요격시험평가 안전구역 설정을 위한 파편분산 및 낙하 예측 모델링 :Dispersion and Fall Prediction Modeling of Debris for Establishing Safety Zones in Interception Test Evaluation

강보현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 강보현 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 김상호

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

요격시험평가 안전구역 설정을 위한 파편분산 및 낙하 예측 모델링

강보현 항공우주정보시스템공학과 2020.01 학위논문

2019

요격 시험평가 시 분리 궤적 예측과 파편분산 분석

강보현 , 김상호 , 박기순 외 2명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2019.11 학술대회자료

AUTODYN을 이용한 파편분산 모델링 및 시험평가 안전구역 설정

강보현 , 김상호 , 박기순 외 1명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2019.04 학술대회자료

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최근 탄도탄 방어용 장거리/고고도 유도무기 체계개발과 함께 유도무기에 대한 시험사거리 및 사격고도가 증가하고 있다. 시험사거리 증가 및 요격고도의 증가에 따라 사격시험에 필요한 안전영역의 확대가 예상된다. 외국의 경우 사막이나 비거주지가 많으므로 시험평가를 위한 충분한 장소가 확보된다.
하지만 인구가 밀집되어 분포한 국내 여건 상, 장거리/고고도 요격시험을 안전하게 수행하기 위해서는 시험 시 발생하는 파편 낙하영역의 예측 및 이에 대한 안전영역 설정이 중요하다. 이를 위해서 본 논문에서는 다음의 사항을 고려를 하였다. 부스터 낙하 궤적 모델링과 유도탄과 탄도탄의 충돌 시 파편 분산 모델링이다.
부스터 낙하궤적 모델링을 나타내기 위해 3-Degree of Freedom(3-자유도) 운동방정식을 적용하였고, 그 궤적은 MATLAB을 통한 GUI(Graphic User Interface) 생성으로 특정 조건에서의 사용자의 입력값을 바탕으로 최종 낙하 위치와 낙하 가시화 궤적을 산출하였다.
또한 유도탄과 탄도탄의 충돌 시 파편의 낙하영역을 예측하기 위해 충돌 및 파괴 해석에 활용 가능한 상용 프로그램인 ANSYS AUTODYN 충돌모델을 사용하여 탄도탄과 유도탄의 물성값을 입력하여 충돌해석을 수행하였다. 탄도탄 및 유도탄의 직격 요격 시 각각의 파편에 대한 지상에 피해를 줄 수 있는 유의미한 파편 입자의 크기를 고려하여 축 및 축 방향으로의 최대분산과 최소분산을 분석하였다. 이후 각 파편에 대한 낙하궤적을 산출하여 최종 안전구역을 산출하였다.
실 사격시험은 유도탄의 소모 뿐만 아니라 부수적으로 표적과 자원 등의 소모를 동반하며, 소모되는 비용 대비 도출되는 데이터의 양은 극히 제한적이라는 단점을 가지고 있기 때문에 최근 체계통합시험평가가 활용 대안으로 부각되고 있다.
특히 본 논문에서는 AUTODYN 모델링을 통해 탄도탄 직격요격 시 파편의 생성 및 파편 분산 영역을 분석하여 실사격시험 시 안전구역 설정의 접근 기반을 구축하였다.
또한 THAAD의 형상을 토대로 상세한 제원 및 설정은 생략하였으며 향후 실질적인 유도무기 파편분산 안전구역 설정을 위해서는 실질적인 대상 탄도탄과 유도탄의 구조물을 대상으로 추가적인 연구가 필요할 것이다.
이상의 논문은 Ballistic Missile Defence (BMD) system, 요격 파편 안전 분석 분야에 적용 가능할 것으로 예상된다.

