복합 추진기관 극초음속 비행체의 궤적 최적화

Abstract

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 기계공학부, 2024. 2. 도형록.In the recent advancement of aerospace technology, one of the most important directions is cost-effectiveness. Various technological developments aimed at improving efficiency, such as reusable launch vehicles and air-breathing propulsion systems, are currently underway for this purpose. In this study, the flight trajectory optimization calculation for reaching Mach 6 with a two-stage hypersonic vehicle utilizing a turbojetbased air-breathing propulsion system was derived through numerical analysis using the Chebyshev direct collocation method. The research analyzed the design and operational conditions of the Turbojet based Combined Cycle (TBCC) propulsion system by comparing the results with those of a previously proposed hybrid propulsion system and a rocket propulsion system. Through this analysis, air-breathing engines show potential as a more efficient means of propulsion for hypersonic vehicles from the perspectives of fuel consumption and payload transport compared to rocket propulsion systems.근래의 항공우주기술의 발전의 가장 중요한 방향성은 경제성이다. 재사용 발사체와 공기흡입식 추진기관등의 다양한 기술적 진보는 결국 효율성을 향상시키는데 그 목적을 두고 있다. 본 연구는 Mach 6에 도달하기 위한 공기흡입식 추진방식 2단 극초음속 비행체의 비행 최적화 궤적을 도출하였다. 궤적 최적화는 Chebyshev collocation 직접법을 이용하여 수치적으로 계산되었다. 본 연구는 로켓 추진 시스템과 대비되는 터보젯 기반 복합 추진기관(TBCC)의 설계 및 작동 조건을 분석함으로 이전에 제안되었던 복합 추진 기관 과 로켓 엔진의 직접적인 비교를 수행하였다. 이 연구를 통해, 공기 흡입식 기관은 극초음속 비행체의 추진수단으로 연료 소모 및 화물 수송의 관점에서 더 효율적 임을 확인할 수 있다.Abstract ⅰ Table of Contetns ⅲ List of Figures ⅴ List of Tables ⅴ Nomenclature ⅵ Chapter 1. Introduction 1 Chapter 2. Methodology 4 2.1 Concept of hypersonic vehicle 4 2.1.1 Configuration 6 2.1.2 TBCC Engine Modeling 9 2.1.3 Take off conditions 11 2.2 Numerical analysis method 12 2.2.1 Chebyshev method 12 2.2.2 Numerical Set up 16 iv Chapter 3. Trajectory optimization . 18 3.1 Trajectory optimization problem 18 3.1.1 Flight dynamics . 19 3.1.2 Path Constraints 20 3.1.3 Objective function 22 3.2 Mission profile and phase description 23 Chapter 4. Result and Discussion . 25 4.1 Trajectory optimization results . 25 4.2 Fuel Consumption ratio 27 4.3 Comparison with rocket system 29 4.4 Efficient phase breakpoint 32 Chapter 5. Conclusion . 33 References 35 국문 초록 36 v석