KR101569157B1 - 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법 - Google Patents

분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항공기 별로 분리 외장의 형상에 독립적인 일반적인 유동 데이터베이스를 한번 구축해놓고 상기 유동 데이터베이스를 계속 활용함으로써 임의의 형상의 분리 외장에 대해서도 쉽게 분리 궤적을 시뮬레이션 할 수 있는 방법에 관한 것이다.

Description

분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법{Simulation method of store separation irrelevant to the store shape using aerodynamics database}
본 발명은 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 항공기 별로 분리 외장의 형상에 독립적인 일반적인 유동 데이터베이스를 한번 구축해놓고 상기 유동 데이터베이스를 계속 활용함으로써 임의의 형상의 분리 외장에 대해서도 쉽게 분리 궤적을 시뮬레이션 할 수 있는 방법에 관한 것이다.
고정익이나 회전익 항공기에 장착된 미사일과 같은 외부 장착물을 분리 외장('외장'또는 'store'라고도 함)이라고 하며, 이러한 분리 외장의 분리는 위험한 분리 특성(항공기와 재충돌 등)을 보일 수 있다. 이러한 위험성 때문에 개발 단계에서 비행시험 이전에 외장이 항공기로부터 안전하게 분리되는지를 검증하여야 한다. 이를 위해 훈련기부터 경공격기까지 외부 연료탱크부터 유도 폭탄까지 다양한 외장 형상에 대한 외장 분리 궤적 해석을 수행하고 있다. 이러한 외장 안전 분리 해석은 항공기 주변에서 외장이 안전하게 이탈하는가를 확인하는 것이 주목적이므로, 분리된 외장이 항공기 주변의 공기 흐름에 의해 받는 영향을 적절히 시뮬레이션 할 필요가 있다. 가장 대표적으로 6 자유도 시뮬레이션 방법이 있으며, 6 자유도 시뮬레이션을 위해서는 분리된 외장에 작용하는 모든 힘에 대한 모델이 필요하다. 그 중에서 공력은 항공기 형상과 외장의 형상이 서로 상호작용하므로 항공기와 외장 간의 상대 거리 및 상대 자세 모두에 영향을 받는 복잡한 모델이다.
일반적으로 항공기 주변에서의 공기 흐름은 데이터베이스(공력 모델)로 구축되어 분리 궤적 시뮬레이션에 활용된다. 분리 궤적 시뮬레이션에 활용되는 데이터베이스는 크게 두 가지 형태로 구분된다. 첫 번째 형태는 Grid Survey 방식으로 항공기를 기준으로 해석이 필요한 장착 형상과 분리 외장의 상대적인 위치와 자세에 대하여 Flow Field 효과를 데이터베이스로 구축하는 방법이고, 두 번째 형태는 항공기의 장착 형상과 분리 외장의 상대 위치에 따른 Flow Angularity 정보를 데이터베이스로 구축해 활용하는 방법이다. 두 가지 형태 모두 데이터베이스의 구축을 위해서는 전산유체해석 기법(CFD; Computational Fluid Dynamics)이나 풍동시험을 통해 확보된 데이터를 활용한다.
기존 사용된 시뮬레이션 데이터베이스는 Grid Survey 방법을 통하여 구성되었다. 기존의 데이터베이스는 크게 두 가지 부분으로 구분되며, 이를 도 1에 나타내었다. 하나는 분리 외장 자체의 공력 특성을 나타내는 자유 흐름(Free Air) 부분(10)이고, 다른 하나는 항공기와 항공기에 장착된 외장에 의해 교란된 유동에 의한 공력 계수 변화를 나타내는 Flow Field 부분(20)이다.
