오늘은 Ansys STK EOIR 예제 중 “Hypersonics and EOIR”을 참고하여 진행한 사례를 소개해 드리겠습니다.
이 예제는 극초음속(Hypersonic) 미사일의 EOIR(전자광학/적외선) 센서를 활용한 시뮬레이션을 포함하고 있으며, 극초음속 비행체의 탐지 및 추적을 위한 성능 분석을 제공합니다. STK EOIR 센서를 이용하여 극초음속 미사일이 비행 중 발생하는 열적 특성을 분석하고, 이를 통해 적외선 탐지 시스템의 효율성과 성능을 평가할 수 있습니다.
본 사례를 통해, 극초음속 비행체에 대한 EOIR 센서의 반응과 고해상도 탐지의 가능성을 탐구할 수 있었으며, 광학 시스템과 열 변형의 상호작용에 대한 중요한 통찰을 얻을 수 있었습니다.
시나리오
참고 예제 – Hypersonics and EOIR
시나리오
이번 시나리오는 지표면으로부터 700km 상공을 지나가는 저궤도 큐브샛 위성이, 지상에서 발사된 극초음속 미사일 X-43을 탐지하는 상황을 가정하고 있습니다.
이를 위해 위성에는 중적외선(MWIR) 파장대에서 작동하는 EO/IR(전자광학/적외선) 센서가 탑재되어 있으며, 이 센서는 미사일이 대기 중을 비행하면서 발생시키는 열 신호(적외선 방출)를 감지하는 역할을 합니다. 극초음속 미사일은 마하 5 이상의 속도로 비행하면서 공기와의 마찰로 인해 높은 열을 발생시키기 때문에, MWIR 센서는 이러한 고온 영역을 효과적으로 탐지하고 추적할 수 있습니다.
Hypersonic Missile 구성 단계
항공기 경로 설정 – Aviator
이번 시뮬레이션에서 극초음속(Hypersonic) 미사일의 비행 경로는 Ansys STK의 Aviator 기능을 활용하여 모델링 및 분석하였습니다.
Ansys STK(A Systems Tool Kit)의 Aviator 모듈은 항공기의 비행 임무를 정밀하게 모델링하고 분석할 수 있도록 설계된 기능으로, 특정 비행 경로를 계획하고 항공기의 성능과 동역학을 시뮬레이션할 수 있습니다. 또한, 다양한 환경 변수(기상 조건, 대기 밀도 등) 및 제약 조건(비행 금지 구역, 연료 제한 등)을 적용하여 현실적인 시뮬레이션을 수행할 수 있습니다.
본 시나리오를 구성하는 과정에서 참고한 기존 예제에서는 극초음속 비행체가 항공기에 탑재되어 공중에서 발사되는 방식을 사용하였습니다. 그러나 본 사례에서는 시뮬레이션의 단순화를 위해, 미사일이 활주로에서 직접 이륙하여 비행하는 방식으로 시나리오를 구성하였습니다. 이를 통해 극초음속 미사일의 비행 궤적을 보다 명확하게 분석할 수 있으며, STK Aviator 기능을 활용한 비행 경로 모델링의 적용성을 확인할 수 있습니다.
EOIR Shape – Custom Mesh (각 Part별 Temperature 입력)
또한, Ansys STK를 활용하여 극초음속(Hypersonic) 비행체의 IR(적외선) 데이터를 입력하였습니다. 극초음속 비행체는 마하 5 이상의 속도로 비행하면서 공기와의 마찰 및 압축 가열 효과로 인해 표면 온도가 급격히 상승합니다. 이를 반영하기 위해, 비행체의 각 파트별로 서로 다른 온도 값을 입력하여 보다 현실적인 열 방출 특성을 시뮬레이션하였습니다.
특히, 동체(fuselage), 날개(wings), 엔진부(engine section) 등 주요 부위마다 발생하는 온도가 다르기 때문에, 이러한 차이를 고려하여 적외선 방출 특성을 세밀하게 설정하였습니다. 이를 통해, 극초음속 비행체가 대기 중을 비행할 때 EO/IR(전자광학/적외선) 센서에 의해 탐지될 가능성을 분석하고, 위성 감시 체계에서의 관측 성능을 평가할 수 있도록 구성하였습니다.
