초고속 비행체 공력 및 공기광학 해석
세계 각국에서는 탄도 미사일 등의 위협으로 대처하기 위해 방어 체계를 구축하고 있으며, 최근에는 초고속 비행체를 이용한 직격 요격(hit-to-kill) 방식의 방어 체계를 개발하고 있다. 초고속 비행체가 목표물을 정확하기 요격하기 위해서는 정확한 궤도 제어가 요구되는데, 고고도 조건에서 비행하는 경우 핀(fin)과 같은 제어면을 이용한 비행체 제어 방식의 효율이 급감하기 때문에 새로운 방식의 제어 기법이 필요하다.
측 추력 제트 기법은 동체의 측방향으로 제트를 분사하는 방식으로 짧은 반응시간과 고기동성 확보가 가능하여 초고속 비행체에 주로 사용되고 있다. 그런데 측 방향으로 분사된 제트 유동은 자유류와 제트간섭(jet interaction) 현상을 일으켜 복잡한 유동 구조가 발달되며, 이로 인해 비행체에 작용하는 정확한 공력을 예측하기 위한 많은 연구가 이루어지고 있다.
또한 초고속 비행체에는 목표물의 위치를 파악하기 위한 장치로 선두부 내부에 적외선 탐색 시스템이 장착되는 경우가 많은데, 비행체를 향해 입사하는 전자기파는 선두부 유동의 교란으로 위상이 교란되고 진행 경로가 변화하는 공기광학(aero-optic) 현상을 겪게 된다. 특히 제트간섭 현상으로 선두부의 유동 구조에 큰 영향을 주게 되면 적외선 탐색 시스템으로 측정할 때 공기광학 현상으로 인한 측정 오차는 상당히 커질 수 있다.
본 연구실에서는 수치 해석 방법을 통해 다양한 비행 환경에서 초고속 비행체의 공력 해석을 수행하고, 측 추력으로 인해 발생하는 유동 구조를 정확하게 포착하고 공력을 정확하게 예측하는 연구를 수행하고 있다. 또한 광선추적법을 이용한 공기광학 수치 해석을 통해 비행체 선두부에 전자기파가 입사하는 상황을 모사하고 하고 비행 환경이 적외선 탐색 시스템에 주는 공기광학 영향을 예측하는 연구를 수행하고 있다.
Fig. 1. 고도에 따른 초고속 비행체 주위 유동 구조의 변화 (좌: 저고도, 우: 고고도)
그림 1은 single jet 분사 환경에서 초고속 비행체 주위의 유동을 수치적으로 해석한 결과로, 밀도 결과에 대한 numerical schlieren을 표시한 것이다. 고도에 따른 해석 결과를 살펴보면 저고도에서는 제트 출구 근처에 복잡한 충격파와 와류 구조가 발달하나 국소적으로만 발생하며, 제트 후류 쪽으로 기울어지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 고고도에서는 자유류 대기의 밀도가 훨씬 낮기 때문에 제트 유동이 크게 발달하며, 이로 인해 제트간섭으로 발생한 유동 구조가 자유류 방향으로 상당부분 전진함을 알 수 있다. 이는 고고도에서는 비행 조건에 따라 제트간섭으로 발생한 유동 구조가 선두부의 공기광학 특성에 영향을 줄 수 있다는 것을 의미한다.
Fig. 2. (좌) 비행체 선두부의 공기광학 해석 영역, (우) 고고도 비행조건에 따른 조준오차 변화
그림 2의 왼쪽은 초고속 비행체 주위 유동 중 공기광학에 영향을 주는 영역을 표시한 것이며, 오른쪽은 고고도에서 받음각의 변화에 따른 전자기파의 경로 변화인 조준오차의 변화를 도시한 것이다. 해석 결과를 보면 알 수 있듯이 비행 조건에 따라 선두부의 유동 구조를 크게 변화시키는 경우 공기광학 특성이 달라지게 되며, 조준오차 또한 급격하게 변화하는 것을 확인할 수 있다.