Grid Survey 방법은 CTS(Captive Trajectory Simulation)이나 Drop Model 시험에 비하여 상대적으로 적은 비용으로 데이터베이스를 구성하여 비행시험에 필요한 사전 분리 궤적 해석을 수행할 수 있다. 특히, 외장의 공력 계수를 알고 있을 경우 상대적으로 적은 비용이 소요된다. CTS, Drop Model 시험 및 Grid 데이터베이스 방법은 서로 다르지만 실험적 데이터를 활용하는 방법이다. 따라서, 데이터베이스를 구성할 때 활용된 특정 외장과 분리 조건(항공기와 장착된 외장 종류의 조합 등)에서만 활용할 수 있다.
상기 세 가지 방법 모두 상당히 많은 조건에 대한 데이터 수집이 필요하지만 데이터 획득에 사용된 조건 이외의 추가적인 외장에 대한 분리 궤적 해석이 필요한 경우 기존의 데이터를 재활용하는 것은 거의 불가능하다. 따라서 각각의 항공기와 외장의 조합에 따른 공력 데이터베이스가 필요하나 모든 형상에 대해 풍동시험으로 공력 데이터를 획득하기에는 지나친 비용 상승과 함께 측정 시의 위험 부담이 크다.
반면 Flow Angularity 데이터베이스를 이용한 방법은 신규로 추가되는 외장에 대한 분리 궤적 해석에 필요한 추가 시험을 최소화 할 수 있고, 기존 데이터베이스의 활용에 대한 여지가 높지만, 훈련기와 경공격기 개발에 실제 사용되고 있는 상기 Grid Survey 방법과 달리 실제 적용된 프로그램 및 구체적인 적용 방법에 대한 연구가 거의 없는 실정이다.
김상진 외 3명, "Grid survey 방법을 이용한 무장분리예측 기법 연구", 한국전산유체공학회 학술대회 논문집, 2006
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 Flow Angularity 방법으로 새로운 공력 데이터베이스를 구축하는 방법과 구축된 공력 데이터베이스를 활용하여 다양한 분리 외장에 대해 상대적으로 빠르게 외장의 분리 궤적을 시뮬레이션 하는 새로운 방법을 제시하는 것이다.
본 발명의 분리 궤적 시뮬레이션 방법은, 분리 외장 자체의 공력 계수를 저장하는 자유 흐름 데이터베이스, 및 항공기에 분리 외장이 장착될 최초 장착점부터 낙하 이후까지 항공기와의 상대 위치에서의 상대풍에 대한 속도 변화량을 저장하는 유동 데이터베이스,로 이루어지는 공력 데이터베이스를 구축하는 공력 데이터베이스 구축 단계(S100); 및 항공기에 장착된 분리 외장이 분리될 때 상기 공력 데이터베이스를 이용하여 항공기 주변의 공기 흐름에 의해 상기 분리 외장에 작용하는 공력을 산출하며, 산출된 공력을 이용하여 상기 분리 외장의 분리 궤적을 시뮬레이션 하는 시뮬레이션 단계(S200);를 포함하여 이루어질 수 있다.
또, 상기 공력 데이터베이스 구축 단계(S100)는 분리 외장 단독으로 공력 계수를 측정하여 상기 자유 흐름 데이터베이스를 구축하는 a단계(S110); 항공기에 분리 외장이 장착되지 않은 상태에서 상기 분리 외장이 장착될 최초 장착점부터 낙하 이후까지 항공기 주변의 가상의 위치에 복수개의 대상점을 선정하는 b단계(S120); 및 상기 대상점 별로 상대풍의 속도 변화량을 측정하여 상기 유동 데이터베이스를 구축하는 c단계(S130);를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한, 상기 시뮬레이션 단계(S200)는 항공기와 분리된 상기 분리 외장의 상대 위치를 기준으로 상기 유동 데이터베이스로부터 분리 외장에 작용하는 상대풍의 속도 변화량(Flow Vector)을 읽어오는 1단계(S210); 상기 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 속도(V) 및 각속도(
Figure 112014099072758-pat00001
)에 상기 속도 변화량(Flow Vector)을 반영하여 상기 자유 흐름 데이터베이스로부터 공력 계수를 읽어오는 2단계(S220); 및 상기 공력 계수를 이용하여 상기 분리 외장의 분리 궤적을 시뮬레이션 하는 3단계(S230);를 포함하여 이루어질 수 있다.
