표제지
초록
Abstract
목차
1. 서론 14
1.1. 연구 배경 14
1.1.1. 우주발사체 산업의 추세 14
1.1.2. 초소형 인공위성과 소형 우주발사체의 추세 16
1.1.3. 우주발사체 체급의 다양화 17
1.1.4. 최근 개발중인 국외 소형 우주발사체 19
1.1.5. 국내 우주발사체 개발 다양화의 필요성 22
1.2. 기존 연구 사례 24
1.2.1. 우주발사체 설계 및 시뮬레이션에 관한 국외 연구 24
1.2.2. 우주발사체 설계 및 시뮬레이션에 관한 국내 연구 26
1.3. 연구 목적 및 목표 27
1.3.1. 연구의 목적 27
1.3.2. 연구의 목표 28
2. 우주발사체 시스템 통합 설계 30
2.1. 개요 30
2.2. 해석 분야와 서브시스템(sub-system)의 설정 32
2.3. 추진 분야의 해석 및 설계 34
2.3.1. 연소실 및 노즐 34
2.3.2. 연소실 및 노즐의 무게 추정 41
2.3.3. 가스발생기(Gas Generator) 45
2.3.4. 터보펌프 및 터빈 47
2.3.5. 공급시스템 49
2.3.6. 질유량, 에너지, 압력 균형 조건 59
2.4. 공력 분야의 해석 및 설계 62
2.4.1. 표준 대기 데이터 62
2.4.2. 항력계수 및 항력의 산출 64
2.5. 구조 분야의 해석 및 설계 72
2.5.1. 추진제 탱크의 형상 설계 72
2.5.2. 추진제 탱크의 무게 추정 80
2.5.3. 등방격자(isogrid)구조 및 탄소 복합 소재 무게 절감 효과 84
2.6. 궤도 분야의 해석 86
3. 시스템 최적 설계 90
3.1. 시스템 최적 설계 기법의 개요 90
3.2. 유전 알고리즘 95
3.2.1. 유전 알고리즘의 개요 95
3.2.2. 유전 알고리즘 코드의 검증 96
3.3. 우주발사체 1단 시스템 최적화 적용 104
3.3.1. 해석 프로그램의 단순화 104
3.3.2. 최적화 문제의 정의 106
3.3.3. 유전 알고리즘 파라미터의 설정 108
3.3.4. 발사체 1단에 대한 최적화 예비 시행 113
4. 설계 결과 및 분석 121
4.1. 상단 질량 1,000kg급 발사체 설계 결과 122
4.2. 상단 질량 3,000kg급 발사체 설계 결과 126
5. 결론 129
참고문헌 131
〈Table 1-1〉 인공위성 및 우주 산업의 규모. 15
〈Table 1-2〉 우주선 및 인공위성의 크기별 분류 16
〈Table 1-3〉 우주발사체의 크기별 분류 17
〈Table 1-4〉 최근 개발 및 운용중인 세계 주요 소형 우주발사체 20
〈Table 2-1〉 추진제 조합에 따른 특성 길이 38
〈Table 2-2〉 가스발생기/예연소기의 가스 물성치 46
〈Table 2-3〉 터보펌프와 터빈의 효율 48
〈Table 2-4〉 공급계 부품 해석 모듈의 입출력 변수 50
〈Table 2-5〉 밸브의 재질 52
〈Table 2-6〉 유량 계수와 변환 계수 55
〈Table 2-7〉 Yuzhnoye 사의 밸브 데이터 56
〈Table 3-1〉 Himmelblau의 함수에 대한 유전 알고리즘 시행 결과 97
〈Table 3-2〉 설계변수의 설정 범위 107
〈Table 3-3〉 예비 시행 조건에서 최적화 중 설계변수의 변화 과정 114
〈Table 3-4〉 예비 시행 조건에서 최적화 중 주요 성능 변수들의 변화 과정 114
〈Table 3-5〉 직경 1.5m에 대한 예비 시행 결과 119
〈Table 3-6〉 직경 1.0m에 대한 예비 시행 결과 120
〈Table 4-1〉 Case 1. 상단 질량 1,000kg, 100km, 4.0km/s 123