Recently, with the development of a long-range/high-altitude guided weapons system for ballistic missile defense, test range and intercepting altitude have been increasing for guided weapons. It is expected that the safety area required for intercepting tests will be expanded as the test range and the intercept altitude increase. In the case of foreign countries, there are many deserts and non-residential areas, so there are enough places for the test and evaluation.
However, in order to safely conduct long-range/high-altitude interception tests due to the dense population in Korea, it is important to predict the drop zone of debris generated during the test and to establish a safe zone. For this purpose, the following considerations were taken into account in this paper. Booster fall trajectory modeling and debris dispersion modeling in collision between guided missile and ballistic missile.
3-Degree of Freedom kinetic equation was applied to indicate booster fall trajectory modeling, which produced a Graphical User Interface (GUI) through the MATLAB to calculate the final fall position and visibility trajectory based on user input under certain conditions.
In addition, the collision analysis was performed by entering the property values of ballistic missiles and guided missiles using the ANSYS AUTODYN crash model, a commercial program that can be used for collision and destructive analysis, to predict the fall area of debris in the event of a collision between a guided missile and a ballistic missile. The maximum and minimum variances in axial and axial directions were analyzed, taking into account the size of significant debris particles that could cause damage to the ground for each debris in the direct intercept of ballistic missiles and guided missiles. The final safety zone was then calculated by calculating the fall trajectory for each debris.
Systematic integrated test evaluation has recently been highlighted as an alternative to utilization because the actual interception test is not only accompanied by the consumption of guided missiles but also by the consumption of targets and resources, and the amount of data derived from the costs consumed is extremely limited.
In particular, in this paper, the formation of debris and the dispersion area of debris in the direct crash of ballistic missiles were analyzed through AUTODYN modelling, and the approach base of safe area setting in the actual interception test was established.
Further detailed specifications and settings have been omitted based on the shape of the THAAD, and further studies will be required on the structure of the actual target ballistic missile and guided missile in the future to establish a real guided weapons fragmentation safety area.
The above paper is expected to be applicable in the fields of Balistic Missile Defendant (BMD) system, interception debris safety analysis.

#안전구역 #파편 분산 #AUTODYN #요격시험평가 #낙하 궤적 #3-DoF(3자유도) 운동방정식

제1장 서론 1
제1절 연구배경 1
1. 한반도 안보 상황 1
2. 탄도미사일 비행 단계 1
3. 탄도미사일 방어의 난해성 2
제2절 연구목적 및 내용 3
1. 시험평가의 중요성 3
2. 연구 목적 및 내용 3
제2장 배경 이론 6
제1절 3자유도 점 질량 모델 6
1. 가정 및 좌표시스템 6
2. 운동 방정식 9
3. 동역학 방정식 10
4. 중량 방정식 14
5. 3DOF 방정식 15
제3장 부스터 낙하궤적 모델링 18
제1절 낙하궤적 모델링 방안 18
1. 주요 고려 요소 18
2. THAAD 제원 및 탄도미사일 발사각 18
3. THAAD 부스터 형상 및 낙하 특성 19
4. 부스터 비행운동 모델링 모델 선택 20
5. 3-자유도 점질량 동역학 모델 21
6. 대기 모델 23
제2절 부스터 낙하궤적 시뮬레이션 구현 24
1. GUI(Graphic User Interface)란 24
2. 입출력 변수 25
3. GUI 생성 방법 25
4. GUI 변환과정에서의 오류 검토 30
5. 시뮬레이션의 정확성 33
6. 부스터 낙하궤적 결과 35
제4장 파편분산 모델링 37
제1절 파편분산 연구 개요 37
1. 접근 방법 37
2. 적용 이론 37
3. 외국의 파편 분산모델 38
4. 국내 파편 분산거리 추정 사례 연구 40
제2절 AUTODYN 파편분산 모델링 방법 40
1. 파편분산 연구방법 및 중점 40
2. 탄도탄 직격요격 파편분산 시나리오 41
3. AUTODYN 모델 특성 42
4. AUTODYN 입력 데이터 43
5. 프로그램 해석 설정 46
제3절 AUTODYN 해석 결과 47
1. 해석 설정 47
2. 해석 결과 48
제4절 파편 분석 51
1. 탄도탄의 파편 분석 51
2. 유도탄 파편 분석 53
제5절 안전구역 설정 57
1. 시뮬레이션 입력값 57
2. 탄도탄 안전구역 산출 58
3. 유도탄 안전구역 산출 62
4. 최종 안전구역 설정 결과 65
제5장 결론 68
참고문헌 69
ABSTRACT 71

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