또, 상기 2)단계는 상기 속도 변화량(Flow Vector)을 평균 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00002
)과 회전 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00003
)으로 나누는 2-1단계(S221), 상기 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 속도(V) 및 상기 평균 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00004
)로부터 상기 분리 외장의 속도(V'), 받음각(α'), 옆미끄럼각(β')을
Figure 112014099072758-pat00005
위의 수식을 이용하여 산출하는 2-2단계(S222), 상기 회전 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00006
)을 아래 수식에 적용하여 회전 각속도(
Figure 112014099072758-pat00007
)로 환산하고
Figure 112014099072758-pat00008
환산한 상기 회전 각속도(
Figure 112015089867042-pat00009
)를 상기 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 각속도(
Figure 112015089867042-pat00010
)에 더해 무차원화한 상기 분리 외장의 회전 각속도(qL2V', pL2V', rL2V')를 산출하는 2-3단계(S223), 및 상기 2-2)단계에서 산출된 상기 분리 외장의 속도(V'), 받음각(α'), 옆미끄럼각(β') 및 상기 2-3)단계에서 산출된 상기 회전 각속도(qL2V', pL2V', rL2V')를 입력으로 상기 자유 흐름 데이터베이스로부터 공력 계수를 읽어오는 2-4단계(S224)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또, 상기 1)단계는 상기 분리 외장의 형상에 따라 상기 상대풍의 속도 변화량(Flow Vector)을 읽어올 대상점의 개수를 가감할 수 있다.
본 발명은 분리 외장 형상에 독립적인 새로운 구조의 공력 데이터베이스를 구축하고 이를 활용하여 외장의 분리 궤적을 시뮬레이션하는 새로운 방법을 제안한 것으로, 항공기와 분리 외장의 조합 별로 Flow Field 데이터를 확보해야만 하는 종래의 방법과 달리 항공기 별로 한번 확보해놓은 Flow Field 데이터를 계속해서 활용함으로써, 상대적으로 빠른 분석이 가능함은 물론, 공력 데이터베이스 구축에 소요되는 비용과 시간도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 한번 구축해놓은 공력 데이터베이스를 분리 궤적 시뮬레이션에 적절하게 활용함으로써, 분리 외장의 형상이 달라지면 시뮬레이션이 불가능했던 종래의 방법과 달리 다양한 분리 외장에 대해서도 시뮬레이션이 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래의 Grid Survey 방법에 사용되는 공력 데이터베이스 구조
도 2는 본 발명에 따른 공력 데이터베이스 구조
도 3은 본 발명에 따른 시뮬레이션 단계를 나타낸 개념도
도 4는 분리 외장의 형상에 따라 결정되는 대상점의 일예
도 5는 본 발명에 따른 외장에 작용하는 상대풍의 속도 변화량(Flow Vector)의 개념을 나타낸 일예
도 6은 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과의 일예
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법에 관한 것으로, 크게 공력 데이터베이스 구축 단계(S100) 및 시뮬레이션 단계(S200)로 이루어진다.
상기 공력 데이터베이스 구축 단계(S100)는 자유 흐름 데이터베이스 및 유동 데이터베이스로 이루어진 공력 데이터베이스를 구축하는 단계로, 자유 흐름 데이터베이스에는 분리 외장 자체의 공력 계수가 저장되며, 유동 데이터베이스에는 항공기에 분리 외장이 장착될 최초 장착점부터 낙하 이후까지 항공기와의 상대 위치에서의 상대풍에 대한 속도 변화량이 저장된다.
상기와 같은 방법으로 구축된 공력 데이터베이스의 구조를 도 2에 도시하였으며, 본 발명에 따른 공력 데이터베이스를 종래와의 차이점을 바탕으로 설명하기 위해 먼저 도 1에 도시된 종래의 공력 데이터베이스 구조에 대해 설명한다.