〈Table 4-2〉 Case 2. 상단 질량 3,000kg, 100km, 4.0km/s 128
〈Fig. 1-1〉 소형 인공위성들의 발사 추세 18
〈Fig. 2-1〉 우주발사체의 분야별 주요 설계변수와 상호작용 32
〈Fig. 2-2〉 LOx LH₂의 연소가스 물성치[이미지참조] 37
〈Fig. 2-3〉 800psi에서 LOx LH₂ 연소 해석 결과[이미지참조] 37
〈Fig. 2-4〉 노즐수축비의 결정 38
〈Fig. 2-5〉 주연소실과 노즐의 설계 순서 40
〈Fig. 2-6〉 벨형 노즐 설계 변수 42
〈Fig. 2-7〉 벽의 두께가 얇아지는 벨형 노즐의 변수 정의 43
〈Fig. 2-9〉 레이놀즈 수에 따른 파이프의 마찰계수 53
〈Fig. 2-10〉 NASA-sp8097 밸브의 유량계수 57
〈Fig. 2-11〉 벨브 무게 추정 모델 57
〈Fig. 2-12〉 엔진의 질유량과 에너지 균형 조건 60
〈Fig. 2-13〉 액체로켓 엔진 해석의 전체 과정과 균형 조건 61
〈Fig. 2-14〉 표준 대기 물성치(온도, 점성계수, 음속) 63
〈Fig. 2-15〉 표준 대기 물성치(압력, 밀도) 63
〈Fig. 2-16〉 항력 계산을 위한 변수의 정의 65
〈Fig. 2-17〉 V-2 로켓의 항력 계수 70
〈Fig. 2-18〉 마하수와 항력계수의 관계 예시 71
〈Fig. 2-19〉 원기둥형 추진제 탱크 형상 변수 74
〈Fig. 2-20〉 부피 80m³, 반지름 3m인 탱크의 설계 결과 75
〈Fig. 2-21〉 부피 10m³, 반지름 3m, 구형 탱크의 설계 결과 77
〈Fig. 2-22〉 부피 10m³, 반지름 3m, 타원체형 탱크의 설계 결과 78
〈Fig. 2-23〉 원기둥형 탱크의 옆면 응력 해석 81
〈Fig. 2-24〉 등방격자구조의 설계 변수 84
〈Fig. 2-25〉 우주발사체에 작용하는 힘 88
〈Fig. 2-26〉 우주발사체의 운동 89
〈Fig. 3-1〉 MDO 문제에서의 용어 정의와 흐름도 91
〈Fig. 3-2〉 MDF 방법의 흐름도 92
〈Fig. 3-3〉 CO 방법의 흐름도 93
〈Fig. 3-4〉 본 연구에서 사용한 MDO 흐름도 94
〈Fig. 3-5〉 유전 알고리즘의 흐름도 95
〈Fig. 3-6〉 Himmelblau의 함수 지역해와 전역해 97
〈Fig. 3-7〉 Himmelblau의 함수를 대상으로 한 유전 알고리즘의 시행 과정 99
〈Fig. 3-8〉 6-hump Camel Back 함수의 그래프 100
〈Fig. 3-9〉 6-hump Camel Back 함수의 유전 알고리즘 적용 결과 102
〈Fig. 3-10〉 동적 변이 방법에 대한 MATLAB 함수 108
〈Fig. 3-11〉 지역해에 머무르면서 더 이상 새로운 탐색을 못하는 사례 109
〈Fig. 3-12〉 지역해에 머무르지 않고 계속적으로 전역 해를 탐색하는 성공적인 사례 110
〈Fig. 3-13〉 기존 변이 방식(위)과 새로운 변이 방식(아래) 111
〈Fig. 3-14〉 기존 변이 방식(위)과 새로운 변이 방식(아래) 112
〈Fig. 3-15〉 예비 1차 시행에서 설계변수의 탐색 과정 115
〈Fig. 3-16〉 예비 1차 시행에서 설계변수의 진화 과정 116
〈Fig. 3-17〉 예비 2차 시행에서 설계변수의 진화 과정 116
〈Fig. 3-18〉 예비 3차 시행에서 설계변수의 진화 과정 117
〈Fig. 3-19〉 예비 4차 시행에서 설계변수의 진화 과정 117
〈Fig. 4-1〉 Case 1의 결과와 나로호 및 Electron 발사체와의 크기 비교 122
〈Fig. 4-2〉 Case 2의 결과와 나로호 및 Electron 발사체와의 크기 비교 126