고체 로켓 내부 유체-구조-연소 통합 해석

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기술의 발전과 더불어 공학 분야에 있어서도 학제간의 통합 해석을 통한 복잡한 물리 현상에 대한 정밀한 해석에 대한 요구가 급증하고 있다. 유체-구조 통합 해석(fluid-structure interaction simulation)은 최근 들어 매우 각광받고 있는 다학제간 통합 해석 분야로 그 응용 범위는 항공뿐만 아니라 기계, 조선, 자동차 산업 등 대부분의 공학 문제에 적용될 수 있는 중요한 문제이다. 유체-구조 통합 해석은 유체역학, 구조역학에 대한 전문적인 지식뿐만 아니라 이들을 결합하여 해석이 수행될 수 있도록 하기 위한 각종 수치 및 통합 기법들에 대한 폭넓은 이해를 요하며 이런 이유로 앞으로 산업 및 학계에서 많은 기술 인력 수요가 예상된다.

 

우주 왕복선이나 우주 개발 로켓의 재사용 가능한 보조 로켓이나 군사적 목적으로 많이 사용되는 고체 로켓의 점화 후 고체 추진제의 연소 특성과 연소실 내부의 물리 현상을 파악하는 것은 로켓의 운용에 있어 성능과 안정성에 직결되는 중요한 문제이다. 고체 로켓 내부에서의 물리 현상을 결정짓는 요소는 크게 추진제 연소에 따른 분사가스의 유동, 추진제의 연소, 그리고 가스 유동과 추진제의 연소에 따른 구조물의 변형으로 나눌 수 있으며 위의 세 가지 요소는 서로 독립적이지 않고 상호작용하므로 고체 로켓 내부의 현상을 파악하는 일은 매우 복잡하고 복합적인 문제이다(그림 1 참조). 기존 전산 해석의 경우, 유체, 구조 및 연소의 개별 영역을 중심으로 연구가 이루어져 전체적인 물리 현상을 파악하는데 한계가 있었으며 실험적 방법의 경우에는 고비용과 고위험을 수반하며 측정장비가 견딜 수 없는 극단적인 연소실 내부 환경으로 인하여 연구자가 원하는 데이터를 확보하기가 어렵다는 단점을 갖고 있었다. 그러므로 최근 국가적인 우주 개발에 대한 관심과 더불어 고체 로켓 내부 현상 통합 해석에 대한 연구의 필요성이 제기되고 있다.

 

 

Fig. 1 고체로켓 통합해석 형상 모델링

 

본 연구실에서는 고체 로켓 내부의 형상을 적절히 모델링 한 후, 결정된 형상에 대하여 유동, 구조, 연소 현상을 모두 아우르는 통합 해석을 수행하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 유동, 구조, 연소의 개별 해석 프로그램 개발과 각 프로그램을 통합, 연동하여 해석하기 위한 알고리즘에 대한 연구를 수행한다. 개별 해석 프로그램의 경우 추진제 연소와 구조 변형에 의한 해석 영역의 변화를 다루기 위해 Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) 해석 방식을 기반으로 개발하며 격자 이동, 격자 재생성, 정보 전달 기법 등 다양한 기법을 적용한다. 또한 유체와 구조 불일치 격자 경계에서의 정보 전달 기법도 적용하여 안정적인 통합해석이 가능하도록 하였다.

 

 

Fig. 2 고체로켓 내부 통합 해석 유동 해석 결과

(위) 추진체 그레인 점화 과정

(아래) 연소에 의한 유동 영역 변화 및 해석 결과