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2013-11-26

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2013년 11월 15일

주 광 혁

항공우주 CAE활용사례 및 전망항공우주 CAE활용사례 및 전망

주 광 혁

목 차

항공우주시스템의 이해I

항공우주분야 CAE 활용현황II

2

항공우주분야 CAE 전망III

우주시스템 개요

심우주 통신망

지상국

추적소

사용자

대학, 기관 정부

명령전송 원격데이터 및과학데이터 수신

달 탐사선및 로버

직접통신

3

추적소

발사장

달 궤도선시험용

달 궤도선

충돌선

충돌선

로버착륙선

한국형발사체

3

인공위성의 구성

개요

추진계

전력계

열제어계

본체 제작/조립

전장품 열설계열해석 기술

단일추진제 추력기(200N) 개발기술압력조절 공급시스템 기술추진시스템 궤적 운용기술

비행모델 총 조립기술정밀조립 및 측정 기술

시스템 엔지니어링/임무설계 영상기반 시뮬레이터

형상 및 임무설계시스템 검증/신뢰도분석일정관리 및 형상관리EMI/EMC

시스템 시뮬레이션 기술관측영상처리기술가상 영상 생성 기술

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구조계

항법유도제어계

전력계

원격측정명령계

기능 및 환경시험주/부구조 경향화 설계비행모델 설계태양전지판 전개장치 설계

에너지 밸런스 분석기술전력 조절 및 분배기술

ETB 시험 기술전기/기계지상지원장비 개발비행모델 기능 및 환경시험발사장 업무

추진시스템 궤적 운용기술

항법유도제어시스템 설계자세제어 및 자세결정항법 및 유도 기술

RF탑재컴퓨터FSW

항공우주시스템 설계 및 검증 과정

5


6

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우주시스템 설계의 일반적 절차

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우주시스템 설계의 일반적 절차

Mission RequirementsOrbital Altitude

Inclination

Mission Payload Requirements

Interface andConstraints

Spacecraft/ Subsystem

Design & Trade

Mission Payload Requirements

Physical Interface

Launch VehicleOperation

E i t

Subsystem Requirements and

C t

Select Test &Analysis Criteri

Sizing

8

Environment Components

Iterate

DesignDetail

• Volume, Size, Weight• Stow and Deploy• Orientation and FOV• Power• Pointing and Stability• Environmental• Mechanical• Structural• Duty Cycle• CMD, Data Handling• Reliability

• Volume, Size, Weight• Stow and Deploy• Orientation and FOV• Power• Pointing and Stability• Environmental• Mechanical• Structural• Duty Cycle• CMD, Data Handling• Reliability

• Launch Vehicle- Booster- Transfer Stage- Envelope- Performance

• Operation- Launch Facility- Tracking Facility

• Environment- Orbit- Ground- Ascent

• Launch Vehicle- Booster- Transfer Stage- Envelope- Performance

• Operation- Launch Facility- Tracking Facility

• Environment- Orbit- Ground- Ascent

• Payload Data Handling• C3/ Data Handling• Attitude Control• Electrical Power• Electronics• Propulsion• Thermal Control• Structures & Mechanism

• Payload Data Handling• C3/ Data Handling• Attitude Control• Electrical Power• Electronics• Propulsion• Thermal Control• Structures & Mechanism

Test/Verificati

• Volume, Size, Weight• Power• Environmental• Analysis• Producibility• Cost

• Volume, Size, Weight• Power• Environmental• Analysis• Producibility• Cost

Meet Requireme


User Requirements & Concept of Operations

System Requirements & System Integration

& Test

System Demonstration &

Validation Systems Engineering

Domain

9

qArchitecture

Component Design

Procure, Fabricate, & Assemble Parts

Component Integration & Test

& Test

Component Engineering

Domain

항공우주분야 CAE 활용현황-발사체

Software 설 명 개발이력 유사 S/W 개발사례

CEA (NASA) 화학평형 계산, 로켓 연소기 이론 성능 공개 S/W STANJAN, GasEq, etc

KPP2D 재생냉각 연소기 연소/냉각 통합해석 자체개발 ROCFLAM (EADS-ST)

Cooling 재생냉각 유로 설계(열전달 해석) 해외도입 RTE (USA)

HydroRECHAN 재생냉각채널 설계(수력해석) 자체개발 Hydraulic analysis (Yuzhnoye)

KAA3D 3차원 FEM 선형음향해석 자체개발 상용 S/W (ANSYS, COMSOL)

차원 선형 연 불안정 예측 자체개발

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ASCI3D 3차원 FEM 선형 연소불안정 예측 자체개발 AVSP (CERFACS)

HFCI2D L-T/L-R 모드 비선형 연소불안정 해석 자체개발 PHEDRE (ONERA)

