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항공우주104

상대 궤도요소 (Relative Orbital Elements) - 2 chief 위성의 궤도가 원궤도 또는 근 원궤도(near-circular orbit)일 경우, 시간 \(t=t_0\) 에서 주어진 상대 궤도요소(ROM, relative orbital elements) \(\delta \kappa\) 를 이용하면 Hill 좌표계에서 상대 위치벡터 \(\delta \vec{r}=x\hat{o}_1+y\hat{o}_2+z\hat{o}_3\) 를 다음 식으로 표현할 수 있다 (https://pasus.tistory.com/240). \[ \begin{align} x & \approx a \delta a-a \lVert \delta \vec{e} \rVert_2 \cos (u-\varphi) \tag{1} \\ \\ y & \approx -\frac{3}{2} ua \delta.. 2023. 2. 7.
상대 궤도요소 (Relative Orbital Elements) - 1 식 (1)로 주어지는 Clohessy-Wiltshire(CW) 방정식 \[ \begin{align} & \ddot{x}-3n^2 x-2n \dot{y}=0 \tag{1} \\ \\ & \ddot{y}+2n\dot{x}=0 \\ \\ & \ddot{z}+n^2 z=0 \end{align} \] 의 해는 다음과 같았다 (https://pasus.tistory.com/239). \[ \begin{align} & x(t)= \frac{\dot{x}_0}{n} \sin nt- \left( 3x_0+\frac{2}{n} \dot{y}_0 \right) \cos nt+ \frac{2}{n} (2nx_0+ \dot{y}_0 ) \tag{2} \\ \\ & y(t)=2 \left( 3x_0+ \frac{2}{n} \do.. 2023. 2. 4.
CW 방정식 (Clohessy-Wiltshire Equations) chief 위성에서 deputy 위성의 까지의 거리가 지구중심에서 chief 위성까지의 거리보다 매우 작은 경우 chief 위성에 대한 deputy 위성의 상대 운동을 Hill 좌표계로 표현하면 다음과 같았다. \[ \begin{align} & \ddot{x}- \left( \frac{2\mu}{r^3} + \frac{h^2}{r^4} \right) x+ \frac{2(\vec{r} \cdot \vec{v} ) h}{r^4 } y- 2 \frac{h}{r^2 } \dot{y} = f_1 \tag{1} \\ \\ & \ddot{y}+ \left( \frac{\mu}{r^3} - \frac{h^2}{r^4} \right) y - \frac{2(\vec{r} \cdot \vec{v} ) h}{r^4 } x +.. 2023. 1. 27.
상대 궤도운동 방정식 (Relative Orbit Equation of Motion) 우주공학의 미래라고 불리는 분산 우주시스템(distributed space system)은 단일 위성으로는 불가능한 임무를 수행하기 위해서 두 개 이상의 위성을 집단적으로 사용하는 시스템이다. 분산 우주시스템의 임무 개념의 예로서 궤도상(on-orbit) 서비스, 우주 상황 인식, 분산 군집(swarm) 기반 센싱, 위성 편대비행(formation flying), 랑데부 및 도킹 등을 들 수 있다. 분산 우주 시스템의 장점은 여러 위성 간의 상대 운동을 활용하는 데서 발생한다. 따라서 상대 운동을 표현하기 위한 좌표계와 기준 위성이 필요하다. 보통 분산 우주시스템의 임무가 지구를 중심으로 수행되므로 관성 좌표계로는 지구중심 관성좌표계(ECI, earth-centered inertial frame)를 사용.. 2023. 1. 20.
전기 항공기의 항속시간(Endurance)과 항속거리(Range) 배터리를 동력원으로 하는 전기 항공기(electric aircraft)의 경우에는 비행시 항공기의 무게 변화가 없는 것이 특징이다. 배터리의 에너지 용량을 \(B\) 라고 하면 전력(power) \(P_B\) 는 다음과 같다. \[ \frac{dB}{dt}= -P_B \tag{1} \] 전력이 동력 시스템에 전달되는 과정의 손실을 고려하여 동력 효율 \(\eta_e\) 를 이용하면 배터리의 출력 전력 \(P_e\) 는 다음과 같이 계산할 수 있다. 동력 효율은 모터 효율과 프로펠러 효율을 따로 구분하지 않은 전체 효율로 보면 된다. \[ P_e = \eta_e P_B \] 비행에 필요한 동력(power)을 전적으로 배터리가 제공한다면 \(P_e=P_{req}\) 가 되어야 한다. 여기서 \(P_{req}.. 2022. 10. 3.
