Weakly Coupled Vibro-Acoustic Analysis of Launch Vehicle / Satellite FE Model under Plume Sources

Abstract

로켓은 그 발사 과정에 걸쳐서 급격한 환경 변화를 겪기 때문에, 외부 영향에 의한 응답을 예측해 설계에 반영하는 과정이 매우 중요하다. 외부 영향의 원인 중 매우 중요한 요소의 하나가 음향 하중으로, 발사 시 배기가스 유동에 의한 음향 하중의 경우 발사체에 매우 강한 하중을 가한다. 이는 발사체를 진동시켜 페어링 내부와 인공위성과 같은 탑재물에까지 영향을 미칠 수 있다. 인공위성의 패널 및 플랫폼에 위치한 전자장비나 센서의 경우 이와 같은 하중조건에 민감하게 반응하므로, 음향하중에 의한 영향의 예측 및 이를 고려한 발사체의 설계가 필요하다. 본 논문에서 다룬 연구내용은 음향-구조진동 해석 모듈의 개발과 한국형 발사체(KSLV)에 대한 음압 및 구조 진동의 예측이다. 구성은 크게 해석 모듈의 개발과 이를 통한 발사체 및 인공위성에서의 해석 수행으로 나눌 수 있다. 해석 모듈은 음향 해석과 구조 진동 해석, 그리고 음향-구조진동 연성해석(weakly coupled)을 위한 전달 모듈을 각각 개발하였다. 각 모듈은 유한요소해석을 기반으로 하고, 해석기로는 병렬 다중 프론탈 해법을 통한 직접 해법과 블락 란초스 방법을 적용한 간접 해법을 이용했다. 이와 같은 해석기의 이용은 병렬화를 통해 해석시간을 줄임과 동시에 메모리를 절감하여 더 조밀한 주파수 영역에서의 분석을 수행하기 위함이다. 각 해석 모듈은 상용 프로그램과의 비교를 통해, 그 정확성을 검증하였다. 해석기와 더불어 MFC 기반의 전후처리과정을 포함한 가시화 프레임워크를 구성하여, 사용자 친화적인 유저 인터페이스를 구현하였다. 일련의 기능들은 서울대학교 항공우주구조연구실의 병렬 유한요소 해석 프로그램인 DIAMOND/IPSAP의 모듈로서 구현되었다. KSLV와 인공위성은 실제 형상에 가까운 상세 모델링이 적용된 유한요소모델을 이용하여 보다 신뢰성 높은 결과를 도출할 수 있었다. 해석 조건의 계산과 유한요소모델링을 위한 KSLV의 전장 및 각종 파라미터는 선행 연구의 기록을 참고하였으며, 음원의 크기 및 분포 등은 NASA SP 8072에서 제공하는 통계적 데이터를 이용했다. 본 연구 결과의 의의는 수치 해석을 통해 발사체의 배기가스 음원이 페어링 및 인공위성에 어떤 영향을 주는지 살펴보고, 각 부의 구조적인 취약점을 판단할 수 있는 근거를 제시했다는 점이다. 또, CAE를 적극 활용한 해석을 통해 발사체의 설계과정에서 발생할 수 있는 비용을 줄일 수 있는 가능성을 제시하고, 통계적인 데이터 기반의 외부조건을 이용할 수 있는 환경을 구축할 수 있었다. 다른 한편으로, 고유의 음향 및 구조 진동 해석 모듈의 개발을 통해, 병렬 다중 프론탈 해법을 이용한 음향-구조 진동 연성해석 모듈을 개발하기 위한 토대를 제공했다. DIAMOND/IPSAP 기반의 전후처리 가시화 프레임 워크는 유한요소모델 설계에서부터 해석까지 수행할 수 있는 기능을 제공함으로써 사용자에게 편의를 제공했을 뿐 아니라, 최적화 모듈과 같은 DIAMOND/IPSAP의 고유 기능을 음향-구조진동해석에 적용할 수 있는 환경을 조성할 수 있었다.

It is important to predict the external influences and apply it to design because space launch vehicle undergoes extreme environmental changes during flight period. Most important factor is the acoustic load among the external influences, especially, space launch vehicle is strongly affected by acoustic plume sources in the liftoff stage. This acoustic plume vibrates the launch vehicle and generates the acoustic propagation in the fairing structure. Because satellite panels and electronic devices on the platform are responded sensitively from oscillatory loading condition, it is essential to predict the acoustic distribution in the fairing and satellite responses. In this study, acoustic mode/response analysis and forced vibration analysis solvers were developed and they were applied to virtual Korea Space Launch Vehicle (KSLV) model with plume sources based on acoustic loading function. Weakly coupled analysis module was also realized as boundary condition function. It was chosen the finite element method analysis for all solvers, parallel multi-frontal method and block Lanzcos algorithm were applied to them. Both direct and modal superposition method were used for solving the response analysis. Each solver was validated by comparing with analytic solution and commercial software results. It was possible to reduce the elapse time and memory consumption by using parallelized solver, therefore dense band width was used for performing each analysis work. MFC based pre/post processor were developed as well, they make it possible to provide the user friendly interface. These functions were realized in DIAMOND/IPSAP which is being developed by Aerospace Structures Laboratory in Seoul National University. KSLV and satellite models were designed in detail to improve the reliability of analysis result. Environmental condition and parameters of rocket were referred from record of previous studies, especially, acoustic loading function was used for calculating the acoustic sources, and it was suggested by NASA SP 8072. The significance of this research was that it was possible to predict the acoustic response of the launch vehicle structures from plume sources and adjust these result to optimize the mass of satellite by the virtual simulation. Using the computer aided engineering including the parallel processing and in-house pre/post tools, expense and time consumption for testing the KSLV was able to be decreased effectively. In addition, development of acoustic source generator based on empirical data made it possible to change the environmental condition easily. On the other hand, development of the acoustic/forced vibration analysis module provided the computational environment to develop the fully coupled vibro-acoustic solver by using parallelized multi-frontal method. Moreover, developed solvers can be used with the other module such as optimization which is embeded in DIAMOND from future research.