[논문 리뷰] Model Rocket Project for Aerospace Engineering Course: Trajectory Simulation and Propellant Analysis

Thomas A. Campbell, Masataka Okutsu|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 07.

Experimental and Theoretical Physics Studies참고 문헌 14인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 항공우주공학 수업의 대학 수준 프로젝트로, 궤도 시뮬레이션과 연료 분석을 교육하기 위해 모형 로켓을 활용한다. 학생들은 수치 모델을 개발하여 비행 성능을 예측하고, 실험 데이터로 검증하였으며, 최대 고도 500m, 강하 시간 2~3분을 기록하였다. 바람의 변동성이 착륙 예측 오차의 주요 원인으로 밝혀졌다.

ABSTRACT

Model rockets have been employed in student projects, but very few papers in aerospace education offer concise summaries of activities at university-course levels. This paper aims to address this gap in the literature. The rockets used by our students reached some 500 m (~1,640 feet) in altitude, deployed a parachute, and spent 2-3 minutes descending to the ground. We present a series of analyses and experiments that students performed in order to predict the flight time, the maximum altitude, and the landing location of these rockets. They wrote computer programs to numerically integrate equations of motion, and experimentally measured input parameters (e.g., the thrust profile and drag coefficients). Once launched, these rockets could not be controlled; targeting the landing location would thus mean tilting the launch rail to a required angle. The largest source of error in landing location came from the difficulty in modeling wind velocities. Also discussed in this paper are the infrared spectroscopy and the extraction experiment as novel additions to model rocket projects.

연구 동기 및 목표

• 항공우주 교육 분야에서 종합적인 대학 수준의 모형 로켓 프로젝트 문서화의 부족을 해결하기 위해.
• 학부 항공우주공학 학생들을 대상으로 궤도 시뮬레이션과 연료 분석을 통합한 실습 중심 교육 과정을 개발하기 위해.
• 수치 적분을 통해 최대 고도, 비행 지속 시간, 착륙 위치와 같은 주요 비행 파라미터를 예측할 수 있도록 하기 위해.
• 추력 프로파일과 항력 계수의 실험적 측정을 통해 실제 비행 역학에 대한 학생들의 이해를 향상시키기 위해.
• 적외선 스펙트로스코피와 연료 추출 실험과 같은 새로운 실험 구성 요소를 모형 로켓 프로젝트에 도입하기 위해.

제안 방법

• 학생들은 중력, 항력, 추력 힘 작용 하에서 모형 로켓의 운동 방정식을 수치적으로 통합하는 컴퓨터 프로그램을 작성하였다.
• 모의 시뮬레이션 입력을 校정하기 위해 힘 센서를 사용하여 실험적 추력 프로파일을 측정하였다.
• 바람 터널 실험 또는 로켓 기하학적 구조에 기반한 경험적 추정을 통해 항력 계수를 결정하였다.
• 저중력 및 항력 지배적 운동 방정식을 사용하여 낙하 및 낙하용 추적기 배치 단계를 모델링하였다.
• 적외선 스펙트로스코피를 적용하여 연료 조성을 분석하고, 고체 연료 특성을 연구하기 위해 추출 실험을 실시하였다.
• 타겟팅을 시뮬레이션하기 위해 발사 레일 기울임을 사용하였으며, 바람 조건은 예측 정확도 평가를 위한 변수 입력으로 처리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 운동 방정식의 수치 적분은 모형 로켓의 최대 고도와 비행 지속 시간을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ2 무인 모형 로켓 비행에서 바람의 변동성이 착륙 위치 예측 정확도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 실험적으로 측정한 추력 프로파일과 항력 계수의 영향은 궤도 시뮬레이션의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 적외선 스펙트로스코피와 연료 추출 실험은 모형 로켓 프로젝트의 교육적 가치에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 레일 기울임은 무인 모형 로켓의 착륙 위치 제어에 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 모형 로켓은 비행 시험에서 약 500m(1,640피트)의 최대 고도를 기록하였다.
• 강하 시간은 2~3분으로, 낙하용 추적기 배치 및 항력 지배적 강하 모델링과 일치하였다.
• 착륙 위치 예측 오차의 가장 큰 원인은 바람 속도 프로파일을 정확하게 모델링하기 어려운 데에 기인하였다.
• 측정된 추력 및 항력 데이터를 사용한 수치 시뮬레이션은 관측된 비행 성능과 양호한 일치를 보였다.
• 적외선 스펙트로스코피와 연료 추출 실험을 통합함으로써 고체 연료 조성과 연소 거동에 대한 새로운 실습적 통찰을 제공하였다.
• 레일 기울임은 조작적인 타겟팅에 효과적이었지만, 바람의 예측 불가능성으로 인해 착륙 위치 제어의 정밀도가 제한되었다.