Computational Study on Prediction of Aero-optic Aberrations at High-speed Vehicles = 초고속 비행체의 공기광학 수차 예측을 위한 수치해석 연구

국문 초록 (Abstract)

최신 항공우주 비행체들이 고성능 광학 탐지 시스템을 활용하여 임무를 수행하는 사례가 늘어나고 있다. 그런데 빛을 탐지하는 과정에서 불균질한 유동장을 통과하면서 왜곡을 겪게 되며, 이러한 공기광학 왜곡은 탐지 시스템의 정확도 감소, 시간에 따른 조준오차 발생, 광원 에너지 손실 등을 유발할 수 있다. 그러나 현재까지는 복잡한 실제 비행체 형상과 동체의 제어 환경을 모두 고려한, 현실적인 초고속 비행체 운용 상황 하에서의 공기광학 연구는 제대로 보고되지 않았다.
본 학위논문은 측방향 다중 제트를 제어 시스템으로 사용하는 초고속 비행체의 공기광학 수차를 전산해석을 통해 예측하는 것을 목표로 한다. 유동해석은 강건하고 정확한 자체개발 유동해석 프로그램인 ACTFlow를 사용하며, 본 논문에서 자체개발한 공기광학 프로그램을 이용하여 수치 유동장으로부터 광학경로차를 산출한다.
공기광학 프로그램의 검증을 위해 spherically symmetric lens 문제에 대한 해석적 계산과 2차원 wedge 형상에서의 초음속 유동에 대한 실험-계산 교차검증을 수행하였다. 이를 통해 공기광학 프로그램이 2차 공간정확도를 유지하면서 부드러운 굴절률 분포를 가진 광학장에서 수렴하는 OPD를 계산할 수 있음을 확인하였다. 또한 실험과의 교차 검증을 통해 정상 유동 특성과 연관된 공기광학 특성은 정확하게 포착할 수 있음을 확인하였다. 다만 경계층 유동이나 Mach wave와 같은 추가적인 모델링을 더했음에도 실험 환경에서 나타났던 자유류의 비정상 밀도 교란까지는 재현할 수 없었다.
초고속 비행체 주위 유동의 기본적인 물리 현상을 이해하고 다양한 파라미터에 의한 효과를 빠르게 확인하기 위해, 고도 30-50km, 받음각 -15 ~ 25도, 4개의 제트 분사 조건을 가정하여 RANS 해석을 수행하였다. 공기광학 효과는 계산된 광학경로차를 scale analysis로부터 크기를 정규화하여 분석하였으며, 광선의 경로에 따른 변화 양상 또한 분석하였다.
제트에 의한 유동 구조가 선두부의 시야를 가리지 않는다면, 정규화된 OPD는 선두부 충격파와 3차원 팽창 영역에 의해 지배적으로 나타나는 것을 확인하였으며, 모든 고도 조건에서 유사한 profile을 가지고 있음을 확인하였다. 단일 제트를 가동했을 경우, 고도 35km 이상, 받음각 15도 이상에서 제트에 의해 유도된 박리와류와 박리충격파가 탐색기의 시야를 방해할 수 있음을 확인하였다. 35km에서 수행된 다중 제트 분사 해석 결과, 단일 제트의 세기가 클 수록 박리와류가 더 많은 시야 영역을 가림으로써 정규화된 OPD의 증가를 발생시키는 것을 확인하였다. 가장 큰 광학수차를 보인 조건에서 DDES 난류모델을 이용한 비정상 유동 해석 결과, 정규화된 OPD의 시간평균이 정상 유동에서 해석한 결과보다 20% 크게 측정되었다.
