지구 재돌입 비행체 열방어 시스템(TPS) 성능 해석 연구
현재 우리나라는 우주 개발을 위한 제반 연구를 수행하고 있으며, 한국형발사체 개발 완료를 앞두고 있다. 그와 더불어 한국형 발사체에 탑재되어 우주 미션을 수행한 후 결과 샘플을 확보하기 위해 지구로 무사히 귀환할 수 있는 우주비행기나 재돌입 캡슐에 대한 개발 연구 또한 활발해지고 있다.
현재 우리나라는 우주 개발을 위한 제반 연구를 수행하고 있으며, 한국형발사체 개발 완료를 앞두고 있다. 그와 더불어 한국형 발사체에 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.
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.
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
재진입 우주선 주위의 극고온 환경 모사도 및 극초음속 유동 현상