Numerical investigation of infrared radiation modeling based on a line-by-line method

Abstract

최근 북한의 로켓 및 미사일 발사로 인해 미사일 탐지 및 요격 체계에 대한 궁금증이 높아져 가고 있다. 로켓이나 미사일의 노즐에서 배출되는 배기 가스는 다양한 파장영역에 걸쳐 복사가 일어나게 되나, 특히 적외선 영역에서의 복사가 많이 일어나게 된다. 본 연구에서는 적외선 영역에서 많은 복사 방출량을 보이는 NO와 OH, CO, H$_2$O, CO$_2$에 대한 적외선 복사 모델링을 고안하였다.

이를 위해 line-by-line 방법을 사용하는 기존의 복사 예측 코드인 SPRADIAN07에 적외선 복사 계산 모듈이 추가되었다. 새롭게 추가된 모듈은 NO와 OH 분자에 대한 적외선 천이를 다룰 수 있으며, 이를 위해 각 분자들의 에너지 준위는 각 분자의 특성을 나타내는 해밀토니안(Hamiltonian) 행렬을 사용하여 계산하였으며, 분자의 에너지 세기는 아인슈타인(Einstein) 상수를 복사 데이터베이스에서 가져오거나 문헌 조사를 통해 획득하였다.

H$_2$O와 CO$_2$, CO의 경우, 최근에 발표된 고해상도 복사 데이터베이스인 HITEMP2010과 이산화탄소 특화 데이터베이스인 CDSD-4000의 데이터를 활용하여 적외선 복사를 예측하였다. 이를 위해 고해상도 복사 데이터베이스를 활용하는 line-by-line 방식의 포트란 코드가 개발되었으며, 빠르고 효율적인 계산을 위해 PC 클러스터를 기반으로 한 병렬화 기법이 적용되었다.

본 연구를 통해 개발된 적외선 복사 모듈이 추가된 SPRADIAN07과 복사 데이터베이스를 활용하는 코드를 기존의 실험 스펙트럼들과 비교하여 검증하였다. 예측 결과 전반적으로 개발된 코드의 예측값과 실험 스펙트럼들이 잘 일치하는 것을 확인하였다. 특히, 이산화탄소의 경우 고온으로 올라갈수록 CDSD-4000의 데이터를 기반으로 한 것이 정확도가 높음을 확인하였다. 또한 실제 화염이나 유동을 측정할 때 발생하는 대기 흡수 효과를 고려할 시, 더 높은 정확도를 보임을 확인하였다. 뿐만 아니라 계산된 LBL 결과를 바탕으로 SNB 모델과 NBK 모델의 변수를 새롭게 제안하였다. 새롭게 제안된 변수를 통해 적외선 복사를 예측한 결과, LBL 계산에 드는 시간보다 빠른 시간에 결과를 얻을 수 있으며, 높은 정확도를 보이는 것을 확인하였다.

결론적으로, 본 연구를 통해 개발된 SPRADIAN07의 적외선 모듈과 복사 데이터베이스를 활용하는 코드는 NO와 OH, CO, H$_2$O, CO$_2$ 총 5가지 분자에 대해 적외선 파장 영역에서의 정확한 모사를 가능하게 하였다.