본 연구는 3차원 비행체의 제어환경 하에서 공기광학 특성을 분석한 첫 사례이다. 광선의 입사 궤적을 따라 정규화된 OPD를 분석함으로써 광학경로차와 유동 구조 간의 연계성을 확인할 수 있었으며, 특히 고고도 고받음각에서 나타난 제트 유도박리에 의한 공기광학 효과는 처음 보고되는 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Modern airborne and spaceborne platforms increasingly rely on high-performance optical systems for missions, but the light beam is distorted during the propagation through surrounding flow fields. This aero-optic aberration can cause a loss of spatial resolution, time-varying boresight error, and energy loss. Up to now, however, no research has been reported on practical operation of interceptors at high altitudes, especially with practical geometry and situation where the vehicle is under control.
This dissertation aims a computational investigation of aero-optic aberrations that arise when multiple lateral jets are used to control a supersonic interceptor. Flow simulations are conducted using robust and accurate in-house flow solver ACTFlow, and optical path difference (OPD) is calculated from the numerical density field via in-house codes developed in this thesis.
Validation and verification of the aero-optic in-house solver are conducted for spherically symmetric lens and supersonic flow over a two-dimensional wedge. Developed OPD calculation framework maintains second-order spatial accuracy and can obtain convergent solutions for smooth refractive index fields. Cross-validation with experiments confirms that steady flow features are accurately resolved, while highly unsteady inflow fluctuations could not be accounted even though additional modelings of boundary layers and Mach waves are combined.
Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations are employed to examine the basic flow structure and to fast screen the effects of various parameters including altitudes ranging from 30 to 50km, angles of attack from -15° to 25°, and with four distinct jet configurations. Aero-optic effects of flow structure are analyzed by calculating the optical path difference (OPD) as a function of beam arclength parameter and by normalizing it through scale analysis.
When the jet flow does not interfere the seeker's field of view (FOV), normalized OPD is predominantly governed by the bow shock and conical expansion region generated in front of the vehicle head and exhibits similar profiles along the beam path for all altitudes. When the jet flow is introduced, separation shock and bubble induced by jet interaction interferes the seeker's FOV under altitudes over 35km and AOA over 15°. Multi-jet cases at 35km show that the separation bubble blocks a larger portion of the seeker's FOV and increases normalized OPD at higher AOA as per-jet strength increases. Through delayed detached eddy simulations at the extreme case, the effect of unsteadiness is measured about 20% larger normalized OPD than the steady-state counterpart.
This study is the first to address aero-optic behavior of a three-dimensional high-speed interceptor under control. In-depth relationships between OPD and flow structures are confirmed by examining the evolution of normalized OPD. Notably, the aero-optic effects caused by the jet-induced separation bubble and shock observed at high angles of attack are reported for the first time.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Aero-optic Phenomena 1
• 1.2. Previous Studies on Aero-optics over Standard Configurations 4
• 1.3. Previous Studies on Aero-optics over Interceptor-like Shape 5
• 1.4. Research Objective 8
• Chapter 2. Numerical Methodology 9
• 2.1. Aerodynamic Simulations 9
• 2.1.1. Governing Equations 9
• 2.1.2. Turbulence Modeling 11
• 2.1.3. Numerical Discretization 14
• 2.2. Aero-optic Simulations 22
• 2.3. Dimensional Analysis and Scaling of OPD 24
• Chapter 3. Validation & Verification of Aero-optic Solver 29
• 3.1. Verification: Spherically symmetric lens 29
• 3.2. Validation: Supersonic flow over a two-dimensional wedge 31
• Chapter 4. Numerical Results 41
• 4.1. Computational Settings 41
• 4.1.1. Geometry 41
• 4.1.2. Flow Conditions 43
• 4.1.3. Computational Domain and Grid Generation 45
• 4.1.4. Aero-optic Domain 48
• 4.2. Effect of Head Shape 49
• 4.3. Effect of Single Jet 64
• 4.4. Effect of Multiple Jets 74
• 4.5. Effect of Unsteadiness 84
• Chapter 5. Conclusion 90
• 5.1. Summary 90
• 5.2. Future Works 92
• Bibliography 93
• Abstract (In Korean) 101