고도별 로켓 플룸 유동 해석

Abstract

고도가 증가할수록 로켓이 비행하는 대기의 밀도는 감소하고 온도 역시 변화한다. 이것은 로켓의 배기플룸 형상 및 구조의 변화를 일으키게 되고, 따라서 배기플룸과 로켓 저부면 사이의 열전달을 해석하기 위해서는 배기플룸의 유동에 대한 계산이 선행되어야 한다. 비교적 낮은 고도에서는 대기와 플룸의 유동은 분명하게 누센 수(Kn)이 작은 연속체 유동 영역에 속하고, 유동 계산을 위해 일반적인 Navier-Stokes 방정식을 사용할 수 있다. 그렇지만 고도가 높아지게 되면, 대기와 로켓 배기플룸의 팽창 영역에서의 밀도가 점점 낮아져 유동의 연속체 가정이 깨어지는데 이르게 되며, 연속체 가정을 기반으로 성립하는 Navier-Stokes 방정식은 더 이상 유효하지 않게 된다. 본 연구에서는 저고도에서는 Navier-Stokes 방법을, 고고도에서는 직접모사법(DSMC)을 사용하여 로켓 배기플룸의 유동과 대류 열전달을 계산하였다. 직접모사법은 기체분자의 움직임을 직접적으로 모사하는 기법이다. 한편, 고온의 플룸과 로켓 저부면 사이의 복사 열전달은 유한체적복사해법(FVM)을 사용하여 해석하였다. 고도가 증가하면 배기플룸의 크기가 급격하게 증가하고, 플룸과 저부면 사이의 대류 열전달은 감소하게 되는데 이는 대류 열전달의 매개체인 대기의 밀도 감소가 그 원인이다. 또한 플룸은 더 높은 고도에서 더 많이 팽창하고 이는 복사 열원인 플룸의 온도와 밀도를 감소시키기 때문에 복사 열전달도 감소하게 된다. 그리고 고도가 높아질수록 열전달에 있어서 복사의 기여도가 더 증가하게 된다. 한편, 고도 30 km에서의 대기는 연속체 유동 영역에 속하지만 배기 플룸 내부에 급격한 팽창으로 인한 국지적인 천이영역이 발생하게 된다. 이 지점에서는 기체 유동의 연속체 가정이 깨어지기 때문에 이보다 높은 고도에서는 일반적인 Navier-Stokes 방정식을 사용하는 것이 부적합하다고 판단된다. 고도 50 km 이상에서는 대부분의 플룸 영역이 천이영역을 보인다.