편집위원회

미국 NASA(National Aeronautics and Space Administration)에는 Table 1에 나타낸 것 이외에도 초음속 및 극초음속 유동해석용 US3D 등 다수의 자체 또는 학계 협력 개발 소프트웨어를 보유하고 있다[2].

Cart3D는 비점성 정상상태 유동 해석 소프트웨어로 PRLV(Partially Reusable Launch Vehicle) 외부 유동 해석에 사용된 바 있다[3]. 강한 난류가 지배적인 유동 해석에는 사용할 수 없지만 비정렬 격자 사용으로 복잡한 형상에 대해서도 격자 생성이 쉽고 계산 속도가 빨라 다른 Navier-Stokes 솔버를 이용하기 전 단계의 trade-off study 등에 이용된다.

OVERFLOW는 아음속에서 초음속 유동까지 해석 가능한 소프트웨어로 Saturn V 및 SLS (Space Launch System)의 외부 유동 해석(Fig. 1)에 사용되었다[4,5]. INS3D는 비압축성 유동 해석 소프트웨어로 우주왕복선 메인 엔진(Space Shuttle Main Engine, SSME) 터보펌프 해석(Fig. 2)에 사용되었다[6]. OVERFLOW와 INS3D는 정렬 격자를 사용해야하기 때문에 격자 생성 난이도가 높은 단점이 있다.

Fig. 1 
NASA SLS supersonic external flow analysis with OVERFLOW [5].

Fig. 2 
Pressure distribution of SSME turbo-pump impeller simulated by INS3D [6].

FUN3D는 비정렬 격자 기반 솔버로 복잡한 형상에 대한 격자 생성이 용이한 장점이 있고 Falcon 9 해석에 사용되었다[7]. SLS 발사 과정의 플룸 및 외부유동 해석(Fig. 3)에 사용되었던 LAVA는 정렬, 비정렬 격자를 혼용할 수 있도록 하여 격자 생성 문제에서 상당히 자유롭고 구조해석 및 음향 해석도 가능하도록 개발된 소프트웨어이다. 연소 및 전자기 해석까지 가능하도록 추가 개발 중인 것으로 알려져 있다[8].

Fig. 3 
Analysis of plume interaction during SLS lift-off using LAVA [8].

NASA의 발사체 해석 소프트웨어를 사용하기 위해서는 미국 정부 기관의 허가가 있어야 가능하다[2]. INS3D를 제외한 대부분이 외부 유동 해석에 사용되는 초음속 압축성 유동 해석 소프트웨어라는 특징이 있다.

Loci/CHEM은 NASA의 후원으로 미시시피 주립대학에서 개발한 소프트웨어이다. Falcon 9 외부 유동 해석[7] 및 Fig. 4의 펜실베니아 주립대학 연소기 해석[9] 등 발사체 관련 해석에 수차례 사용되었다.

Fig. 4 
Temperature contour of Pennsylvania State Univ. combustor using Loci/CHEM [9].

TAU와 TASCOM3D는 독일의 DLR(German Aerospace Center)에서 개발한 소프트웨어로 각각 Ariane-5 외부 유동(Fig. 5[10]) 및 펜실베니아 주립대학 연소기(Fig. 6[11]), 뮌헨 대학 연소기 연소 유동 해석[12]에 사용되었다.

Fig. 5 
Ariane-5 plume analysis using TAU [10].

Fig. 6 
OH mass fraction result of Pennsylvania State Univ. combustor from TASCOM3D [11].

CPS는 프랑스의 Bertin Technologies와 CNES(National Centre for Space Studies)가 공동 개발한 소프트웨어로 Fig. 7의 shock vector control 방식의 초음속 플룸 유동 해석[13]과 MASCOTTE 연소기 해석[14] 등에 사용되었다.

Fig. 7 
Comparison between calculation result using CPS and experiment of shock vector control [13].

AVBP는 프랑스 CERFACS(European Center for Research and Advanced Training in Scientific Computing)의 인하우스 소프트웨어로 뮌헨 대학 연소기 해석[12] 및 BKD 다중 분사기 연소기의 연소 해석(Fig. 8[15])에 사용되었다. EU 국가들의 발사체 해석 인하우스 소프트웨어들은 다수가 연소 반응 해석이 가능하도록 개발된 것이 특징이다.

Fig. 8 
Combustion analysis of BKD multi injector combustor using AVBP [15].

LS-FLOW와 UPACS-LES는 일본 JAXA(Japan Aerospace Exploration Agency)의 인하우스 소프트웨어로 각각 비정렬 격자, 정렬 격자 해석용 소프트웨어로 구분할 수 있다. 둘 모두 발사체의 외부 유동 해석에 적합한 소프트웨어로, LS-FLOW는 Epsilon 및 차세대 로켓의 외부 공력 해석(Fig. 9[16])에, UPACS-LES는 천음속 비행 조건의 로켓 상단 페어링 부근 난류 해석[17]에 사용되었다.

Fig. 9 
Numerical analysis of external flow of Epsilon and NextGenEpsilon in wind tunnel test condition using LS-FLOW [16].