KCC-Design 액체로켓엔진 연소기 성능 예측 자체개발 SCORES (Georgia-Tech)

GG-PRO 케로신 연료 과잉 연소 물성치 예측 자체개발 SEQ (DLR)

FLM-LRC 상세화학반응을 고려한 국소 화염구조 해석 자체개발 FlameMaster (Stanford)

CHEM-RF Chemkin-Compatible Real-Fluid Package 자체개발 TransChem (CNRS)

CAPA-UNS 비정렬격자 기반 RANS/LES 해석공동개발(경북대)

AVBP (CERFACS)

FLUENT/CFD-ACE 범용 다차원 열유동 해석 상용 S/W -

연소기 산화제 매니폴드 유동해석 연소기 양방향 재생냉각배플 분사기 냉각기구 열유동 해석


분기 유로해석

가스발생기 산화제/연료 매니폴드 유동해석 연료 공급 배관 및 연료링 유동해석 가스발생기-터빈 노즐 온도 균일성 해석


한국형발사체 2단 전방동체에 대한 기본 설계 및 유한요소 해석

HyperSizer를 통한 사이징 및 기본 설계 (중량 추정)

유한 요소 해석 (설계 결과 검증)

발사체 동체 기본 사이징 및 유한요소 해석

구조구조 개념별개념별 기본기본 사이징사이징 결과결과((HyperSizerHyperSizer))

22단단 전방동체전방동체(2/3(2/3단단 연결부연결부))

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기본기본 설계설계 결과결과((중량중량 추정추정))

설계설계 결과결과 검증검증 및및 추가추가 최적화최적화 설계설계

22단단 전방동체전방동체(2/3(2/3단단 연결부연결부))

유한요소유한요소해석해석 결과결과(ABAQUS)(ABAQUS)

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3


3

-2.5

-2

15

20

ID5(Roll=0), Wind TunnelID5(Roll=0), TAT132 (Corrected)ID5(Roll=0), TAT132ID5(Roll=0), Fluent%Error

한국형발사체 DAC-1B 형상 공력 특성 예측

각종 돌출물이 부착된 한국형발사체의 공력 특성 및 하중 예측에 CFD 활용

해석 도구: KARI 발사체열/공력팀 In-House Code

(RANS, Structured Overset Mesh, 1 & 2 Eq. Turbulence Model)

풍동시험과의 비교를 통해 정확도 확인: 모든 공력 계수 최대 오차 10% 이내

CFD를 이용한 발사체 공력 설계/분석

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Mach

CM

Y

%E

rror

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4-5

-4.5

-4

-3.5

-3

0

5

10

%Error

풍동시험풍동시험/CFD /CFD 결과결과 비교비교 ((피칭피칭 모멘트모멘트 계수계수))

풍동시험풍동시험 쉴리렌쉴리렌 사진사진 (M=2.0)(M=2.0)CFD CFD 해석결과해석결과 (M=2.0, (M=2.0, 격자수격자수 약약 14Million14Million, , 등압선도등압선도))

항공우주분야 CAE 활용현황-위성

HSTS-800 HSTS-1000

Resolution < 0.7 m < 0.5 m

Mirror Size Ø 810 mm Ø 1010 mm

Tube Size L 1300mm,Ø 900 mm

L 1700mm, Ø 1200 mm

[HSTS-800 and HSTS-1000 Specification]

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Ø 900 mm Ø 1200 mm

Mass(Including Mirrors and Focal Plane Assembly)

150 Kg 190 Kg

Natural Frequency > 80 Hz > 60 Hz

Thermal Deformation(for ΔT= 4 C)

< 3 µm < 3 µm

[HSTS-800] [HSTS-1000]


[M2 bezel]

[Optical layout]

[Vane]

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[Tube]

[M1 bezel]

[Dummy]

[D1k Primary Mirror]


Excitation direction

Lowest eigenfrequency [Hz]

HSTS-800(Req. > 80Hz)

HSTS-1000(Req. > 60Hz)

Analysis Test Dev. [%] Analysis Test Dev. [%]

X 87.7 87.4 -0.3 61.6 60.7 1.5

Y 88.6 89.4 0.9 62.6 61.0 2.6

Z 84.7 84.1 -0.7 92.05 94.5 -2.6[1st Mode] [2nd Mode]

[Analysis vs Measurement: Lowest eigenfrequency [Hz]]

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M2

Thermal DeformationFor ΔT=4C

in-orbit stab. tol.HSTS-800 HSTS-1000

Analysis Test Analysis Test

dist. To M1 [㎛] -1.05 -0.75 0.27 -1.5 ±3

[Moisture Desorption] [Thermal Deformation for ΔT=4C]

[1 Mode] [2 Mode]

[Analysis vs Measurement: Thermal Deformation For ΔT=4K]

