PASEM을 이용한 KSR-III Nose Fairing 분리운동 예측

The nose fairings of KSR-III are designed to be separated from the rocket by explosive force at the mission altitude to expose the payload. Adequate amount of separation force should be imposed to allow safe separation without collision between the fairings and the rocket, and the separation device was designed for the separation at very high altitude where almost no air load was expected. As the development of KSR-III goes on, several design changes have made and lower separation altitude of 45km is expected as a result. Under these circumstances, it is required to determine if the nose fairings can be separated without collision with much severer air load than for the design condition. In this study, the 6-DOF motion analysis program, PASEM, which was developed to predict the strap-on booster separation, is modified to simulate the pivotal motion of the fairings at early stages of separation. The accuracy of pivot motion simulation is validated by comparison with the results of ground test and the accurate separation conditions are deduced from it. Trajectory simulations are performed to see if separation without collision is possible with varying angle of attack, direction of gravity, and the effect of gust. It is also found that reducing the separation angle of the clamshell hinge from 60 degrees to 40 degrees can enhance separation safety and separation at lower altitude of 40km can be done without collision.

KSR-III의 탑재부를 보호하고 있는 nose fairing은 목표 고도에 도달하면 화약 폭발에 의한 분리 장치의 작용으로 탑재부가 주어진 임무를 수행할 수 있도록 로켓으로부터 떨어져 나가도록 설계되어 있다. 이때 분리된 fairing이 로켓에 부딪치지 않고 안전하게 분리될 수 있게 하기 위해서는 적절한 크기의 분리력이 가해져야 하며, 이러한 분리력의 결정에 있어서 공기의 영향이 거의 없는 고도도 조건을 가정하였다. 그러나 KSR-III의 설계가 진행됨에 따라 발사체의 임무에 수정이 가해졌으며, fairing의 분리도 고도고가 아닌 공력의 영향이 상당 부분 남아 있는 고도 45km에서 이루어질 것으로 예상됨으로써 이러한 새로운 조건에서도 충분히 안전한 분리를 이룰 수 있는 지의 여부에 대한 확인이 필요하게 되었다. 본 연구에서는 병렬형 부스터 분리 운동 해석을 위해 개발되었던 6자유도 운동방정식 해석 프로그램인 PASEM을 fairing 힌지를 모사할 수 있도록 수정을 가하여 fairing의 분리 운동을 예측하였다. 먼저 지상 시험 결과와의 비교를 통하여 힌지 운동 모사의 정확도를 검증하고 정확한 분리 조건을 설정하였다. 다음으로 고도 45km에서 받음각, 중력 작용 방향, 돌풍의 존재 여부 등을 바꾸어 가며 안전한 분리가 가능함을 판단하였으며, 힌지 이탈각을 60도에서 45도로 줄여줌으로써 훨씬 더 안전한 분리가 가능함을 확인하였다. 또한 발사 당일의 기상 조건의 변화에 따라 분리 고도가 40km로 낮추어져도 안전한 분리한 가능함을 알 수 있었다.