위성 시스템 구성 단계(LEO Sat)
LEO SAT 설정 – 저궤도 지표면 700km
위성 시스템의 구성은 Ansys STK의 기능을 활용하여 모델링 및 시뮬레이션하였습니다.
이번 시나리오에서는 지구 표면에서 700km 상공을 지나가는 저궤도(LEO, Low Earth Orbit) 위성을 구현하기 위해, Semimajor Axis(반장축) 값을 7071km로 설정하였습니다. 이는 지구의 평균 반지름(약 6371km)과 위성의 고도(700km)를 합산한 값으로, 위성의 궤도를 정의하는 핵심 매개변수 중 하나입니다.
또한, 위성의 궤도 경사각(Inclination)은 40도로 설정하였습니다. 이는 적도와 위성 궤도 사이의 기울기를 의미하며, 위성이 지구를 공전하면서 도달할 수 있는 위도 범위를 결정하는 중요한 요소입니다.
추가적으로, 시나리오에서 위성의 초기 위치(Initial Position)는 100도로 설정하였습니다. 이는 위성이 궤도를 따라 이동하는 과정에서 특정한 위치에서 시작하도록 정의된 값입니다.
LEO Sat EOIR Sensor 설정 – FOV / Pixel / Wavelength (MWIR)
위성의 광학 시스템은 Ansys STK의 EOIR(전자광학/적외선) 센서 기능을 활용하여 모델링하였습니다.
이를 통해 위성에 탑재된 광학 센서의 시야(Field of View, FOV), 이미지 해상도를 결정하는 픽셀 수(Pixel), 그리고 탐지할 파장대(Wavelength Band)를 설정하였습니다. 이번 시나리오에서는 파장대를 중적외선(MWIR, Mid-Wave Infrared) 영역으로 지정하여, 극초음속 미사일이 비행 중 발생하는 열 신호를 감지하도록 구성하였습니다.
MWIR 대역(약 3~5μm)은 고온 물체에서 방출되는 적외선을 효과적으로 탐지할 수 있는 영역으로, 극초음속 미사일이 대기 중을 고속으로 이동하면서 발생시키는 열 방출을 감지하는 데 유리합니다. 이러한 설정을 통해, 위성이 미사일을 탐지하고 추적할 수 있는 가능성을 평가하고, EOIR 센서의 성능을 분석할 수 있겠습니다.
설정 시나리오에 대한 결과 이미지
시나리오 위성 상부측 Hypersonic 촬영 이미지
FOV 0.002 설정 EOIR 장비의 이미지
해당 이미지는 FOV(Field of View) 0.002로 설정된 EOIR(전자광학/적외선) 장비의 적외선 카메라 촬영 결과입니다.
EOIR 센서는 중적외선(MWIR) 대역에서 작동하도록 설정되었으며, FOV 0.002라는 좁은 시야각을 통해 높은 공간 해상도를 확보할 수 있도록 구성되었습니다. 이는 먼 거리에서도 작은 물체를 선명하게 감지할 수 있도록 설계된 설정으로, 극초음속 미사일과 같은 고속 이동체를 효과적으로 탐지하고 추적하는 데 유리합니다. 해당 이미지에서는 미사일이 비행 중 발생하는 열 방출 특성이 반영되어 있으며, EOIR 센서의 성능 평가 및 극초음속 미사일 탐지 가능성을 분석하는 데 활용될 수 있습니다.
FOV 0.01 설정
다음 이미지는 동일한 EOIR(전자광학/적외선) 시스템에서 FOV(Field of View)를 0.01로 설정한 결과입니다.
이전 이미지에서는 FOV 0.002로 설정하여 좁은 시야각을 통해 높은 공간 해상도를 확보한 반면, 이번 이미지는 FOV를 0.01로 확대하여 더 넓은 영역을 한 번에 관측할 수 있도록 구성되었습니다.
