KR20090035058A - 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법에 관한 것으로서, (a) 공력분석 모듈이 3차원 Euler 방정식을 이용한 전산해석을 통해 공중발사 로켓의 표면 압력을 산출하는 단계; (b) 상기 공력분석 모듈이 시간 적분 기법 및 공간 차분 기법을 이용하여 공력분석을 수행하는 단계; (c) 구조분석 모듈이 상기 공력분석 모듈을 통해 산출된 로켓의 표면 압력을 이용하여 로켓의 응력 및 구조적 변형량을 산출하는 단계; (d) 상기 구조분석 모듈이 상기 변형량을 고려하여 로켓의 형상을 구현한 후, 구조해석 격자계를 구성함으로써, 구조분석을 수행하는 단계; (e) 연계분석 모듈이 상기 구조분석 모듈을 통해 산출된 로켓의 구조적 변형량을 이용하여, 상기 산출된 변형량이 소정 변형량의 수렴도 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계의 판단결과 소정 변형량의 수렴도 이하일 경우, 상기 연계분석 모듈이 상기 산출된 변형량을 최대 변형량으로 판단하여 추출하는 단계; 를 포함한다.
로켓, 격자계, 변형량

Description

공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법{METHOD FOR ANALYZING FLUID-STRUCTURE INTERACTION OF AIR LAUNCHING}
본 발명은 로켓의 공력-구조 연계 분석방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 초음속 공중발사 로켓의 유동해석과 구조해석을 연계하여 동시에 분석할 수 있는 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법에 관한 것이다.
공중발사 로켓은 공력해석, 구조해석, 무게추정 및 사이징, 추진해석, 궤도해석 등의 분야가 상호 긴밀하게 연계되는 통합 시스템이며, 특히 모선 장착을 위하여 발사체 자체, 각 계통의 소형ㅇ경량화가 중요시되고, 모든 관련 설계, 해석 분야를 동시에 고려하는 것이 중요하며, 설계 결과의 정확성을 향상하기 위해서는 각각의 단위 기술들이 정교해야 함은 물론이다.
발사체의 해석 문제와 같이 유체의 흐름에 의해 구조물의 변형이 발생하게 되고 구조물의 변형으로 인하여 유체 흐름이 영향을 받게 되기 때문에 구조물의 최종 변형 상태와 유체의 최종 흐름 상태를 결정하기 위해서는 이러한 두 가지 문제를 동시에 고려해야만 한다.
유체-구조물 사이의 상호작용(Fluid-Structure Interaction, FSI)에 관한 문 제는 매우 어려운 문제이고, 그 필요성에 비하여 아직 연구가 많이 부족한 실정이나, 최근 컴퓨터 성능의 급속한 발전과 응용 프로그램의 적용 확대로 그 적용범위를 계속 넓혀가고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 초음속 공중발사 로켓의 유동분석과 구조분석을 연계하여 동시에 분석할 수 있는 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법을 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 공력분석 모듈이 3차원 Euler 방정식을 이용한 전산해석을 통해 공중발사 로켓의 표면 압력을 산출하는 단계; (b) 상기 공력분석 모듈이 시간 적분 기법 및 공간 차분 기법을 이용하여 공력분석을 수행하는 단계; (c) 상기 구조분석 모듈이 상기 공력분석 모듈을 통해 산출된 로켓의 표면 압력을 이용하여 로켓의 응력 및 구조적 변형량을 산출하는 단계; (d) 상기 구조분석 모듈이 상기 변형량을 고려하여 로켓의 형상을 구현한 후, 구조해석 격자계를 구성함으로써, 구조분석을 수행하는 단계; (e) 상기 연계분석 모듈이 상기 구조분석 모듈을 통해 산출된 로켓의 구조적 변형량을 이용하여, 상기 산출된 변형량이 소정 변형량의 수렴도 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및 (f) 상기 (e) 단계의 판단결과 소정 변형량의 수렴도 이하일 경우, 상기 연계분석 모듈이 상기 산출된 변형량을 최대 변형량이라 판단하여 추출하는 단계; 를 포함한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 로켓의 높은 유동 속도에 의해 발생 가능한 변형이 예측 가능함으로써, 변형된 유동의 흐름에 의한 로켓의 구조적 변형 및 그 변형 과정을 예측할 수 있는 특유의 효과가 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석장치(100)(이하, '분석장치')에 관한 개략적인 구성도로서, 도시된 바와 같이, 공중발사 로켓의 공력분석을 수행하는 공력분석 모듈(110)과, 공중발사 로켓의 구조분석을 수행하는 구조분석 모듈(120) 및 상기 공력분석 모듈(110) 및 구조분석 모듈(120)로부터 산출된 공중발사 로켓의 공력 및 구조 분석에 관한 데이터를 바탕으로 공중발사 로켓의 공력-구조 연계분석을 수행하는 연계분석 모듈(130)을 포함한다.
도 2 는 본 발명에 따른 분석장치(100)를 이용한 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법에 관한 전체 흐름도로서, 도시된 바와 같이, 공력분석 모듈(110)은 다음의 [수식 1]과 같은 3차원 Euler 방정식을 이용한 전산해석을 통해 공중발사 로켓의 표면 압력을 산출한다(S110).
[수식 1]
Figure 112007071507719-PAT00001
구체적으로, 상기 [수식 1]에서 보존변수
Figure 112007071507719-PAT00002
및 각 플럭스 벡터들은 다음의 [수식 2]와 같이 정의된다.
[수식 2]
Figure 112007071507719-PAT00003
이때,
Figure 112007071507719-PAT00004
는 대기의 밀도, P 는 압력, u, ν, ω 각각 속도의 구성요소이며,
Figure 112007071507719-PAT00005
는 단위 질량 당 총 에너지이다.
이후, 공력분석 모듈(110)이 시간 적분 기법 및 공간 차분 기법을 이용하여 공력분석을 수행한다(S120). 도 3 은 공력분석을 위한 외방격자를 보이는 도면으로 서, 격자수는 약115,000개이다.
또한, 구조분석 모듈(120)은 상기 공력분석 모듈(110)을 통해 산출된 로켓의 표면 압력을 이용하여, 상기 압력으로 인한 로켓의 응력 및 구조적 변형량을 산출한다(S130).
또한, 구조분석 모듈(120)은 변형량을 고려하여 로켓의 형상을 구현한 후, 구조해석 격자계를 구성함으로써, 구조분석을 수행한다(S130). 이때, 격자구성에 사용되는 요소에는 각각 4개의 질점과 Mid-node를 가지는 parabolic mesh 타입이 사용되었다. 도 4 에 도시된 바와 같이 약 70,000 내지 80,000개의 격자점과 약 20,000 내지 25,000개의 요소를 갖는 공중발사 로켓의 구조해석 격자를 산출한다.
그리고, 연계분석 모듈(130)은 상기 구조분석 모듈(120)을 통해 산출된 로켓의 구조적 변형량을 이용하여, 상기 산출된 변형량이 소정 변형량의 수렴도 이하인지 여부를 판단한다(S140).
제 S140 단계의 판단결과 소정 변형량의 수렴도 이하일 경우, 연계분석 모듈(130)은 상기 변형량을 최대 변형량으로 판단하여 추출하고(S150), 제 S140 단계의 판단결과 소정 변형량의 수렴도 이상일 경우, 연계분석 모듈(130)은 제 S110 단계로 절차를 이행한다(S160). 본 실시예에서, 상기 소정 변형량의 수렴도는
Figure 112007071507719-PAT00006
내지
Figure 112007071507719-PAT00007
, 바람직하게
Figure 112007071507719-PAT00008
으로 설정하겠으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하 여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석장치에 관한 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법에 관한 전체 흐름도.
도 3 은 본 발명에 따른 공력분석을 위한 외방격자를 보이는 일예시도.
도 4 는 본 발명에 따른 구조해석 격자를 보이는 일예시도.
** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **
100: 분석장치 110: 공력분석 모듈
120: 구조분석 모듈 130: 연계분석 모듈

