한 전산유체해석 기법 선별 및 해석 절차 수립을 위해 대표적인 하강엔진으로 언급되는 아폴로 달착륙선 하강엔진(Apollo Lunar Module Descent Engine)에 대한 선행 해석 연구를 일차적으로 수행하였다. 해석 기법의 선별은 해석 결과의 타당성을 검증하는 방식으로 진행되었으며 이를 위해 진공의 희박영역 해석에 가장 일반적으로 사용되는 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo)과 연속체 영역 해석에 주로 사용되는 연속체 유동 모델(Continuum Flow Model)을 하강엔진 외부의 배기가스 거동 해석에 별도로 적용하고 그 결과를 비교 및 분석하였다.
그 결과, 직접모사법이 진공영역에서의 배기가스 거동을 가장 적절하게 예측하는 것으로 확인되었으며 이를 한국형 달착륙선 하강엔진의 배기가스 해석에 적용하였다. 특히, 한국형 달착륙선 하강엔진 연구에서는 하강엔진의 작동고도, 추력의 크기, 가상 충돌 크레이터 모사와 같은 다양한 조건을 적용하여 배기가스 해석을 수행하였으며 그 결과, 각 조건에서의 배기가스 거동 특성 및 달착륙선에 가해지는 열적하중과 교란 힘/토크, 달 표면에서의 압력 및 전단력 등 배기가스-월면 상호작용으로 인한 영향을 최종적으로 예측할 수 있었다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구배경 및 목적 11.2 달착륙선 추진시스템 41.3 국내외 연구 동향 81.4 연구 내용 및 방법 11제 2 장 전산유체해석 이론 132.1 유동 모델 132.2 직접모사법 162.2.1 볼츠만 방정식(Boltzmann Equation) 162.2.2 직접모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC) 172.2.3 충돌 분자모델 192.2.4 충돌 샘플링 기법(Collision Sampling Technique) 202.2.5 벽면 경계조건 212.2.6 에너지 교환모델 23제 3 장 아폴로 달착륙선 하강엔진 2차원 배기가스 해석 243.1 아폴로 달착륙선 하강엔진 243.2 이원추진제 Aerozine-50/NTO 화학평형반응 263.3 하강엔진 내부 열유동 해석 313.3.1 해석 조건 및 방법 313.3.2 해석 결과 343.4 고도별 하강엔진 외부 영역 해석 363.4.1 해석 조건 및 방법 363.4.1.1 연속체 유동 모델 363.4.1.2 직접모사법 393.4.2 해석 결과 433.4.2.1 연속체 유동 모델 433.4.2.2 직접모사법 49제 4 장 한국형 달착륙선 하강엔진 배기가스 해석 594.1 하강엔진 2차원 배기가스 해석 594.1.1 한국형 달착륙선 하강엔진 594.1.2 하강엔진 내부 열유동 해석 614.1.2.1 해석 조건 및 방법 614.1.2.2 해석 결과 634.1.3 고도별 하강엔진 외부 영역 해석 654.1.3.1 해석 조건 및 방법 654.1.3.2 해석 결과 694.1.4 충돌 크레이터 해석 784.1.4.1 해석 조건 및 방법 784.1.4.2 해석 결과 804.2 한국형 달착륙선 3차원 배기가스 해석 874.2.1 3차원 한국형 달착륙선 해석 형상 874.2.2 해석 조건 및 방법 894.2.3 해석 결과 94제 5 장 결 론 120참 고 문 헌 123ABSTRACT 130
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