전술한 바와 같이 종래의 공력 데이터베이스는 자유 흐름(Free Air) 부분(10)과 Flow Field 부분(20)으로 나뉘며, 자유 흐름(Free Air) 부분(10)은 분리 외장이 단독으로 운동할 때의 공력 계수 정보(
Figure 112014099072758-pat00011
)를 CFD(Computational Fluid Dynamics)나 WT(Wind Tunnel) 시험을 통해 확보하여 데이터베이스화한 것이고 Flow Field 부분(20)은 항공기와 항공기에 장착된 분리 외장의 상대적인 위치 및 자세 별 공력 계수 변화 정보(
Figure 112014099072758-pat00012
)를 CFD나 WT 시험으로 확보하여 데이터베이스화한 것이다.
따라서, 종래의 공력 데이터베이스를 구축하기 위해서는 분리 외장의 형상과 항공기와 분리 외장의 조합 별로 모든 데이터베이스가 있어야만 시뮬레이션이 가능한 문제점이 있다. 즉, 분리 외장의 형상이 변경되는 경우 해당 데이터베이스가 없으므로 시뮬레이션이 불가능하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 공력 데이터베이스 구축 단계(S100)에서 분리 외장 형상에 독립적인 새로운 구조의 공력 데이터베이스를 구축한다.
구체적으로, 상기 공력 데이터베이스 구축 단계(S100)는 분리 외장 단독으로 공력 계수를 측정하여 자유 흐름 데이터베이스를 구축하는 a단계(S110), 항공기에 분리 외장이 장착되지 않은 상태에서 분리 외장이 운동하게 될(분리 외장이 장착될 최초 장착점부터 낙하 이후까지) 항공기 주변의 가상의 위치에 복수개의 대상점을 선정하는 b단계(S120) 및 상기 대상점 별로 상대풍의 속도 변화량을 측정하여 유동 데이터베이스를 구축하는 c단계(S130)로 이루어진다.
이 때, a단계는 종래의 자유 흐름 데이터베이스를 구축하는 것과 동일하며, b단계 및 c단계는 유동 데이터베이스를 구축하는 단계로 항공기 주변에 외장이 장착되어 낙하될 가상의 위치에서의 복수개의 대상점 별로 상대풍(항공기가 있음으로 인해 교란되어 분리 외장에 작용하는 상대적인 바람)의 속도 변화량(
Figure 112014099072758-pat00013
)을 측정하여 데이터베이스화하는 것이다.
이는, 분리 외장이 가상의 위치 내에 존재할 경우, 그 분리 외장이 상대풍을 받는다고 가정한 것이다. 즉, 유동 데이터베이스는 외장의 최초 장착점으로부터 상대 위치 및 상대 자세에 따라 대상점 별로 불어오는 상대풍의 속도 변화량이 저장되는 것이다.
다음, 시뮬레이션 단계(S200)는 항공기에 장착된 분리 외장이 분리될 때 상기 공력 데이터베이스 구축 단계(S100)에서 구축된 공력 데이터베이스를 이용하여 항공기 주변의 공기 흐름에 의해 분리 외장에 작용하는 공력을 산출하며, 산출된 공력을 이용하여 분리 외장의 분리 궤적을 시뮬레이션 하는 단계이다.
도 3은 본 발명에 따른 시뮬레이션 단계를 나타낸 개념도이고, 도 4는 분리 외장의 형상에 따라 결정되는 대상점의 일예이며, 도 5는 본 발명에 따른 외장에 작용하는 상대풍의 속도 변화량(Flow Vector)의 개념을 나타낸 일예를 도시한 것이다. 이하, 도 3 내지 도 5를 참고하여 시뮬레이션 단계를 상세히 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 분리 궤적 시뮬레이션 프로그램(100)과 공력 데이터베이스(200)를 이용하여 시뮬레이션을 하며, 이 때, 분리 궤적 시뮬레이션 프로그램(100)은 항공기 주변의 공기 흐름에 대해 공력 데이터베이스(200)로부터 적절한 값을 구하여 외장에 가해지는 공력(Aerodynamics force and moment)을계산하고 시뮬레이션 하는 프로그램으로, 대표적으로 AnySep 또는 6DOF 해석이 가능한 AnySep2, AnySep3를 이용할 수 있다.
