현재 우리나라는 우주 개발을 위한 제반 연구를 수행하고 있으며, 한국형발사체 개발 완료를 앞두고 있다. 그와 더불어 한국형발사체에 탑재되어 우주 미션을 수행한 후 결과 샘플을 확보하기 위해 지구로 무사히 귀환할 수 있는 우주비행기나 재돌입 캡슐에 대한 개발 연구 또한 활발해지고 있다.

우주비행기나 재돌입 캡슐, 행성탐사선 등은 지구 재돌입이나 행성 대기권 진입 시 극초음속 비행에 의한 공력 가열 현상으로 인해 수천 K 이상의 고온 유동에 노출된다. 이와 같은 극고온 환경으로부터 비행체를 보호하기 위한 열방어 시스템(TPS, Thermal Protection System)은 비행사 및 비행체의 안전 및 우주탐사 미션의 성패를 결정하는 중요한 구조물이다. TPS는 우주왕복선 전체 무게의 15~20%, 재돌입 캡슐 전체 무게의 30~40% 정도를 차지하며, TPS 중량 감량은 발사 비용 절감 및 탑재 중량 증가 등으로 이어진다. 그러므로 TPS 설계 단계에서 정확한 열차폐 성능 해석을 통해 비행체의 안전이 확보되는 범위 내에서 두께 및 형상을 최적화하며 무게를 최소화하는 효율적인 설계가 요구된다. 이를 위해 비행체로의 열전달량 및 TPS 고온 거동의 정확한 예측 능력이 확보되어야만 한다.

본 연구는 극초음속 유동의 특성과 TPS에 대한 기초적인 이해를 목적으로 한다. 지구 재돌입 물체의 형상 및 미션에 따른 지구 재돌입 궤적 도출, 화학적 비평형 유동 해석을 통한 지구 재돌입 비행체 주위 고온 유동장 및 공력 가열 해석, 해당 고온 환경에서의 열보호재의 고온 거동 해석 등으로 이어지는 TPS 성능 해석의 전반적인 과정에 대해 학습한다

재진입 우주선 주위의 극고온 환경 모사도 및 극초음속 유동 현상