UCAV의 피탐지성 최소화를 위한 Single Serpentine Nozzle 형상 최적설계

Abstract

UCAV는 전장에서 다양한 임무를 완벽하게 수행하고 이탈할 때까지 생존성을 확보하는 것이 중요하다. 특히 임무 수행 후 이탈할 때, 항공기의 배기가스 플룸에서 발생하는 IR 신호는 적의 IR 탐지기에 추적되어 생존성을 위협한다. 본 연구에서는 항공기 엔진에 적용되는 단일 S형 노즐의 피탐지성이 최소가 되도록 형상 최적설계 연구를 진행하였다. 3차원 Reynolds-Averaged Navier-Stokes 지배 방정식으로 열유동장 해석을 수행하였고, Narrow-band Model을 사용하여 노즐 후방에서 발생하는 적외선 신호 해석에 대해 방위각 및 고도각에 따라 IR 신호를 예측하였다. 최적설계의 목적함수는 IR 신호 최소화로 설정하였고, 설계변수는 노즐의 형상을 변형시키는 6개의 설계 인자로 선정하였다. 설계 과정에서 목적함수의 반복적인 평가는 크리깅 근사모델로 대체하였고, 유전자 알고리즘을 통해 최적 노즐 형상을 도출하였다. 최적의 설계변수를 적용하였을 때, 최적 노즐 형상이 초기 노즐 형상 대비 IR 신호 최댓값 기준 방위각에서는 10.3%, 고도각에서는 약 83.6% 감소하였다.

Ensuring survivability of unmanned combat aerial vehicle (UCAV) is important to complete various missions in a battlefield environment. In particular, the infrared signal emitted from the exhaust gas plume of UCAV is tracked by infrared detectors, and it is one of the major threats to UCAV survivability. To solve this problem, a serpentine nozzle has been developed to reduce the observability of infrared signals. In this study, a shape design optimization of the single serpentine nozzle is performed to minimize the infrared signals. The design optimization framework proposed in this paper consists of three major parts: nozzle flow simulation, narrow-band model, and gradient-free optimization algorithm. Reynolds-averaged Navier-Stokes simulation is used to predict the propulsive performance and flow field around the single serpentine nozzle at the ground condition. Infrared signature characteristics are calculated using the narrow-band model. The Kriging surrogate model is used to construct the response surface that provides fast approximations of time-consuming function evaluation, and a genetic algorithm is used to find the optimal solution. The objective function is to minimize the infrared signal and six design factors are defined as the design variables that deform the shape of nozzle. As a result of shape optimization, 10.3% and 83.6% of the maximum infrared signal reduction are achieved in the azimuth and altitude angles, respectively, compared to the baseline nozzle.