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Flight safety analyses on the upper stage of a space launch vehicle with survivability analyses of debris reentering the earths atmosphere : 파편 재진입 생존성 분석을 고려한 우주발사체 상단의 비행안전 분석
| DC Field | Value | Language |
|---|---|---|
| dc.contributor.advisor | 김규홍 | - |
| dc.contributor.author | 심형석 | - |
| dc.date.accessioned | 2017-07-13T06:09:07Z | - |
| dc.date.available | 2017-07-13T06:09:07Z | - |
| dc.date.issued | 2013-02 | - |
| dc.identifier.other | 000000008229 | - |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10371/118308 | - |
| dc.description | 학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 기계항공공학부, 2013. 2. 김규홍. | - |
| dc.description.abstract | 본 연구의 핵심은 큰 속도로 비행하는 우주발사체가 실패하는 경우의 정
확한 지상 인명피해 분석을 위해 파편 대기 재진입 생존성을 고려한 비행안 전 분석을 수행하는 것이다. 우주발사체의 비행안전 분석은 비행 실패를 가정한 파편 낙하 시뮬레이션, 지상 낙하 영역 분석, 파편 피해면적과 인구 분포를 이용한 예상 인명피해 추정의 과정으로 수행된다. 우주발사체가 큰 속도에서 실패하는 경우에 파 편이 지구 대기에 재진입하는 과정에 큰 공력 열하중에 의해 녹아서 크기가 작아지거나 없어질 수 있으며 이는 지상 인명피해를 줄이는 영향을 준다. 따라서 빠른 속도로 낙하하는 파편에 의한 보다 정밀한 예상인명피해 분석 을 위해서는 파편의 재진입 생존성 분석의 고려가 요구된다. 본 연구는 정확한 우주발사체 비행안전 분석을 위해 3가지 연구를 중 심으로 수행되었다. 첫째, 우주발사체의 비행안전 분석 프로그램을 개발하였다. 먼저 우주 발사체의 비행실패에 의한 파편의 지상 낙하 영역 분석을 위해 파편 폭발 속도의 불확실성, 탄도계수의 불확실성, 유도성능오차, 바람과 양력의 영향 을 고려하였다. 인명이 건물 등에 위치하여 파편에 의해 보호되는 영향을 포함할 수 있도록 Sheltering 모델을 적용하였다. 최종적으로 파편의 피 해 면적과 인구 분포를 이용하여 예상 인명 피해를 분석하였다. 분석 결과 는 비교적 단순한 분석법을 사용하는 미국 ACTA(社)의 TumCor 프로그 램 결과와 비교되었다. 둘째, 큰 속도로 지구에 재진입하는 파편의 생존성 분석을 위한 코드가 개발되었다. 3자유도 파편 낙하 시뮬레이션 과정에 파편이 낙하하는 도중에 받게 되는 공력 열하중, 열하중에 의한 파편의 온도변화, 녹는점에 도달한 후 물체의 상변화 여부 등을 포함하여 최종적으로 지상에 낙하하는 파편의 크기와 무게를 분석하였다. 개발된 코드의 검증을 위하여 단순한 형태의 파 편에 대한 생존성 분석을 수행하여 NASA와 ESA의 코드 결과와 비교하였 다. 또한 실제 재진입 파편에 대한 분석을 수행하여 측정된 결과와 비교하 였다. 마지막으로, 개발된 재진입 생존성 분석 코드를 비행안전 분석 과정에 결합하여 2단형 발사체의 상단에 대한 비행안전 분석을 수행하였다. 생존성 분석을 포함하는 경우의 영향을 분석하기 위하여 생존성 분석이 배제되어 수행된 분석결과와 비교하였다. 결과적으로 생존성 분석을 고려하는 경우에 고려치 않은 결과에 비해 상당한 수준의 예상인명피해의 감소가 있는 것으 로 나타났으며, 발사체가 빠른 속도로 비행하는 구간에서는 생존성 분석의 고려가 필수적임을 확인하였다. 또한, 불확실성을 가진 변수들의 영향을 살 펴보기 위하여, 개발된 프로그램을 이용한 다양한 비행조건과 환경조건에 대한 분석을 수행하였으며 바람 프로파일, 발사체 폭발속도, 발사방위각이 예상인명피해에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. | - |
| dc.description.tableofcontents | CHAPTER 1. INTRODUCTION ........................................................................ 1
1.1 Flight safety analysis of space launch vehicles ......................................... 1 1.1.1 The history of flight safety analysis of space launch vehicles ........... 2 1.1.2 The procedure of flight safety analysis of space launch vehicles ...... 4 1.2 Survivability analysis of reentry debris ..................................................... 6 1.2.1 Survivability analysis program of foreign countries .......................... 8 1.3. Research topics of the paper ................................................................... 11 CHAPTER 2. DEVELOPMENT OF FLIGHT SAFETY ANALYSIS PROGRAM (FSAS) ........................................................................................... 17 2.1 Fragment impact footprint ....................................................................... 17 2.1.1 Impact predictor ............................................................................... 17 2.1.2 Impact uncertainty model of fragment ............................................. 18 2.2 Expected casualty .................................................................................... 26 2.3 Sheltering model ..................................................................................... 28 2.3.1 Fragment sheltering model ............................................................... 28 2.3.2 Population sheltering model ............................................................. 31 2.4 Program validation .................................................................................. 34 CHAPTER 3. DEVELOPMENT OF SURVIVABILITY ANALYSIS PROGRAM FOR ATMOSPHERIC REENTRY (SAPAR) ............................... 