극초음속 저밀도 유동에서 구 항력 측정의 실험적 연구

Abstract

초저고도 인공위성의 운영, 자세 제어 및 재진입 시 물체에 작용하는 항력은 가장 주요한 변수이다. 따라서 지난 수십 년간 극초음속 영역에서 고도에 따른 항력 측정 연구가 진행되어 왔다. 특히 구 형상 항력계수 측정은 연속체 유동부터 희박기체 영역에 대한 연구가 진행되고 있다. 극초음속 영역에서 구 형상은 연속체 유동에서 0.92부터 자유 분자 유동에서의 2.0까지의 값을 가지고 있다. 본 연구는 마하수 8 노즐을 가지고 충격파 터널을 이용하여 50 km ~ 90 km 고도에 따른 구 항력 측정을 진행하였다. 유동 진단을 위해 레일리 초음속 피톳식의 레이크 진단과 슐리렌 이미지를 이용한 충격파 이탈 거리를 사용하였다. 각 고도에 따른 상사성은 크누센 수를 이용하였다. 연속체 유동과 미끄럼 흐름 사이 유동에서 크누센 수를 증가하기 위해 레이놀즈 수의 감소를 이용하였고, 이는 유동 조건의 변화와 구 직경 감소를 통해 진행했다. 항력 측정 기법은 가속도계를 사용하여 항력 측정을 진행하였다. 리니어 볼부쉬를 이용하여 가속도계가 축 방향으로 이동이 자유롭게 설치하였다. 가속도계는 선형 응답 함수를 통해 가속도를 힘으로 변환을 사용하였다. 동적 보정을 통해 구한 선형 시불변 함수를 선형 역합성곱을 이용해 힘을 측정하였다. 그 결과 크누센 수 증가에 따라 항력계수가 증가함을 확인할 수 있다. 측정한 실험 결과는 전산유체 역학과 이론값과 비교 분석을 진행하여 오차 범위 내에 있는 것을 확인하였다.