Research of Base Bleeding Effect on Drag Reduction of Supersonic Flight Vehicle

Abstract

비행체의 사거리 증대에 관한 연구는 1960년대부터 많은 국가들에서 이루어졌다. 추력이 없는 비행체의 경우, 포 혹은 다른 장치에 의해 초기에 부여할 수 있는 운동에너지는 한계가 있다. 따라서, 정해진 초기 속도로 날아가는 비행체에 작용하는 항력을 줄이는 것은 매우 중요하다. 비행체에 작용하는 전체 항력은 압력 항력 (pressure drag), 표면 마찰 항력 (skin-friction drag), 기저 항력 (base drag) 으로 분류할 수 있다. 압력 항력은 형상 항력 (form drag) 으로 불리기도 하듯, 비행체의 형상에 의해 지배 받는 항력이고, 표면 마찰 항력은 점성의 영향에 의해 발생한다. 기저 항력은 비행체의 전두부 (fore-body) 에 작용하는 힘과 후미의 기저부위에 작용하는 힘의 차이에 의해 생기는 항력을 일컫는데, 이러한 기저항력은 후미에서의 유동 박리 (flow separation) 와 재순환 영역 (recirculation region) 생성 등으로 인한 낮은 압력이 그 주된 원인이다. 이러한 기저 항력은 전 마하 수 영역 대에 걸쳐 전체 항력의 50% 이상을 차지할 만큼 상당한 비중을 차지한다. 그러므로 기저 항력 감소는 전체 항력을 줄이는 데에 있어 매우 중요하므로, 이에 대한 연구는 필수적이다. 기저 항력을 줄이는 기법 중에는 다음의 2가지가 존재한다. Boat-tailing 과 base-bleeding 이 그것들이다. Boat-tailing은 각진 비행체의 기저 부분을 보트의 꼬리와 같이 경사지게 잘라내는 기법인데, 이를 통해 낮은 압력을 가지는 기저 부분의 영역을 줄임과 동시에 초음속 영역에서 필연적으로 발생하는 팽창파로 인한 유동의 팽창을 약화시키는 역할을 한다. Base-bleeding은 기저 부분에 비행체 내부로부터 가스를 분사시켜, 질량 입자를 기저 부분에 더욱 채우고, 기저 영역의 유동장을 변화시키면서 기저 압력을 높여 항력을 감소시키는 기법이다. 본 연구에서는 CFD 상용 소프트웨어인 STAR-CCM을 이용하여, 155mm 직경의 비행체에 대한 전산해석을 수행하였다. 연구의 목표로는 위에서 언급된 boat-tailing 과 base-bleeding 각각의 기법의 실효성을 우선 파악하고, 두 가지 기법을 동시에 적용하였을 때의 그 효과의 유무와 항력 감소 추이를 고찰하는 것이다. 또한, 분출 가스의 온도에 따라 고온의 경우에는 어떠한 항력 추이가 얻어지는 지에 대해서도 연구되었다. 해석 결과, 마하 2와 3, 꼬리 각 (tail angle) 0도, 5도, 10도 그리고 분출 가스 온도 300K, 3000K에 대한 각 조건의 변화 속에, 항력 감소 효과는 확인되었다. 전체 항력 계수를 통해 이를 비교 하였으며, 기저 압력 분포를 통해 결과가 고찰되었다. Boat-tailing 과 base-bleeding을 적절히 적용하였을 때, 최저 항력계수를 나타내는 구간을 찾을 수 있었다. 또한, 3000K의 가스를 사용하였을 때, 상온 (300K) 의 가스를 분출 하였을 경우 보다 더욱 낮은 항력계수를 얻을 수 있었다. 따라서, boat-tailing 과 고온의 가스를 이용한 base-bleeding을 시행하였을 때, 항력 감소에 효과가 있음을 알 수 있었다.

Flight range enhancement of the projectile has been exhibited since 1960s in many countries around the world. Projectile with no additional thrust, like artillery weapons, has its limitation of initial kinetic energy, applied by the cannon or other power supplying instruments. Thus, aerodynamic drag of the flying projectile, after given the bulk velocity got to be important to improve. Total drag acting on the projectile can be categorized by the following 3 drags, pressure drag (form drag), skin-friction drag and base drag. Among these drags, research about pressure drag and skin-friction drag has already been advanced enough, compared with the one of base drag. Base drag is defined as a pressure force difference between fore-body and the after-body. It is formed by the relatively low pressure on the base surface, by the flow separation. Base drag occupies over 50% of the total acting drag, regardless of the flying Mach region.

Hence, base drag reduction is crucial to lower the total drag, which enable the flight range enhancement. On this research, mainly two technique to reduce the base drag were studied, boat-tailing and base-bleeding. The former is to make the projectile base shaped like a boats tail, tapering the base corner. The latter is to bleed the gas saved inside the projectile, at the base area to add the mass particle to occupy the base area, and change the flow field at that region. By using STAR CCM as a CFD software, numerical analysis was conducted under supersonic flight condition with 155mm diameter of projectile. The goal for the research was to confirm the each techniques effect, and to study about the hybrid case, base-bleeding with the boat-tailed shape model. As a result, boat-tailing and base bleeding technique were confirmed under condition of Mach 2 and 3, tail-angle of 0°,5°,10° , bleed gas temperature of 300,3000K . It was confirmed by calculating the total drag coefficient, and base pressure calculated. The minimum drag coefficient was acquired by using proper tail-angle, and mass flow rate. And the case of using 3000K gas presented lower drag coefficient, which strengthened the base bleed effect. Therefore, it was able to conclude that using the hybrid technique with hot gas would be an powerful way to enhance the flight range of projectile.