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우주탐사용우주탐사용 임무임무 설계설계 도구도구 (GMAT)(GMAT) 국제공동개발국제공동개발

KARI-NASA GMAT 공동 개발 정기 회의원격회의 형식 (월 2회 개최)개발자 개인의 개발 진행상황 파악 및 점검

GMAT 공동 개발 중간 점검 회의 (5.21~5.25)Interim discussion & future developing items


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Interim discussion & future developing itemsGMAT Integration & test (lectures & exercise)

개발 완료 항목Orbit State Representation: 5개 항목Spacecraft Attitude Model: 2개 항목

개발 진행 항목Orbit State Representation: 3개 항목Spacecraft Attitude Model: 2개 항목Solar Flux & Drag modeling: 2개 항목Numerical Integration: 2개 항목


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• Conceptual Design of Lunar Lander/Orbiter − Modular and Compatible Structure − Tradeoff study between panel-type and truss-type spacecraft

Equipment Module

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Panel Type

Propulsion Module

Truss Type

Landing gear

Panel Type Truss Type

Solar Array


D t il A D t il BA

20

Detail A Detail B

B

Bottom ViewDetail View


☞ Strut Assy, Propulsion· M.S. = 0.6

· Failure = Bolt

☞ Upper Platform Assy,Propulsion· M.S. = 0.1

· Failure = Pull-out

☞ Upper Platform Assy,Payload

· M.S. = High· Failure = Pull-out

☞ Panel Assy, Payload· M.S. = 1.4

· Failure = Pull-out

☞ Fitting Assy, Strut,Upper

· M.S. = 0.7· Failure = Bolt

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☞ Fitting, Strut, Lower· M.S. = 0.7

· Failure = Bolt

☞ Lower Platform Assy,Propulsion· M.S. = 1.2

· Failure = Core Shear

☞ Ring, Tank Support· M.S. = 0.7

· Failure = Bolt

* High > 5.0

☞ Strut Assy, Tank· M.S. = 0.7

· Failure = Bolt

☞ Hinge/BRKT, Secondary· M.S. = 0.7

· Failure = Bolt

☞ Primary Strut Assy· M.S. = 0.2

· Failure = Bearing

☞ Secondary Strut Assy· M.S. = 1.2

· Failure = Bolt


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Landing Dynamic Model

Landing Simulation Concept

Impact Absorber

0.9 MPa

1.79 MPa

• Lunar Surface- Lunar Surface is regenerated from the program Moon 3D, which includes the information of

lunar surface such as size and the number of crater with 80m resolution acquired by LRO. - According to the report, currently maximum resolution is 7m by Change’2 in China

Landing Stability Analysis on Lunar Surface(1/2)


<Finite Element Mesh><Reconstructed Surface>

3D Vertex PointIn X, Y, Z

Triangulation

<Moon 3D>

Landing Stability Analysis on Lunar Surface(2/2)

1(2.0,8.0,-3.9)

(-3.0,-2.0,-1.5)

3

• Global-Local Analysis− Landing Site Screening− Soil Effect


<Global Lunar Topography Model><Local Lunar Topography Model>

2

1 2

(14.0,-3.0,-6.6)

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항공우주분야 CAE 활용전망

해석 인터페이스 모듈 • 효율적인 parameter 입력• 다양한 해석 인터페이스 구축

전처리 • CAD modeler• 열/구조 해석용 유한요소 생성

Pre-processor

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전후처리 통합 GUI

후처리 가시화• 해석 결과 가시화• 애니메이션 재생• 동영상 저장

인공위성 종합 설계 시스템 구축(KARI Satellite Design System, KSDS)

• 종합 설계 시스템 구축Post-processor


통합 Framework

FEMSolver

인터페이스

CAD modeler(Basic shape)

Pre-processor

Post-processor

Solver

구조해석(NASTRAN/IPSAP

연동)전도 및 온도계산

복사열 전달 해석

오염해석데이터베

이스

물성치

위성궤도/자세

생성

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p

우주 방사선 해석

태양전지 성능저하 해석

AOCS Library

전력 해석

링크 해석

오염해석이스

Solver인터페이스


Main Menu (Ribbon Toolbar)

erfa

ce 메

뉴

모델

구조

pa

G hi Vi

27

Solv

er Inte

설정

값입

력pan

elnelGraphic View

3D 그래픽 메뉴


GUIDocking panel

Window interface

Mouse interface

Graphic interface

Ribbon toolbar

Model handling

Model selecting

• Select• Zoom• Rotate• Move

• Geometry• Mesh

28

C, C++

OpenGL, Open CASCADE

Windows XP이상 32, 64bit

리본메뉴, Docking panel

CM2 라이브러리

Language :

Graphic :

GUI :

운영체제 :

Mesh tool :

3D viewer Multi viewer

Model editing

Context menu

• Color• Show/Hide• Transparency

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