우주선 연료의 출렁임 현상 감소

Rémi Roumiguié, 프랑스 툴루즈 소재 Airbus Defence and Space, 유체공학 엔지니어

우주선 탱크에서 연료 출렁임 현상에 의해 질량 중심이 변경될 수 있습니다. 이는 특정 지표면 위치로 정확히 인도하기 위한 센서의 세밀하게 계산된 동작에 영향을 끼칩니다. Airbus의 엔지니어는 설계된 탄성 중합체 멤브레인이 연료의 출렁임 현상이 질량 중심에 미치는 영향을 얼마나 최소화하는지 평가하기 위해 우주선 개발의 초기 단계에 유체-구조 연성해석 시뮬레이션을 사용했습니다.

Save PDF
satellite spacecraft

"우주선 설계자는 고도 제어 사양을 달성하기 위해 개선이 필요한지 확인하고, 비용 및 중량 증가를 최소화하여 사양을 충족하는 방법을 찾아야 합니다."

elastomeric membrane model

탱크 하부의 오프셋에서의 멤브레인 도면

 

우주선의 일반적인 임무에는 식물, 대기, 해양, 빙원의 변화와 같은 기후와 환경을 모니터링하고 지형 지도를 제작하는 일이 포함됩니다. Airbus Defence and Space는 이 분야에서 공인된 리더로서 보안 강화, 농업 성과의 향상, 석유/가스 및 광산 채굴의 최대화, 자연 자원의 관리 개선, 그리고, 삼림 파괴 및 탄소 배출을 모니터링하여 환경을 보호하기 위한 완벽한 솔루션을 제공합니다.

우주선은 지표면의 특정 지점을 관찰하는 임무를 수행하는 경우가 많으므로 고도 제어가 특히 중요합니다. 다양한 장소에서 관찰하거나 지면의 기지국으로 수집된 데이터를 송신하기 위해 우주선의 고도는 자주 변경됩니다. 고도 제어 시스템(ACS)은 일반적으로 태양 전지판에서 제공되는 전기를 사용하여 정밀한 고도 이동을 위해 모멘트 제어 자이로스코프와 리엑션 휠을 사용합니다. 추진체에 의한 엔진은 더 큰 규모의 고도 이동을 수행합니다. 모멘트 제어 자이로스코프와 리엑션 휠에 사용되는 알고리즘은 우주선의 질량 중심에 대한 정밀한 정보를 요구합니다. 하지만 우주선이 움직이기 시작하면 액체 연료가 탱크 안에서 흔들리면서 질량 중심이 바뀌고 연료 탱크 벽면에 모멘트 제어 자이로스코프나 리엑션 휠에 대항하는 힘이 생성됩니다.

우주선은 우주선을 허용 가능한 고도 범위 내로 제어할 수 있도록 출렁임을 줄이는 교정 방법을 종종 사용합니다. 그 중 하나는 배플이나 칸막이와 같은 물리적인 장벽을 사용하여 출렁임을 제어하는 방법입니다. 또 다른 일반적인 방법은 탄성 중합체 멤브레인을 사용하여 탱크를 두 영역으로 구분하고 한 영역에는 연료를, 다른 영역에는 압축 가스를 채워서 출렁임을 완화하는 것입니다.

설계자는 고도 제어 사양을 달성하기 위해 교정 조치가 필요한지 확인해야 하고, 필요하면 가장 적은 비용과 중량 증가를 최소화하여 사양을 충족하는 방법을 찾아야 합니다. 무중력 상태에서 출렁임을 측정하려면 물리적 실험이 거의 불가능하고 비용이 매우 많이 듭니다. Airbus 엔지니어는 설계 프로세스의 초기에 시뮬레이션을 사용하여 탄성 중합체 멤브레인으로 얻을 수 있는 성능을 평가하기로 했습니다. 설계 변경이 초기에 이루어질수록 나중보다 비용이 적게 들기때문입니다.

탱크 연료와 멤브레인의 복잡한 상호 작용 때문에 탄성 중합체 멤브레인의 영향을 받는 출렁임을 모델링하기가 까다로웠습니다. Airbus 엔지니어는 이전에 이러한 상호 작용에 대한 모델링을 경험한 적이 없었고, 문헌 조사에서도 지침이 될 만한 자료를 찾지 못했습니다. 따라서 엔지니어는 ANSYS Workbench 환경에 통합된 ANSYS 다중 물리 해석툴을 이용해서 유체-구조연성해석(FSI)을 수행하여 설계된 멤브레인의 거동을 분석하기로 했습니다.

"FSI와 기타 다중 물리 시뮬레이션은 Airbus 엔지니어가 설계에 큰 영향을 미칠 수 있는 프로세스 초기 단계에서 보다 풍부한 정보를 바탕으로 나은 설계 결정을 내릴 수 있게 해주었습니다."

Airbus satellite image

Airbus 우주선이 촬영한 대표 이미지

 

우주선의 설계 연구

Airbus 엔지니어는 개발 중인 우주선의 응답에 대해 멤브레인이 미치는 영향을 계산하기 위한 설계 연구를 수행해야 했습니다. 또한, 그들은 우주선이 사전에 정의된 여러 가지의 기동을 수행하는 상황에서 질량 중심의 변화와 연료가 탱크 벽에 미치는 힘을 예상해야 했습니다. 이를 위해서는 액체 연료가 멤브레인에 미치는 영향과 멤브레인이 액체에 미치는 영향을 동시에 분석해야 했습니다. FSI 시뮬레이션을 수행하는 데 가장 큰 어려움은 유체를 시뮬레이션하는 데 사용되는 전산유동해석(CFD) 소프트웨어와 멤브레인을 시뮬레이션하는 데 사용되는 유한요소 해석(FEA) 소프트웨어가 종종 서로 다른 업체에서 제공되어 같이 연동되지 않는다는 점이었습니다. 사용자는 이러한 툴을 통합할 방법을 찾아야 합니다. 여기에는 스크립트를 작성하여 검증하고, 시뮬레이션을 실행할 때마다 CFDFEA 소프트웨어 패키지 간에 데이터를 수동으로 전송하는 작업이 포함됩니다. 시뮬레이션 프로세스에 수동으로 개입하면 추가적인 시간이 소요되고, 시뮬레이션 해석 절차가 복잡해지기 때문에 전반적인 정확성이 손상될 수 있습니다.