시뮬레이션 단계(S200)는 분리 궤적 시뮬레이션 프로그램(100)이 항공기와 분리된 상기 분리 외장의 상대 위치(
Figure 112014099072758-pat00014
)를 입력으로 유동 데이터베이스로부터 분리 외장에 작용하는 상대풍의 속도 변화량(
Figure 112014099072758-pat00015
)을 읽어오는 1단계(S210), 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 속도(V) 및 각속도(
Figure 112014099072758-pat00016
)에 상기 속도 변화량(
Figure 112014099072758-pat00017
)을 반영하여 자유 흐름 데이터베이스로부터 공력 계수를 읽어오는 2단계(S220) 및 상기 공력 계수를 이용하여 분리 외장의 분리 궤적을 시뮬레이션 하는 3단계(S230)로 이루어진다.
상기 1단계를 도 4에 도시된 바와 같이 분리 외장으로 폭탄을 예로 들어 설명하면, 분리 외장의 1번에서 19번까지의 각 대상점에서 상대풍의 속도 변화량 정보를 읽어오도록 할 수 있다.
이 때, 분리 외장의 형상에 따라 상대풍의 속도 변화량(Flow Vector)을 읽어올 대상점의 개수는 가감될 수 있다. 외장이 분리되어 이동하게 되면 상대풍 속도 변화량 정보를 읽는 가상의 대상점 1 ~ 19번 역시 분리 외장과 함께 이동하게 된다. 즉, 외장의 이동에 따라 유동 데이터베이스에서 읽어오는 가상의 대상점은 분리 외장의 형상에 의해 결정되는 것이다.
도 4에 도시된 예에서는 외장을 길이방향으로 균등하게 나누어 맨 앞과 맨 뒤를 제외한 점을 1 ~ 7번으로 설정하고, 2, 4, 6,번 각각의 상하좌우 점 12개를 더 설정한 경우이다.
본 발명에서는 최소 1 ~ 11번(추가적으로 12번 ~ 19번까지 사용 가능)의 대상점에서 상대풍 속도 변화량 정보를 읽어오며, 만약 1 ~ 7번 점만을 사용할 경우 요(yaw)와 피치(pitch)에 대해 Flow Field에 의해 유도되는 각속도 성분만이 계산되고 롤(roll) 성분은 발생하지 않는다. 이를 보완하기 위해 분리 외장의 y, z축으로 벗어난 위치의 점인 8 ~ 19번의 대상점까지 포함하여 각속도 변화량을 계산해야 한다.
또한, 도 3 및 도 4를 참고하면, 본 발명의 공력 데이터베이스는 1개의 대상점에 대한 속도 변화량(Flow Vector)을 반환하기 때문에 분리 외장에 작용하는 받음각과 옆미끄럼각 변화 및 회전 흐름에 상응하는 각속도 값을 계산하기 위해서는 11개 내지 19개의 대상점의 데이터를 각각 획득해야 하며, 이를 위해 여러 차례 공력 데이터베이스를 호출하여 값을 얻는다.
이후, 전술한 바와 같이 1단계에서 확보된 속도 변화량을 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 속도(V) 및 각속도(
Figure 112014099072758-pat00018
)에 반영함으로써, Flow Field 효과를 반영한 외장의 속도, 받음각, 옆미끄럼각 및 회전 각속도를 산출하고 이를 입력으로 자유 흐름 데이터베이스에서 공력 계수를 읽어오는 2단계가 수행되며, 이하 2단계를 더욱 상세하게 설명한다.
먼저, 분리 궤적 시뮬레이션 프로그램(100)은 앞서 1단계에서 읽어온 속도 변화량을 평균 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00019
)과 회전 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00020
)으로 나누는 2-1단계(S221)를 수행한다.
