적외선 유도 무기 체계의 발달로 항공기의 생존성은 지속적으로 위협받고 있으며, 항공기의 생존성을 향상시키기 위한 적외선 스텔스 기술 관련 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 적외선 유도 미사일이 항공기와 배경 간의 대비 신호를 탐지하는 것에 주목하여 비행 조건에 따른 항공기의 최적 적외선 신호를 분석하고자 하였다. 이를 위해 항공기의 비행 조건을 고려하여 유동 해석과 대류, 전도, 복사 3차원 열전달 해석을 수행하였고, 동체 표면 온도를 도출하여 항공기 주변 유동 특성을 기반으로 항공기의 적외선 신호를 분석하였다. 더 나아가, 비행 조건 별로 최적 적외선 신호를 갖기 위한 최적 방사율을 도출하였고, 비행 조건 별로 최적 방사율을 동체 표면에 적용했을 때 적외선 신호 저감 효과를 분석하였다.

본 논문에서는 인체의 열상대역 저피탐을 위한 선행연구로써 인체에서 방사되는 적외선 신호의 특성을 소개한다. 인체에서 방사되는 적외선 신호는 인체 표면의 방사율과 표면온도에 의하여 결정된다. 따라서 적외선 신호해석을 위하여 표면온도를 정확히 도출할 필요가 있고, 이를 위하여 인체의 열적 편안함을 도출하는데 주로 사용 되어온 체온 조절 작용 및 다층 구조 피부 모델을 적용하여 인체의 표면온도 도출에 사용하였다. 기법의 검증을 위하여 비정상 해석 결과와 실험결과의 비교 검증을 수행하였으며, 이로부터 체온 조절 작용이 인체의 표면온도 결정에 미치는 영향을 파악하였다. 비정상 해석을 통해 도출된 표면온도와 피부 및 의복의 방사율을 이용하여 적외선 신호를 도출하였으며, 가상의 배경조건에 따라 나타나는 인체의 적외선 신호 특성을 파악하였다. 의복을 착용함으로써 인체는 저방사 배경과의 적외선 신호차이가 작아지는 반면 고방사 조건에서는 역대비로 인해 오히려 피탐지성이 증가하게 된다.

적외선 유도 미사일은 미사일에서 자체적으로 방사하는 신호가 없어 항공기에서 접근을 인지하고 대응하기가 어렵다. 또 한 적외선 유도 미사일을 탐지하는 MAW(missile approach warning)는 고가의 장비로 현재는 항공기에의 사용이 제한되고 있으며 그 효용성이 공개된바가 없다. 따라서 본 연구에서는 MAW가 탑재되어 항공기가 접근하는 유도 미사일에 대해 회피 기동을 수행할 때 항공기의 생존성이 얼마나 증가하는지를 해석하여 MAW의 효용성을 평가하고자 하였다. 생존성의 평가 지표로 위험 거리를 사용하였으며 고도 5km를 마하 0.9로 비행하는 항공기에 대해 AIM-9 적외선 유도 미사일이 접근하는 상황에 대한 위험 거리를 방위각 별로 도출하였다. 항공기의 회피기동에 대한 변수로는 5～7km의 MAW 인지거리와 3～7G 의 항공기 기동성능을 고려하였다. 해석 결과 MAW를 통한 미사일 접근 인지와 회피기동 만으로도 위험 거리가 상당히 감소하는 것을 확인했다. 회피기동에 따른 위험 거리의 감소는 최대 29.4%로 나타났다. 또한 상대적으로 향상시키기 어려운 항공기 기동성능보다는 MAW 인지거리를 증가시키는 것이 위험 거리의 감소에 더 효과적인 것으로 나타났다.

본 논문에서는 과도한 계산용량이 필요한 초음속 비행체의 비정상 열응답 해석을 수행하기 위한 준-비정상해석 기법을 소개한다. 준-비정상해석 기법은 연성 연계 기법과 복합 열전달 해석기법을 통합한 방법으로 계산시간 단축시키면서 동시에 정확도를 향상시키기 위해 고안되었다. 또한 준-비정상해석 시, 해석 구간을 분할하기 위한 기준시간을 결정하는 알고리즘을 고안하여 준-비정상해석 기법의 정확도를 향상시키고자 하였다. 본 논문에서는 준-비정상해석 기법을 평가하기 위하여 가상의 비행 시나리오에서 열응답 해석을 수행하였으며, 비정상 해석 결과와 비교 검증을 수행하였다. 무딘 물체의 표면 온도 및 정체점의 온도를 통해 각각의 기법의 차이를 도출하였다. 비정상 해석을 통해 도출한 정체점의 온도와 준-비정상 해석을 통해 도출한 정체점의 온도 차이는 11.4% 이내로 높은 정확도를 확보함과 동시에 28배에 가까운 계산시간을 단축시켜 해석 기법의 효율성과 정확성을 확보하였다.