"FSI와 기타 다중 물리 시뮬레이션은 Airbus 엔지니어가 설계에 큰 영향을 미칠 수 있는 프로세스 초기 단계에서 보다 풍부한 정보를 바탕으로 나은 설계 결정을 내릴 수 있게 해주었습니다."

ANSYS 소프트웨어는 ANSYS Workbench 시뮬레이션에 통합된 CFDFEA 솔버를 포함하여, FSI 시뮬레이션에 필요한 모든 물리적 특성을 제공하여 이러한 어려움을 극복합니다. 간단하게 끌어서 놓기만 하면 하나의 소프트웨어 패키지의 결과가 다음 패키지의 입력으로 연결되므로 수동으로 데이터를 전송할 필요가 없습니다. 이 해석에서, Airbus 엔지니어는 멤브레인은 탱크 하부에서 솔리드 오프셋으로 모델링하고 탱크 벽 하부에 유체 출구를 만들었습니다. ANSYS FluentANSYS Mechanical의 우수한 연동 기능에 의해 유체 영역 의 표면을 포함하는 탱크 벽면의 솔리드 영역과 ANSYS Mechanical에서 솔리드 요소로 정의되는 표면을 사용할 수 있습니다. 탱크 벽면은 멤브레인과의 접촉을 구현하기 위해 ANSYS Mechanical 모델에도 포함됩니다. 연산 리소스를 줄이기 위해 전체 모델이 단 1층의 두께로 이루어졌으므로 사실 상 2D 시뮬레이션이었습니다.

FSI translation profile

FSI 시뮬레이션 중에 적용된 이동 프로파일

 

탱크 충전은 FSI로도 가능했지만, Airbus 엔지니어는 멤브레인이 탱크 위쪽 부분에서 변형하는데 유압 대신 더 단순하고 연산이 적게 필요한 기계적 압력을 적용하는 방식을 사용했습니다. 그런 다음 변형된 형태가 유체 모델에 적용되었습니다. 질량 유량 출구 경계조건이 추가되고, 멤브레인 안의 유압과 응력 간에 평형을 유지하면서 원하는 충전율이 될 때까지 탱크에서 배출이 허용되었습니다. 압력파의 생성을 방지하기 위해 탱크의 점진적인 배출 조건은 유량 프로파일이 사용되었습니다.

membrane displacement

변형 프로세스 구간에서 멤브레인 중점의 이동

 

ANSYS Workbench multiphysics schematic

Airbus 엔지니어는 한 솔버의 결과를 다른 솔버의 입력으로 드래그하여 유체 영역과 구조 영역을 연결했습니다 .

 

유체-구조 연성해석의 수행

멤브레인의 모양과 관련 응력장이 확인된 후, 엔지니어는 탱크에 지정된 이동 프로파일을 적용했습니다. 각 프로파일은 일반적인 우주선 이동을 대표하는 가속 시간 이력으로 구성되어 있었습니다. 과도 FSI 시뮬레이션의 각 타임 스텝에서 ANSYS Fluent가 유체 영역에서의 반력을 계산했습니다. 이 힘은 ANSYS Workbench에 의해 ANSYS Mechanical 솔버로 완벽하게 전송되어 탄성 중합체 멤브레인을 로드하는데 사용되었습니다. 그런 다음 ANSYS Mechanica에서 멤브레인의 변형을 계산했습니다. 업데이트된 멤브레인 형태가 ANSYS Fluent로 전달되어, 다음 시뮬레이션 타임 스텝의 유동 영역을 설정하는 데 사용되었습니다. 시뮬레이션 결과에는 각 타임 스텝에서 탱크의 질량 중심과 탱크 벽면의 유체로 인해 발생하는 힘과 토크가 포함되었습니다.

mesh for multiphysics
탱크가 부분 수위로 배출된 후 멤브레인의 안정화된 위치
FSI simulation results
FSI 결과
 

Airbus Airbus 엔지니어는 설계 프로세스의 초기 단계에 FSI 시뮬레이션을 사용하여 일반적인 우주선의 이동에 영향을 받는 탄성 중합체 멤브레인의 거동을 모델링했습니다. 또한 시뮬레이션을 사용하여 배플 또는 칸막이와 같은 출렁임 현상의 방지 방법을 평가했습니다. 마지막 목표는 탱크 설계에 어떤 솔루션이 가장 적합한지를 결정하는 것입니다.

Airbus 엔지니어는 ANSYS 소프트웨어를 사용하여 새로운 기능을 개발했습니다. 이들은 이제 탄성 중합체 멤브레인과 탱크 구성을 시뮬레이션할 수 있습니다. Airbus 엔지니어는 FSI와 기타 다중 물리 시뮬레이션을 사용함으로써 설계 프로세스 중 성능과 비용 및 완제품의 개발 기간에 큰 영향을 미칠 수 있는 개발 초기 단계에서 보다 풍부한 정보로 나은 설계 결정을 내릴 수 있게 되었습니다.

ANSYS에 문의하시려면 아래 버튼을 클릭하십시오

문의하기
Contact Us
문의하기