앞서 서술한 해석 사례를 살펴보면, 인하우스 소프트웨어로 각 해석 요소 중 외부 공력과 연소기 반응 유동에 국한되어 많은 개발이 이루진 것을 알 수 있다. 그중 NASA 주도로 개발된 인하우스 소프트웨어는 정렬과 비정렬 격자를 상황에 따라 활용하고 있는 것으로 보인다. 또한 미시시피 주립대학의 Loci/CHEM과 CERFACS의 AVBP가 여러 요소 중 외부 공력과 연소 문제를 해결할 수 있으나 연소문제에 강점이 있는 것으로 보인다. 이외 인하우스 소프트웨어들은 발사체 각 요소 해석에 제한적으로 적용되었다.

Table 1의 ANSYS 이하는 발사체 해석에 사용된 상용 소프트웨어들을 나타낸 것이다. FLUENT Inc.에서 개발되었던 FLUENT는 ANSYS에서 인수하여 판매중인 소프트웨어로 범용 상용 CFD 소프트웨어 중 가장 선호도가 높은 만큼[18] 발사체 해석에서도 많이 사용되었다. FLUENT의 로켓 연소기 해석 사례로는 뮌헨 대학 연소기 해석[12] 및 펜실베니아 대학 연소기 해석(Fig. 10[19]) 등이 있고 외부 유동 해석 사례로는 엔진 시험 설비의 flame deflector 충돌 플룸 해석[20]이 있다.

Fig. 10 
Temperature contour of Pennsylvania State Univ. combustor (a, b, f) FLUENT (c, d) Advance / FrontFlow / red (e) CRUNCH CFD [19].

CFX 또한 ANSYS에서 인수하여 판매하는 범용 유동 해석 소프트웨어의 하나로 로켓 엔진 터보펌프의 설계, 성능 예측에 사용되었다[21].

Advance/FrontFlow/red는 일본의 Advance Soft의 CFD 소프트웨어로 펜실베니아 대학 연소기 해석[19]으로 타 상용 소프트웨어와 비교 검증을 수행하였다.

GASP는 미국 AeroSoft Inc.의 CFD 소프트웨어로 Fig. 11의 Titan IVB 공력 하중 해석[22]에 사용되었다. GASP는 국외용 버전(GASPex)을 무료로 다운로드하여 사용이 가능하나, 국외 버전은 비평형 진동에너지 모델링 등 국내 버전에 탑재된 몇몇 기능이 포함되어 있지 않다.

Fig. 11 
Analysis of Titan ⅣB aerodynamic loading using GASP [22].

CRUNCH CFD^®는 미국 CRAFT Tech의 소프트웨어 중 하나로 JAXA의 실험용 막냉각 연소기[23], LE-X 엔진의 터보펌프(Fig. 12[24]), ARES V, SSME 플룸 해석[25,26] 등 발사체 요소 대부분의 해석에 사용되었다. 상용 소프트웨어 가운데 발사체 해석에 가장 특화되어 있는 소프트웨어로 볼 수 있다.

Fig. 12 
Pressure contour of LE-X engine turbopump impeller using CRUNCH CFD [24].

CFD-ACE+는 미국 CFD Research Corporation에서 개발되었고 ESI에서 인수, 판매 중인 소프트웨어로 EU 후원 ATLLAS 프로젝트 연소기 해석[27] 및 SSME 터보펌프 인듀서 캐비테이션 해석[28] 등에 사용되었다.

NUMECA international의 FINE^™/Turbo는 비압축성 유동 해석 소프트웨어로 Fig. 13의 프랑스 Safran Aircraft Engines(구 Snecma Moteurs) 인듀서 해석[28], SHF 펌프 해석[29] 등 발사체 터보펌프 해석에도 사용되었다. STAR-CCM+는 과거 CD-adapco에서 개발된 소프트웨어로 Ariane 5ECA 외부 유동해석[30]에 사용되었다. 현재는 Siemens가 인수하여 판매 중이다. 상용 소프트웨어들은 대부분 비정렬 격자 기반이며 유동 해석 솔버와 격자 생성 도구를 함께 제공하는 것을 특징으로 볼 수 있다.

Fig. 13 
Change of cavitation areas at Snecma Moteurs four-blade turbopump inducer from FINE^™/Turbo [28].

상용 소프트웨어의 해석 사례를 살펴보면, 인하우스 소프트웨어와 유사하게 발사체 각 요소 해석에 제한적으로 사용되지만 가장 큰 장점으로 그래픽 사용자 환경을 제공하여 일반 연구자도 비교적 쉽게 접근할 수 있다. 그러나 발사체에 국한되어 개발되지 않고 다물리학 문제에 범용으로 이용되는 소프트웨어이기 때문에 발사체 개발에 필요한 기능을 임의로 추가하기에는 한계가 있다. 이와 달리 NASA의 지원으로 개발된 CRUNCH CFD^®는 발사체에 대한 전반적인 해석이 가능한 소프트웨어로 알려져 있다. 특히 엔진의 해석과 함께 시스템적으로 적용할 수 있어 디지털 트윈의 면모를 보여 주고 있다.