The drag force acting on an object during operation, attitude control and re-entry of a very-low-altitude satellite is a major variable. Therefore, research on the measurement of high-altitude drag in the hypersonic region has been conducted for the past several decades. In particular, spherical drag coefficient measurement is being studied from continuum flow to rarefied flow. In the hypersonic region, the spherical shape ranges from 0.92 in continuum flow to 2.0 in free molecular flow. In this study of the spherical shape, the spherical drag was measured according to the altitude of 50 km to 90 km using a shock wave tunnel with a Mach number 8 nozzle. For flow diagnosis, Rayleigh supersonic pitot rake diagnosis and shock stand-off distance measurement using Schlieren were used. The similarity according to each altitude was used as the Knudsen number. Decreasing the Reynolds number is used to increase the Knudsen number in the flow between the continuum flow and the slip flow. Reduction of Reynolds number proceeded through change of flow condition and reduction of sphere diameter. The drag force measurement technique was carried out using an accelerometer. The accelerometer was installed freely to move in the axial direction by using a linear ball bush. Accelerometers use a linear response function to convert acceleration into force. The force was measured by using the linear deconvolution of the linear time-invariant function obtained through dynamic correction. As a result, it can be confirmed that the drag coefficient increases with the increase of the Knudsen number. The measured experimental results were compared with computational fluid dynamics and theoretical values, and drag coefficient measurements were performed within the error range.
초저고도 인공위성의 운영, 자세 제어 및 재진입 시 물체에 작용하는 항력은 가장 주요한 변수이다. 따라서 지난 수십 년간 극초음속 영역에서 고도에 따른 항력 측정 연구가 진행되어 왔다. 특히 구 형상 항력계수 측정은 연속체 유동부터 희박기체 영역에 대한 연구가 진행되고 있다. 극초음속 영역에서 구 형상은 연속체 유동에서 0.92부터 자유 분자 유동에서의 2.0까지의 값을 가지고 있다. 본 연구는 마하수 8 노즐을 가지고 충격파 터널을 이용하여 50 km ~ 90 km 고도에 따른 구 항력 측정을 진행하였다. 유동 진단을 위해 레일리 초음속 피톳식의 레이크 진단과 슐리렌 이미지를 이용한 충격파 이탈 거리를 사용하였다. 각 고도에 따른 상사성은 크누센 수를 이용하였다. 연속체 유동과 미끄럼 흐름 사이 유동에서 크누센 수를 증가하기 위해 레이놀즈 수의 감소를 이용하였고, 이는 유동 조건의 변화와 구 직경 감소를 통해 진행했다. 항력 측정 기법은 가속도계를 사용하여 항력 측정을 진행하였다. 리니어 볼부쉬를 이용하여 가속도계가 축 방향으로 이동이 자유롭게 설치하였다. 가속도계는 선형 응답 함수를 통해 가속도를 힘으로 변환을 사용하였다. 동적 보정을 통해 구한 선형 시불변 함수를 선형 역합성곱을 이용해 힘을 측정하였다. 그 결과 크누센 수 증가에 따라 항력계수가 증가함을 확인할 수 있다. 측정한 실험 결과는 전산유체 역학과 이론값과 비교 분석을 진행하여 오차 범위 내에 있는 것을 확인하였다.
