FP-DSMC 하이브리드 방법을 활용한 재사용 발사체의 유동 해석 = Hybrid FP-DSMC Based Flow Analysis of Reusable Launch Vehicle

국문 초록 (Abstract)

우주 산업이 빠르게 발전함에 따라 가격경쟁력을 가진 발사체에 대한 수요가 증가하고 있다. 발사 단가를 낮추는 방안 중 하나로 재사용 발사체가 주목받고 있다. SpaceX사는 재사용 발사체인 Falcon 9 발사체1단의 회수에 성공하여 상용화 단계에 접어들었다. Falcon 9 발사체는 주 엔진 차단 이후 발사체 1단과 2 단이 분리되며, 착륙지점 유도 기동과 재진입 점화 기동을 통해 회수 기동을 수행한다. 발사체에 발생하는열 하중 분석은 열 차단계(TPS) 설계에 있어서 중요한 요소이다. 고고도에서 착륙지점 유도 기동 중인 발사체는 초음속의 속도로 상승하며, 발사체 상단에 충격파가 발생하고 엔진 점화로 인한 고팽창 플룸이 형성된다. 재진입 점화 기동 중인 발사체는 감속을 위한 엔진 점화로 플룸이 방출되며, 충격파가 발생한다.
재진입 점화 기동 중인 발사체 주변에 발생한 충격파와 플룸의 상호작용 과정에는 전단층이 발생하며, 고온 플룸의 일부는 발사체 표면으로 되돌아온다. 이때 발생한 고온의 기체는 발사체 표면에 국소적인 열하중을 집중시킬 수 있다. 본 연구에서는 고고도 영역에서 회수 기동 중인 재사용 발사체 주변의 유동 분석을 위한 기초 연구로써 자유류와 발사체 연료를 아르곤(Ar)으로 가정하였다. 해석 방법으로는 비평형 유동의 전산모사 방법인 DSMC와 효율 증대를 기대할 수 있는 FP-DSMC 하이브리드 기법을 사용하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the space industry, reusable launch vehicles have gained significant attention as a way to reduce launch costs. SpaceX succeeded in recovering the first stage of Falcon 9 and entered it into commercial use. The Falcon 9 first stage undergoes a series of maneuvers, including boost-back burn and entry burn, after the main engine cut off (MECO) and separation from the second stage. Analysis of the thermal loads on the rocket is a crucial factor in thermal protection system (TPS) design. During the boost-back burn at high altitude, a highly under-expanded plume is formed. Due to the rocket’s ascent speed, shockwave is generated within the hypersonic flow. During the re-entry burn, the interaction between shockwave and jet plume leads to the formation of a shockwave. Re-circulation region formed during the plume-shock interaction causes the plume to return near the rocket. The plume returning near the rocket could concentrate thermal loads on the rocket’s surface. In this study, preliminary study for analyzing the flow on the reusable launch vehicle undergoing re-ignition at the high-altitude. For the analysis, both the freestream and the propellant had been assumed to be Argon. The Direct Simulation Monte Carlo (DSMC) method has been utilized to simulate nonequilibrium flow, and the hybrid FP-DSMC method has been employed to improve efficiency.