Comparison of the aero-optical effects due to shock wave and boundary layer in high-speed flow

Abstract

An antiballistic missile seeker is essential for a successful interception. However, aero-optical effects due to the flow field around the seeker window degrade the image captured using the seeker, making it difficult to identify the target. Thus, studying aero-optical phenomena and calibrating the images are necessary to improve the performance of seekers. Flight speed of antiballistic missiles are usually supersonic or hypersonic, where shock waves and boundary layers are inevitable and always exist. Therefore it is important to understand the aero-optical effects due to these flow features. In this dissertation, aero-optical phenomena due to the shock wave and boundary layer in supersonic and hypersonic flow are compared using numerical and experimental methods. In addition, a new experimental method based on background-oriented schlieren (BOS) is suggested and well validated using a Shack-Hartmann wavefront sensor in a subsonic heated jet. Because the BOS-based method could simultaneously visualize the flow and acquire optical characteristics, it is expected that flow properties could be more closely related to aero-optical effects. For supersonic flow, the flow field around the compression ramp is studied, and for hypersonic flow, the flow field around the wedge and cone model is investigated. To study the individual contribution of the shock wave and boundary layer to the wavefront distortion, numerical simulation is conducted. Flow is simulated by solving the two-dimensional Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, and the ray-tracing method has been adopted to calculate the propagation of the optical wave. The deflection angle of the ray at the center of the laser beam is analyzed to assess the aero-optical effects caused by the shock wave and boundary layer. In the current wavefront measurement configuration, aero-optical effects due to two boundary layers cancel out and only shock wave effect remains. To compare aero-optical effects due to only one boundary layer and the shock wave, numerical simulations are conducted with a slip condition on the one side of the wall. From these numerical simulations, the aero-optical effects due to shock wave and boundary layer are comparable, Therefore the aero-optical effects due to the shock wave and the boundary layer are both important for the flow field around the window of the seekers.

탄도탄 요격유도탄이 성공적으로 요격하기 위해서는 탐색기의 성능이 중요하다. 그런데, 비행 중에는 탐색기창 주위에 유동에 의한 공기광학 효과로 인하여 탐색의 광학 센서로 촬영하는 이미지가 왜곡되어 목표를 분간하기 어려워진다. 따라서 탐색기의 성공적인 작동을 위해서는 공기광학 현상을 연구하여 광학센서로 획득한 이미지를 보정하는 과정이 필수적이다. 또한, 일반적으로 탄도탄 요격유도탄이 초음속 또는 극초음속으로 비행하기 때문에 이러한 고속 유동에 의해 발생하는 공기광학 효과를 분석해야 한다. 특히 초음속과 극초음속에서는 충격파 및 경계층이 반드시 발생하고 피할 수 없기 때문에, 충격파 및 경계층에 의한 공기광학 효과는 반드시 연구해야 한다. 본 연구에서는 초음속 및 극초음속 유동에서 충격파 및 경계층이 각각 공기광학 효과에 어떠한 영향을 미치는가를 실험 및 수치해석을 통해 분석한다. 또한, 배경 지형 슐리렌(BOS)을 기반으로 한 새로운 실험 기법을 제안하고, 이 계측 기법을 다른 파면 계측기를 이용하여 검증하고자 한다. 이에 따라 아음속 고온 제트에서 샥-하트만 파면 계측기 결과와 BOS 기반 실험 기반 계측 결과가 대체로 일치하는 것을 검증하였다. BOS 기반 계측 기법은 유동 성질과 광학 특성을 동시에 획득할 수 있기 때문에, 유동과 공기광학 사이의 관계를 면밀히 파악할 수 있을 것으로 예상된다. 초음속 유동에 대해서는 압축 비탈길 주위의 유동에 의한 공기광학 효과를 연구하였으며 극초음속 유동에 대해서는 쐐기와 원뿔형 모델 주위의 유동에 의한 공기광학 효과를 파악하였다. 충격파 및 경계층 각자에 의한 공기광학 효과를 비교하기 위하여 수치해석도 수행하였다. 유동장은 Reynolds-averaged Navier-Stokes 식을 이차원 가정을 하여 수치적으로 해석하였으며 광선 추적 기법을 이용하여 광학파의 거동을 계산하였다. 전산해석 결과는 실험 결과를 이용하여 검증하였다. 레이저 빔의 중심에 위치한 광선을 따라서 굴절각을 추출하여 충격파 및 경계층 각각에 의한 빔의 굴절각을 비교하였다. 현재의 파면 계측 기법에서는 항상 두 개의 경계층을 지나며, 이 두 개의 경계층이 각각 반대 방향의 밀도 변화율을 가지고 있기 때문에 두 경계층에 의한 공기광학 효과가 서로 상쇄되는 현상을 발견하였다. 따라서 현재의 파면 계측 기법과 같이 두 개의 경계층을 지나는 경우에는 경계층의 효과가 미미하게 나타나고, 충격파의 효과가 상대적으로 크게 나타날 수 있다. 그러나 만약 충격파와 경계층이 하나씩만 존재한다면 각각에 의한 공기광학 효과를 무시할 수 없는 수준이기 때문에 둘 다 많은 영향을 미친다.