Due to rapid development of infrared guided weapon, survivability of armored vehicle is severely threatened. Hence, reduction of susceptibility by lowering infrared signature level is essential to enhance survivability of the vehicle. For this purpose, numerical analysis is conducted to analyze time and spatial characteristics of infrared signature of the vehicle when surface emissivity changes in this study. The analysis shows that the emissivity which produces minimum contrast radiant intensity is significantly altered by time and detecting position. Based on the result, it is concluded that the controlled structures which have different emissivity should be adopted at different region of the vehicle to effectively decrease infrared signature level.

Ablative material in a rocket nozzle is exposed to high temperature combustion gas, thus undergoes complicated thermal/chemical change in terms of chemical destruction of surface and thermal decomposition of inner material. Therefore, method for conjugate analysis of thermal response inside carbon/phenolic material including rocket nozzle flow, surface chemical reaction and thermal decomposition is developed in this research. CFD is used to simulate flow field inside nozzle and conduction in the ablative material. A change in material density and a heat absorption caused by the thermal decomposition is considered in solid energy equation. And algebraic equation under boundary layer assumption is used to deduce reaction rate on the surface and resulting destruction of the surface. In order to test the developed method, small rocket nozzle is solved numerically. Although the ablation of nozzle throat is deduced to be higher than the experiment, shape change and temperature distribution inside material is well predicted. Error in temperature with experimental results in rapid heating region is found to be within 100 K.

1차원 등엔트로피 모델과 통합된 경계층 적분법은 초음속 노즐의 설계과정에서 내열재 표면의 열전달을 예측하는데 효과 적으로 사용되고 있지만 노즐 목과 같이 2차원 효과와 경계층과 노즐 코어유동의 상호작용이 발생하는 지점에서는 경계층 외부유동 해석의 부정확성으로 해석의 정확도가 감소한다. 따라서 본 연구에서는 경계층 적분법을 이용한 열전달 예측의 정 확도를 향상시키기 위해 CFD를 이용하여 2차원 효과와 노즐 코어유동의 상호작용이 고려된 경계층 외부유동 조건을 도출 하고 이를 경계조건으로 하는 해석기법을 개발하였다. 오일러 모델과 SST k-ω 모델을 CFD로 해석하여 경계조건으로 적용 했으며 계산방법을 검증하기 위해 선행문헌의 실험노즐에 대해 해석을 수행하였다. 계산 결과 CFD를 통해 경계층 외부유동 조건을 도출한 해석에서 노즐 열전달의 정확도가 향상되는 것을 확인하였으며 특히 노즐 목 후방과 팽창부에서의 차이가 크 게 나타났다. SST k-ω모델로 도출된 계산결과는 1차원 등엔트로피 모델과 비교 시 팽창부에서 실험결과와의 오차가 16% 감소하였다. 본 연구에서 개발된 해석기법은 향후 로켓노즐의 내열설계에 유용하게 사용될 것으로 평가된다.

적외선을 이용한 무기체계의 발달로 인해 항공기의 생존은 큰 위협에 직면해 있다. 따라서 항공기의 생존성 향상을 위해 서 적외선 스텔스 기술이 매우 중요하다. 본 논문에서는 수치해석을 통해 실제 비행환경에서의 항공기 표면온도 및 주위 배 경에 따른 적외선 신호를 분석하고 이를 바탕으로 적외선 스텔스를 위한 항공기 표면 구조체 방사율의 가이드라인을 제시하 고 그 성능을 검증하고자 한다. 수치해석 결과, 주위 배경에 따라서 항공기 표면 방사율을 최적화한다면 항공기와 배경간의 복사대비강도를 감소시킬 수 있음을 확인하였다.