신규 사업 소개

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복합 화학반응을 포함한 극초음속 다원자 혼합물 유동의 입자기반 해석기법 개발

 

 

 

< 전은지 교수 > 

 

 

  우리 학과 전은지 교수가 이끄는 KAIST 비평형 기체 플라즈마 연구실(KNGPDL)은 2025년 3월 한국연구재단의 중견연구(도약형) 과제에 선정되었다. 해당 과제는 2022년 3월부터 2025년 2월까지 수행한 이전 중견연구 과제(‘극초음속 지구 재진입 우주 비행체를 위한 입자기반의 유동 해석기법 개발’)에서 우수한 성과를 인정받아 선정된 후속 연구이다. 본 후속 연구는 ‘복합 화학반응을 포함한 극초음속 다원자 혼합물 유동의 입자기반 해석기법 개발’을 주제로, 2025년 3월부터 2028년 2월까지 약 3년의 연구 기간 동안 총 6.74억원의 연구개발비를 지원받는다.

 

 

< 그림 1. 재사용 우주 비행체 Falcon 9, 1단 재착륙 과정에 따른 유동특성 ​ >

 

 

  우주 비행체는 지구 재진입 과정에서 마하수가 5 이상인 극초음속 환경과 희박한 대기 조건으로 인해 비평형 유동을 경험한다. Navier-Stokes 방정식을 기반으로 한 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 방법은 이러한 희박 유동을 정확하게 해석하기 어렵다. 이에 Boltzmann 방정식을 기반으로 하는 몬테카를로 직접 모사법(Direct Simulation Monte Carlo, DSMC)이 주로 활용된다. DSMC 방법은 입자의 이동과 충돌을 직접 모델링하여 희박 유동을 포함한 모든 유동을 정확하게 모사할 수 있지만, 유동의 밀도가 높아지면 입자 간 충돌 수가 급증하여 계산 효율이 저하되는 문제가 있다.

 

 

< 그림 2. DSMC 방법과 Fokker-Planck 방법의 순서도 ​ >

 

 

  이 문제를 해결하기 위한 방법 중 하나로, 입자 기반 Fokker-Planck(FP) 수치해석 기법이 제안되었다. FP 기법은 입자 간 충돌을 브라운 운동으로 근사하여 DSMC 방법의 계산 효율 저하 문제를 극복하고자 하였다. 2010년 처음 제안된 이후 다양한 연구가 이어졌으며, 전은지 교수는 이전 중견연구를 통해서 이원자 혼합물을 정확하게 기술할 수 있는 FP 기법을 개발하였다. 그러나 실제 재진입 환경에서는 분자 충돌 외에도 분자의 해리와 같은 화학반응이 추가적으로 고려되어야 재진입 비행체의 열공력 특성을 정확히 예측할 수 있다. 기존의 FP 모델은 이러한 복합 화학반응을 다루지 못한다는 한계가 있으며, 또한 1차 시공간 정확도라는 제약으로 인해 계산의 효율성을 더욱 높이는 데에도 한계가 있다.

 

  본 과제에서는 이러한 한계를 해결하기 위해 복합 화학반응을 포함하고, 동시에 2차 시공간 정확도를 갖춘 다원자 혼합물 FP 모델을 개발하는 연구를 수행할 예정이다. 이를 통해 국내 비평형 희박 기체 유동 해석 기술을 한 단계 끌어올릴 것으로 기대한다. 연구 결과는 재사용 비행체의 설계와 열공력 특성 분석에 활용될 수 있으며, 우주 개발이 본격화되고 지구 귀환 임무가 증가하는 상황에서 국내 핵심 공력 기술로 자리 잡을 것으로 기대된다.

 

 

 

우수신진 연구 과제 소개

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발사체 초정밀 온도측정을 위한 다중 스펙트럼 이미징 고온계 개발

 

 

 2025년 3월, 김현정 교수가 이끄는 KAIST 우주테스트 및 탑재체 센서 연구실 (STAR* Lab / https://starlab.kaist.ac.kr) 은 한국연구재단 우수신진연구 과제에 선정되었다.

 

 본 연구의 제목은 “발사체 초정밀 온도측정을 위한 다중 스펙트럼 이미징 고온계 개발” 이며, 향후 5년 동안 총 약 11.5억원의 연구개발비를 지원받는다. 본 연구는 발사체의 온도 정확도를 크게 높일 수 있는‘다중 스펙트럼 이미징 고온계 시스템 (multi-spectral imaging pyrometer)’제작 기술 개발을 목표로 한다.

 

 따라서, 아직 세계적으로 불가능한 (1) 방사율과 무관한 (emissivity independent) 열 이미지 측정과 (2) 적외선 HDRi (High Dynamic Range IR) 이미징을 가능하게 하는 획기적 기술로, 초기 연구를 통해 원천기술을 선점할 수 있을 것으로 기대한다.

 

 

 

우주 탐사 비행체의 통신 두절 및 공력가열 저감을 위한 전기역학적 플라즈마 제어 기술

 

 

 조성민 교수가 이끄는 KAIST 응용공기열역학 그룹 (AAG)의 연구가 한국연구재단 우수신진연구 과제에 선정되었다. 본 연구의 제목은 “우주 탐사 비행체의 통신 두절 및 공력가열 저감을 위한 전기역학적 플라즈마 제어 기술”이며, 향후 5년 동안 총 약 12억원의 연구개발비를 지원받는다.

 

 본 연구는 극초음속 재진입 비행체의 공력가열량과 통신 두절 현상을 획기적으로 저감할 수 있는 전자기 기반 제어 기술 개발을 목표로 한다. 전자석 및 전자 증산 냉각을 활용하여 전기역학적 플라즈마 제어가 가능한 열차폐 시스템의 개념설계 및 지상시험을 목표로 하며, 이를 통해 관련 핵심 기반 기술 확보하고 차세대 우주 개발 인력을 양성할 수 있을 것으로 기대한다.

 

 

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원문   전은지 교수[eunji.jun@kaist.ac.kr]

편집              이은혁[lehx01@kaist.ac.kr]