Claims (3)

  1. 공력분석 모듈(110), 구조분석 모듈(120) 및 연계분석 모듈(130)로 구성된 연계 분석장치(100)를 이용한 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법에 있어서,
    (a) 상기 공력분석 모듈(110)이 3차원 Euler 방정식을 이용한 전산해석을 통해 공중발사 로켓의 표면 압력을 산출하는 단계;
    (b) 상기 공력분석 모듈(110)이 시간 적분 기법 및 공간 차분 기법을 이용하여 공력분석을 수행하는 단계;
    (c) 상기 구조분석 모듈(120)이 상기 공력분석 모듈(110)을 통해 산출된 로켓의 표면 압력을 이용하여 로켓의 응력 및 구조적 변형량을 산출하는 단계;
    (d) 상기 구조분석 모듈(120)이 상기 변형량을 고려하여 로켓의 형상을 구현한 후, 구조해석 격자계를 구성함으로써, 구조분석을 수행하는 단계;
    (e) 상기 연계분석 모듈(130)이 상기 구조분석 모듈(120)을 통해 산출된 로켓의 구조적 변형량을 이용하여, 상기 산출된 변형량이 소정 변형량의 수렴도 이하인지 여부를 판단하는 단계; 및
    (f) 상기 (e) 단계의 판단결과 소정 변형량의 수렴도 이하일 경우, 상기 연계분석 모듈(130)이 상기 산출된 변형량을 최대 변형량으로 판단하여 추출하는 단계; 를 포함하는 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (e) 단계의 판단결과 소정 변형량의 수렴도 이상일 경우,
    (e-1) 상기 연계분석 모듈(130)이 상기 (a) 단계로 절차를 이행하는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 소정 변형량의 수렴도는,
    Figure 112007071507719-PAT00009
    내지
    Figure 112007071507719-PAT00010
    인 것을 특징으로 하는 공중발사 로켓의 공력-구조 연계 분석방법.
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