Abstract
Numerical design optimization techniques are implemented for the improvement of the ram accelerator performance. The design object is to find the minimum ram tube length required to accelerate projectile from initial velocity $V_o$ to target velocity $V_e$. The premixture is composed of $H_2$, $O_2$, $N_2$ and the mole numbers of these species are selected as design variables. The objective function and the constraints are linearized during the optimization process and gradient-based Simplex method and SLP(Sequential Linear Programming) have been employed. With the assumption of two dimensional inviscid flow for internal flow field, the analyses of the nonequilibrium chemical reactions for 8 steps 7 species have been performed. To determined the tube length, ram tube internal flow field is assumed to be in a quasi-steady state and the flow velocity is divided into several subregions with equal interval. Hence the thrust coefficients and accelerations for corresponding subregions are obtained and integrated for the whole velocity region. With the proposed design optimization techniques, the total ram tube length had been reduced 19% within 7 design iterations. This optimization procedure can be directly applied to the multi-stage, multi-premixture ram accelerator design optimization problems.
본 연구에서는 램 가속기의 성능 향상을 위한 수치최적화를 수행하였다. 일정한 형상과 질량을 가진 탄체를 최초의 속도 $V_o$로부터 목표 속도 $V_e$로 가속시킬 때까지의 최소의 램 가속관 길이를 탐색하는 것을 목표로 하였고 $H_2$, $O_2$, $N_2$로 구성된 예 혼합기의 각 화학종의 몰수를 설계변수로서 채택하였다. 목적함수와 구속조건은 설계 과정에서 선형화 하여 구배법과 SLP기법을 적용하였다. 내부유동은 이차원 비점성 유동을 가정하고 화학반응의 해석은 8단계 7화학종 모델을 적용하였다. 가속관 길이의 결정을 위하여 램 가속관 내부의 유동은 준 정상상태로 가정하고 몇 개의 동일 구간으로 분할하여 각 속도에서의 추력 계수와 가속도를 동시에 구하여 전 속도 영역에 대하여 수치 적분하였다. 본 연구를 통하여 7회의 설계 반복으로 가속관의 길이를 19% 감소시켰다. 본 연구의 결과로부터 다단계, 다 화학종의 램 가속기의 설계최적화 문제에 직접적으로 적용할 수 있음을 확인하였다.