도 5에 도시된 바와 같이 분리된 외장의 각 대상점에서 속도 변화량(Flow Vector)은 외장의 MRC(Moment Reference Center)에 작용하는 평균 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00021
)과 회전 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00022
)으로 나누어지며, 평균 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00023
)은 외장이 자유 흐름(Free air) 운동을 할 때 병진 운동하는 속도를 추가적으로 받게 된다는 것을 의미하고, 회전 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00024
)은 외장이 자유 흐름 운동을 할 때 회전 운동을 추가적으로 하는 것과 같은 현상을 의미한다.
이때, 회전 속도(rotational velocity) 성분(
Figure 112014099072758-pat00025
)의 경우, 외장이 실제 회전하는 것이 아니라 공기가 외장의 MRC를 중심으로 회전하는 것이다. 즉, 이러한 공기의 회전에 의해서 추가적으로 발생하는 공력은 자유 흐름 운동 시 외장 자체가 회전할 때 발생하는 공력과 동일하다는 원리를 이용한다.
분리 궤적 시뮬레이션 프로그램(100)은 하기의 수학식 1을 이용하여, 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 속도(V) 및 2-1단계에서 산출된 평균 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00026
)을 이용하여 분리 외장의 속도(V'), 받음각(α'), 옆미끄럼각(β')을 산출하는 2-2단계(S222)를 수행한다.
Figure 112014099072758-pat00027
또한, 분리 궤적 시뮬레이션 프로그램(100)은 하기의 수학식 2를 이용하여, 2-1단계에서 산출된 해당 위치에서의 공기의 회전 속도 성분(
Figure 112014099072758-pat00028
)을 외장의 회전 각속도(
Figure 112014099072758-pat00029
)로 환산하고,
Figure 112014099072758-pat00030
(이 때,
Figure 112014099072758-pat00031
은 MRC에서 특정 위치까지의 벡터이다.)
환산한 회전 각속도(
Figure 112014099072758-pat00032
)를 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 각속도(
Figure 112014099072758-pat00033
)에 더해 무차원화한 분리 외장의 회전 각속도(qL2V', pL2V', rL2V')를 산출하는 2-3단계(S223)도 수행한다.
상기 수학식 2를 통해 특정한 한 점에서 공기의 회전 속도 성분을 외장의 각속도로 환산하면 분리 외장이 회전하는 각속도를 알 수 있다. 즉, 도 4에 도시된 경우와 같이 분리 외장의 길이방향을 따라 분포한 7개의 점과 2, 4, 6번 점의 상하좌우에 위치한 8 ~ 19번의 대상점에 대해 각속도를 계산하고 평균을 구하면, 분리 외장 주변의 공기의 회전에 상응하는 각속도가 산출되는 것이다.
마지막으로, 도 3에 도시된 것처럼, 상기 2-3단계에서 산출된 Flow Field 효과가 반영된 분리 외장의 속도(V'), 받음각(α'), 옆미끄럼각(β') 및 회전 각속도(qL2V', pL2V', rL2V')를 입력으로 자유 흐름 데이터베이스로부터 공력 계수(
Figure 112014099072758-pat00034
)를 읽어오는 2-4단계(S224)가 이어진다.
정리하자면, 2-2단계에서 분리된 외장의 MRC에 작용하는 병진 속도(translational velocity) 성분의 Flow Field 효과는 분리 외장의 받음각(α)과 옆미끄럼각(β)을 변화시키므로, 변화된 속도로부터 받음각(α')과 옆미끄럼각(β')을 입력으로 자유 흐름 데이터베이스로부터 분리 외장의 공력 계수를 읽게 되면 병진 속도 성분에 의해 변화된 외장의 공력 계수를 구할 수 있으며, 또한, 2-3단계에서 공기의 회전 성분에 의해 증가된 각속도가 포함된 회전 각속도(qL2V', pL2V', rL2V')를 입력으로 자유 흐름 데이터베이스로부터 분리 외장의 공력 계수를 읽게 되면 공기의 회전 성분에 의해 변화된 공력 계수를 구할 수 있는 것이다.
