Rapid Analysis Based Hypersonic Entry Vehicle MDO

    최근 행성 탐사의 요구가 증가하고 있으며, 그에 따라 행성의 진입 시 발생하는 극심한 열공력 환경에 대한 연구의 중요도 또한 증가하고 있다. 특히 우주 탐사 비행체는 행성 대기 진입 및 지구 재진입과 같은 극한 환경에서의 복잡한 임무를 수행해야 한다. 이와 같은 우주 탐사 비행체의 설계를 성공적으로 수행하기 위해서는 열, 공력, 구조, 궤적과 같은 다양한 분야에서의 면밀한 분석이 필요하며, 다분야 해석 모듈들이 유기적으로 결합된 프레임워크 구축이 필수적이다.

     비행체의 형상을 디자인하기 위해서는 여러 형상 및 다양한 비행 환경에서의 성능을 예측할 수 있어야 한다. 특히 설계 초기 단계에서는 설계 파라미터의 변화 또는 유동 조건에 따라 수많은 케이스에 대한 반복적인 해석이 요구된다. 이때 일반적으로 사용되는 수치해석 기반의 CFD(Computational Fluid Dynamics) 방법은 정밀하고 상세한 데이터를 제공하지만, 하나의 해석 케이스에 대해 복잡한 전/후처리 과정 및 방대한 연산량으로 인해 많은 계산 자원을 필요로 하므로 설계 초기단계에서는 활용이 제한될 수 있다. 따라서 극초음속 비행체의 초기 개념설계 단계에서는, 빠르고 신속한 계산을 수행할 수 있는 경험식 기반의 열공력 해석을 수행하게 된다.

     본 연구에서는 CFD의 대안적인 방법으로, 경험식 기반의 열공력 모델식을 적용한 재진입 비행체의 공력가열 연구를 수행하게 된다. 또한 재진입 임무를 위한 비행체의 구조 및 궤적해석 모듈을 구축하고, 이를 유전 알고리즘과 결합하여 다목적 형상 최적화를 수행하므로써 전반적인 비행체의 형상 최적설계 과정 학습을 목표로 한다.

-      신속 열공력 해석 프로그램 활용: 경험식 기반의 모델을 통해 비행체의 공력 특성 및 가열률을 신속하게 예측

-      지구 재진입 우주비행기 궤적 최적화: 지구 재진입 시 발생하는 공력 가열 및 구조적 하중을 최소화하면서 임무 목적지에 도달하기 위한 최적의 비행 궤적을 산출

-      지구 및 화성 진입 캡슐 형상설계: 극초음속 열공력 환경을 고려하여, 탑재체 중량 확보 및 열방호 시스템(TPS) 효율화를 위한 다목적 형상 최적화를 수행

-      다분야 다목적 형상 최적화(MDO): 구축된 열공력, 구조, 궤적 해석 모듈을 유전 알고리즘(Genetic Algorithm) 등의 최적화 기법과 결합하여, 상충하는 설계 목적을 동시에 만족하는 최적 형상을 도출

대기 진입 캡슐 최적화 프레임워크 예시

화성 대기진입 캡슐 형상 최적설계 및 비행 궤적 분석 예시 

극초음속 글라이더 열/궤적 및 우주비행기 궤적 분석 예시