프로펠러기의 항속시간(Endurance)과 항속거리(Range) 연료를 사용하는 항공기의 항속시간(endurance)이나 항속거리(range)를 계산할 때는 연료 소모에 따른 항공기의 무게 감소를 고려해야 한다. 시간당 또는 거리당 연료소모량을 알아야 하는데, 이와 관련하여 터보프롭이나 피스톤 엔진의 경우 항공기 엔진 제작사에 제공하는 비연료소모량(sfc, specific fuel consumption)을 이용하면 된다. 프로펠러 항공기에서 사용하는 비연료소모량(sfc) \(c_p\) 는 동력(power)당 단위시간 동안 소모된 연료량으로 정의하며 수식으로는 다음과 같다. \[ c_p= \frac{ \dot{W}_f}{P_p}= \frac{-\dot{W}}{P_p} \tag{1} \] 여기서 \(W\) 는 항공기 무게, \(P_p\) 는 엔진 동력, \(\dot{W}.. 2022. 10. 3.
제트기의 항속시간(Endurance)과 항속거리(Range) 연료를 사용하는 항공기의 항속시간(endurance)이나 항속거리(range)를 계산할 때는 연료 소모에 따른 항공기의 무게 감소를 고려해야 한다. 시간당 또는 거리당 연료소모량을 알아야 하는데, 이와 관련하여 제트 엔진의 경우 항공기 엔진 제작사에서 제공하는 추력비연료소모량(tsfc, thrust specific fuel consumption)을 이용하면 된다. 제트기에서 사용하는 추력비연료소모량(tsfc) \(c_J\) 는 추력당 단위시간 동안 소모된 연료량으로 정의하며 수식으로는 다음과 같다. \[ c_J= \frac{ \dot{W}_f}{T}= \frac{-\dot{W}}{T} \] 여기서 \(W\) 는 항공기 무게, \(T\) 는 추력, \(\dot{W}_f= \frac{dW_f}{dt}\) 는.. 2022. 10. 2.
Vorticity 미분 방정식 VPM (Vortex Particle Method)은 비압축성 유체에 대한 Navier-Stokes 방정식을 풀기 위한 효율적인 수치 기법으로서, 격자가 필요 없기 (meshless) 때문에 유한체적법 (FVM, finite volume method)과 같은 기존의 격자(mesh) 기반 수치 기법에 대한 대안으로서 주목받고 있다. VPM은 Vorticity 미분 방정식을 지배 방정식으로 사용하기 때문에 이를 유도해 보고자 한다. 먼저 체적력을 무시할 수 있을 때 비압축성(incompressible) 뉴톤유체에 대한 Navier-Stokes 방정식은 다음과 같다. \[ \begin{align} & \nabla \cdot \mathbf{V} = 0 \tag{1} \\ \\ & \frac{\partial \m.. 2022. 5. 29.
Vorticity의 정의 어떤 유동장에서 운동하는 미소 유체요소(infinitesimal fluid element)를 생각해보자. 아래 그림과 같이 이 유체요소는 운동하면서 회전할 수도 있고 모양이 변할 수도 있다. 이 회전 및 모양의 변화 정도는 유체의 속도장에 따라 다르다. 여기서는 유체요소의 회전에 집중하여 유체의 속도장과 유체요소의 회전 각속도(angular velocity)의 관계에 대해서 알아보고자 한다. 논의를 간단하게 하기 위해서 일단 유체가 2차원 평면상을 흐른다고 하자. 아래 그림과 같이 시간 \(t\) 에서 이 유체요소의 모양이 직사각형이라고 가정한다. 시간이 \(\Delta t\) 만큼 흐르면 유체요소의 꼭지점 B와 C는 꼭지점 A에 대해서 각각 상대 위치가 변화한다. 유체요소의 각 점의 상대 속도가 그림에.. 2022. 5. 29.
유동장의 시간미분에 대해서 유동장(flow field)은 압력, 밀도, 온도, 속도 등 4개의 파라미터로 정의할 수 있는데 모두 위치와 시간의 함수이다. 예를 들면 밀도는 기준 좌표계에서의 위치 \((x,y,z)\) 와 함께 시간 \(t\) 의 함수로 주어진다. \[ \rho = \rho (x,y,z,t) \tag{1} \] 따라서 어떤 파라미터를 시간으로 미분할 경우 두 종류의 도함수(derivative)가 나온다. 바로 \(d/dt\) 와 \(\partial /\partial t\) 이다. 두 시간미분의 물리적인 의미를 알아보자. 아래 그림과 같이 어떤 유동장에서 운동하는 유체요소(fluid element)를 생각해보자. 시간 \(t_1\) 일 때 이 유체요소는 위치 \((x_1,y_1,z_1)\) 에 있다고 하자. 그러면 이.. 2022. 5. 24.

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