39 3.1 SAPAR Module ....................................................................................... 39 3.1.1 Trajectory module............................................................................. 40 3.1.2 Aerodynamics module ...................................................................... 41 3.1.3 Aerothermodynamics module ........................................................... 45 3.1.4 Thermal module ............................................................................... 57 3.1.5 Ablation module ............................................................................... 60 3.2 Program validation .................................................................................. 61 3.2.1 Comparison with ORSAT and SCARAB analysis on simple-shaped objects ............................................................................................................. 61 3.2.2 Comparison with actually recovered space debris ........................... 66 CHAPTER 4. FLIGHT SAFETY ANALYSIS ON THE UPPER STAGE OF A LAUNCH VEHICLE ......................................................................................... 71 4.1 Launch vehicle configuration and trajectory ........................................... 71 4.1.1 Main mass characteristics ................................................................. 71 4.1.2 Mission definition and sequence ...................................................... 72 4.1.3 Flight trajectory and parameters ....................................................... 73 4.1.4 Population near trajectory ................................................................ 79 4.2 Conditions for flight safety analysis ........................................................ 81 4.2.1 Debris model .................................................................................... 81 4.2.2 Statistical Analysis ........................................................................... 84 4.2.3 Wind profile of Australia .................................................................. 85 4.3 Flight safety analysis on the upper stage ................................................. 92 4.3.1 Survivability analysis ....................................................................... 92 4.3.2 Expected casualty analysis ............................................................. 102 4.3.3 Parametric study ............................................................................. 110 CHAPTER 5. CONCLUSIONS ...................................................................... 120 BIBLIOGRAPHY ............................................................................................ 124 국문초록 .......................................................................................................... 130 감사의 글 ........................................................................................................ 132 | - |
| dc.format | application/pdf | - |
| dc.format.extent | 2631046 bytes | - |
| dc.format.medium | application/pdf | - |
| dc.language.iso | en | - |
| dc.publisher | 서울대학교 대학원 | - |
| dc.subject | 우주발사체 | - |
| dc.subject | 비행안전분석 | - |
| dc.subject | 파편 낙하영역 | - |
| dc.subject | Sheltering | - |
| dc.subject | 지구 재진입 | - |
| dc.subject | 극초음속 | - |
| dc.subject | 공력 열하중 | - |
| dc.subject | 생존성 | - |
| dc.subject.ddc | 621 | - |
| dc.title | Flight safety analyses on the upper stage of a space launch vehicle with survivability analyses of debris reentering the earths atmosphere | - |
| dc.title.alternative | 파편 재진입 생존성 분석을 고려한 우주발사체 상단의 비행안전 분석 | - |
| dc.type | Thesis | - |
| dc.contributor.AlternativeAuthor | Hyung-Seok Sim | - |
| dc.description.degree | Doctor | - |
| dc.citation.pages | 131 | - |
| dc.contributor.affiliation | 공과대학 기계항공공학부 | - |
| dc.date.awarded | 2013-02 | - |
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