고속 비행 중 FE-SEA 해석 기법을 활용한 발사체 페어링 내부 음향하중 예측과 최적화 알고리즘을 이용한 음향하중 저감에 관한 연구

Abstract

발사체는 고속 비행 중 발사체 주변 유동으로부터 기인하는 높은 음향하중에 노출되 며, 특히 천음속 구간에서 그 영향이 두드러진다. 이러한 음향하중은 탑재된 위성체 및 전자 탑재물을 가진하여 오작동을 일으키는 중요한 진동원 이므로 이를 예측하고 저감 하는 설계가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 헤머헤드 발사체 외부 공기역학적 유동에 의한 페어링 내부 음향하중을 예측하고, 페어링 외피로 인한 차음, 저주파수 영역 흡음 을 위한 헬름홀츠 공명기, 고주파수 영역의 흡음을 위한 음향 블랭킷을 이용하여 페어 링 내부의 음향하중을 예측하고 저감하는 프로세스를 개발하였다. 본 연구에서 발사체 외부에 작용하는 음향하중은 마하수 0.81의 천음속 비행 조건의 RANS 유동해석 결과에서 준 경험식에 필요한 입력 변수들을 도출하여 예측하는 하이 브리드 방식을 사용하여 계산하였으며, 여러가지 경험식 종류에서 실험값과 비교하여 Robertson의 압력섭동 파워 스펙트럼 식을 사용하였다. 페어링 내부 음향하중 예측을 위해 구조모드 해석은 ANSYS APDL로 진행하였으며, 음향모드 해석은 VA ONE을 이용하여 진행하였다. 주파수 대역별로 저주파수 대역 (~200Hz)은 유한요소 방법, 중주파수 대역(200~500Hz)은 FE-SEA 하이브리드 방법, 고주파수 대역(500Hz~)은 SEA방법을 이용하여 해석하였다. 페어링 내부 음향하중 저감을 위해 페어링 외피 종류에 따른 저감량을 통해 페어링 외 피를 선택하고, 비선형 특성을 고려한 헬름홀츠 공명기의 설계 변수들을 PSO(Particle Swarm Optimization) 최적화 방법을 사용하여 모델링 하였고, 다양한 음향 블랭킷 형 상 모델을 적용하여 음향하중 저감의 효과를 확인하고 설계/해석 프로세스의 유용성을 확인하였다. 본 연구로 고속 비행 중 발사체 페어링 내부의 음향하중을 예측할 수 있는 기법을 정립 함으로써, 발사체 설계 단계에서 유용하게 쓰일 것으로 예상된다.

The projectile is exposed to high acoustic loads resulting from the flow around the projectile during high-speed flight, and its effects are particularly noticeable in the transonic region. These acoustic loads are an important source of vibration that causes malfunctions with mounted satellites and electronic mounts, so a design that predicts and reduces them is needed. Thus, in this study, the process of predicting and reducing the acoustic load inside the fairing was developed by predicting the internal acoustic load of the fairings caused by the external aerodynamic flow of the hammerhead launch vehicle, considering sound reduction due to faring skin, using Helmholtz resonator for low frequency band, and acoustic blanket for high frequency band. In this study, acoustic load acting on faring skin was calculated at the Mach number 0.81. We use hybrid method that extract input variables used in empirical formula from flow results of RANS analysis and select Robersons power spectrum model after comparing the values of empirical equation and experiment. The structural mode analysis was conducted with ANSYS APDL for predicting acoustic load inside fairing, and the acoustic mode analysis was conducted using VA ONE. For each frequency band, the low frequency band (~200 Hz) was interpreted using the Finite Element Method, the medium frequency band (200–500 Hz) using the FE-SEA hybrid method and the high frequency band (500 Hz~) using the SEA method. The design variables of the Helmholtz resonator considering nonlinear characteristics were modeled using PSO (Particle Swarm Optimization) optimization method, and various acoustic blanket shape models were applied to check the effectiveness of acoustic load reduction and check the usefulness of the design/interpretation process. By establishing a total process to predict the acoustic load inside the launch vehicle faring during high speed flight, this study is expected to be useful in a initial design trade-off phase and detail design phase of launch vehicle