따라서, 이후 3단계에서 자유 흐름 데이터베이스로부터 6개의 힘과 모멘트 계수(공력 계수)를 읽고, 읽은 무차원 계수를 활용하여 분리된 외장에 작용하는 공력을 구하며, 이를 이용하여 외장의 분리 궤적 시뮬레이션을 수행한다(S230).
상기 3단계에서 분리 궤적 시뮬레이션은 분리 외장에 걸리는 모든 힘과 모멘트(중력, 사출력, 관성력, 공력 등)를 산출하고 이를 적분함으로써 다음 스텝에서의 항공기와 분리 외장의 상대 자세 및 상대 위치를 계산하는 것이다. 본 발명은 그 중에서 가장 복잡한 모델인 공력 모델을 종래에 비해 빠르고 간편하게 산출하여 시뮬레이션에 적용하는 방법을 제시하였다.
다음 스텝에서의 항공기와 분리 외장의 상대 자세 및 상대 위치를 입력으로 도 3에 도시된 과정을 반복함으로써, 분리 궤적 시뮬레이션이 이루어진다.
도 6은 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과의 일예를 나타낸 것으로, KT-1P의 외부 연료 탱크의 분리 궤적에 대해 시뮬레이션한 결과이다.
빨간색 연료 탱크는 연료가 없는 빈(Empty) 연료 탱크이고, 초록색은 연료가 가득 찬(Full) 연료 탱크를 나타낸 것이며, 위치와 자세에 대한 그래프는 빈 연료 탱크에 대한 데이터를 그린 것이다. 도 6(a)는 유동 데이터베이스를 사용하지 않고 자유 흐름 데이터베이스만을 이용하여 시뮬레이션 한 결과이며, 도 6(b)는 본 발명에 따른 유동 데이터베이스를 활용하여 시뮬레이션 한 결과를 나타낸다.
따라서, 자유 흐름 데이터만으로는 나타나지 않는 롤(roll)과 요(yaw) 자세의 변화가 Flow Field 효과에 의해 나타나는 것을 확인할 수 있다. 도시된 분리 궤적 시뮬레이션 결과의 경우 유동 데이터베이스에 사용한 데이터는 모두 CFD 해석을 통해 획득한 것이다.
결론적으로, 본 발명은 외장의 분리 궤적 시뮬레이션을 위해 새로운 구조의 공력 데이터베이스를 구축하는 방법 및 분리 궤적 시뮬레이션 프로그램에 실제 적용하기 위해 구축된 공력 데이터베이스로부터 확보된 속도 변화량을 평균 속도 성분과 회전 속도 성분으로 구분하여 결국, Flow Field 효과가 반영된 공력 계수를 자유 흐름 데이터베이스로부터 모두 읽어오는 새로운 분리 궤적 시뮬레이션 방법을 제안한다.
