Hypersonic Flow Analysis

극초음속 비행체는 대기권 진입, 고고도 활공, 고속 추진 비행 과정에서 강한 충격파와 고온 압축 유동을 동반하는 극한 열공력 환경에 노출된다. 이때 비행체 주위의 유동장은 단순한 압축성 유동을 넘어, 충격파와 경계층의 상호작용, 공력가열, 고온 기체의 열화학 반응, 그리고 표면 조건에 따른 열전달 특성이 서로 결합된 복합 물리 현상으로 나타난다. 특히 기체의 해리, 이온화, 진동 및 전자 에너지 여기와 같은 열화학 비평형 현상이 발생하여 온도장, 화학종 조성, 표면 열유속 및 공력 계수에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 극초음속 비행체의 공력 성능과 열적 생존성을 평가하기 위해서는 비행 조건에 따른 유동 구조와 열부하 발생 메커니즘을 정량적으로 해석하는 것이 필수적이다. 이를 위해 형상 변화, 받음각, 경계층 상태, 표면 촉매성 및 벽면 온도 조건에 따른 충격파 위치와 열유속 분포 변화를 고려할 수 있는 실제 비행체 형상 기반의 다차원 해석이 요구된다.

본 연구실에서는 극초음속 비행체 주위의 고온 압축성 유동장을 해석하기 위해 전산유체역학 기반의 다차원 유동 해석을 수행하고 있다. 이를 통해 비행체 형상 및 비행 조건에 따른 충격파 구조, 압력 분포, 온도장, 화학종 조성, 경계층 발달 및 표면 열유속 특성을 분석한다. 특히 고온 열화학 효과와 에너지 모드 간 비평형을 고려함으로써, 완전기체 또는 단순 평형 모델로는 포착하기 어려운 극초음속 열공력 환경을 보다 현실적으로 예측한다.

또한 유동 해석 결과를 표면 화학반응, 구조 내부 열전달 및 열응답 해석과 연계하여 비행체에 작용하는 열부하와 구조적 생존성을 평가하는 연구를 수행하고 있다. 이러한 연계 해석은 열방호 시스템 설계, 고온 구조물의 손상 가능성 평가, 재진입 및 고속 비행체의 임무 안정성 분석에 활용될 수 있다. 더불어 반복적인 형상 설계와 비행 조건 분석의 효율을 높이기 위해 주요 열공력 변수와 열전달 계수에 대한 데이터베이스를 구축하고, 이를 기반으로 신속한 열환경 예측이 가능한 해석 체계를 개발하고 있다.

이와 같은 연구를 통해 극초음속 비행체 주변의 복합 열공력 현상을 이해하고, 실제 비행 환경을 반영한 유동-열-구조 연계 해석 기반을 구축하며, 축적된 해석 기술을 바탕으로 극초음속 비행체의 설계 신뢰성, 열방호 성능 및 임무 생존성 연구에 응용한다.