따라서, 본 발명은 시뮬레이션 정밀도는 종래의 방법에 비해 약간 낮지만 항공기와 분리 외장의 조합 별로 Flow Field 데이터를 확보해야만 하는 종래의 방법과 달리 항공기 별로 한번 확보해놓은 Flow Field 데이터를 계속해서 활용함으로써, 상대적으로 빠른 분석이 가능함은 물론, 공력 데이터베이스 구축에 소요되는 비용과 시간도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 한번 구축해놓은 공력 데이터베이스를 분리 궤적 시뮬레이션에 적절하게 활용함으로써, 분리 외장의 형상이 달라지면 시뮬레이션이 불가능했던 종래의 방법과 달리 다양한 분리 외장에 대해서도 시뮬레이션이 가능한 장점이 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10 : 자유 흐름(Free Air) 부분
20 : Flow Field 부분
100 : 분리 궤적 시뮬레이션 프로그램
200 : 공력 데이터베이스

Claims (5)

  1. 분리 외장 자체의 공력 계수를 저장하는 자유 흐름 데이터베이스, 및 항공기에 분리 외장이 장착될 최초 장착점부터 낙하 이후까지 항공기와의 상대 위치에서의 상대풍에 대한 속도 변화량을 저장하는 유동 데이터베이스,로 이루어지는 공력 데이터베이스를 구축하는 공력 데이터베이스 구축 단계(S100);
    항공기에 장착된 분리 외장이 분리될 때 상기 공력 데이터베이스를 이용하여 항공기 주변의 공기 흐름에 의해 상기 분리 외장에 작용하는 공력을 산출하며, 산출된 공력을 이용하여 상기 분리 외장의 분리 궤적을 시뮬레이션 하는 시뮬레이션 단계(S200);
    를 포함하여 이루어지는 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 공력 데이터베이스 구축 단계(S100)는,
    a) 분리 외장 단독으로 공력 계수를 측정하여 상기 자유 흐름 데이터베이스를 구축하는 단계(S110);
    b) 항공기에 분리 외장이 장착되지 않은 상태에서 상기 분리 외장이 장착될 최초 장착점부터 낙하 이후까지 항공기 주변의 가상의 위치에 복수개의 대상점을 선정하는 단계(S120); 및
    c) 상기 대상점 별로 상대풍의 속도 변화량을 측정하여 상기 유동 데이터베이스를 구축하는 단계(S130);
    를 포함하여 이루어지는 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 시뮬레이션 단계(S200)는,
    1) 항공기와 분리된 상기 분리 외장의 상대 위치를 기준으로 상기 유동 데이터베이스로부터 분리 외장에 작용하는 상대풍의 속도 변화량(Flow Vector)을 읽어오는 단계(S210);
    2) 상기 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 속도(V) 및 각속도(
    Figure 112014099072758-pat00035
    )에 상기 속도 변화량(Flow Vector)을 반영하여 상기 자유 흐름 데이터베이스로부터 공력 계수를 읽어오는 단계(S220); 및
    3) 상기 공력 계수를 이용하여 상기 분리 외장의 분리 궤적을 시뮬레이션 하는 단계(S230);
    를 포함하여 이루어지는 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 2)단계는,
    2-1) 상기 속도 변화량(Flow Vector)을 평균 속도 성분(
    Figure 112015089867042-pat00036
    )과 회전 속도 성분(
    Figure 112015089867042-pat00037
    )으로 나누는 단계(S221);
    2-2) 상기 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 속도(V) 및 상기 평균 속도 성분(
    Figure 112015089867042-pat00038
    )로부터 상기 분리 외장의 속도(V'), 받음각(α'), 옆미끄럼각(β')을
    Figure 112015089867042-pat00039

    위의 수식을 이용하여 산출하는 단계(S222);
    2-3) 상기 회전 속도 성분(
    Figure 112015089867042-pat00040
    )을 아래 수식에 적용하여 회전 각속도(
    Figure 112015089867042-pat00041
    )로 환산하고
    Figure 112015089867042-pat00042

    환산한 상기 회전 각속도(
    Figure 112015089867042-pat00043
    )를 상기 분리 외장의 자유 흐름 운동 시 각속도(
    Figure 112015089867042-pat00044
    )에 더해 무차원화한 상기 분리 외장의 회전 각속도(qL2V', pL2V', rL2V')를 산출하는 단계(S223); 및
    2-4) 상기 2-2)단계에서 산출된 상기 분리 외장의 속도(V'), 받음각(α'), 옆미끄럼각(β') 및 상기 2-3)단계에서 산출된 상기 회전 각속도(qL2V', pL2V', rL2V')를 입력으로 상기 자유 흐름 데이터베이스로부터 공력 계수를 읽어오는 단계(S224);
    를 포함하여 이루어지는 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 1)단계는,
    상기 분리 외장의 형상에 따라 상기 상대풍의 속도 변화량(Flow Vector)을 읽어올 대상점의 개수를 가감하는 것을 특징으로 하는 분리 외장 형상에 독립적인 공력 데이터베이스를 활용한 분리 궤적 시뮬레이션 방법.
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