FOV가 증가하면 더 많은 영역을 감시할 수 있는 장점이 있지만, 개별 목표물의 해상도가 낮아지는 단점이 발생합니다. 따라서, 이번 이미지는 보다 넓은 탐지 범위를 확보하면서도, 목표물의 열 신호를 효과적으로 감지할 수 있도록 하는 최적의 설정을 찾기 위한 실험적인 분석 과정의 일부입니다.
Zemax Data 위성 EOIR 연계
지금까지는 Ansys STK에서 제공하는 이상적인 광학 정보를 바탕으로 결과를 분석하였습니다. 하지만 이제 Ansys Zemax를 활용하여 실제 광학 렌즈 설계를 진행할 예정입니다. Zemax는 광학 설계 및 분석을 위한 강력한 도구로, 렌즈의 성능과 특성을 보다 세밀하게 모델링할 수 있습니다.
또한, 렌즈의 열 구조 해석을 통해 얻은 추가 정보를 적용하여, 광학 시스템이 실제 환경에서 발생할 수 있는 열 변화에 어떻게 반응하는지 분석할 계획입니다. 이를 통해 렌즈의 열적 영향을 고려한 최적화된 설계를 수행하고, 실제 운용 환경에서의 성능을 더욱 정확하게 예측할 수 있을 것입니다.
Ansys STK EOIR
EX. Ritchey-Chrétien
CubeSat의 설계는 Zeamx Community (Using Ansys Zemax to Develop a CubeSat System) 에 올려져 있는 내용을 참고하여 설계했습니다.
자료를 참고하여 광학 시스템은 Ritchey-Chrétien 방식의 비축분할 반사망원경(Off-axis Segmented Reflective Telescope)을 채택하였습니다.
Ritchey-Chrétien 방식은 광학 시스템에서 왜곡을 최소화하기 위해 널리 사용되는 설계 방식입니다. 이 방식은 두 개의 곡면 거울을 사용하여 초점에서의 수차를 줄이고, 왜곡과 구면수차를 보정하여 더욱 선명한 이미지를 제공합니다. CubeSat의 제한된 크기와 무게 조건에서 Off-axis 구조는 중심 광축을 제외한 경로로 빛을 반사시켜, 광학 경로의 간섭을 줄이고 설계 효율을 높이는 데 유리합니다.
EX. Off-axis segmented reflective telescope
비축분할 설계는 반사망원경을 여러 개의 세그먼트로 나누어 각 세그먼트가 독립적으로 움직이며 빛을 반사하도록 한 방식으로, 특히 CubeSat 같은 소형 위성에서 공간 제약을 극복하는 데 적합합니다. 각 세그먼트가 독립적으로 작동함으로써, 전체 광학 시스템의 성능을 최적화할 수 있습니다. 이러한 설계는 고해상도 이미징 및 적외선 관측에 유리하며, CubeSat 미션의 특성에 맞춰 소형화와 성능을 동시에 고려한 선택입니다.
CubeSat Optical System
이 CubeSat의 광학 시스템은 3U CubeSat 표준 형태에 맞춰 설계되었습니다. 시야(Field of View)를 최대화하기 위해, 두 개의 하이퍼볼릭 반사경(Hyperbolic Mirrors)을 사용하였습니다. 이 설계는 보다 넓은 시야를 제공하면서도, 제한된 공간 내에서 고해상도 관측을 가능하게 합니다.
Mirror 1의 크기는 80mm x 80mm, Mirror 2는 41mm x 24mm 크기로 설정하였습니다.
이러한 하이퍼볼릭 반사경 구성은 빛을 정확하게 반사시키고, 구면수차를 최소화하는 데 유리하여, CubeSat 시스템에서 고성능 광학 이미징을 제공할 수 있습니다.
Ansys Zemax Analysis 기능
이 CubeSat 광학 시스템은 지구 저궤도(700km)에서 고해상도 관측을 수행하도록 설계되었습니다. 이를 위해, 초점 거리가 685mm인 하이퍼볼릭 반사경을 사용하여, 고도의 해상도를 유지하면서도 효율적인 관측을 가능하게 합니다.
초점 거리 685mm는 렌즈의 초점 거리를 최적화하여 광학 성능을 극대화할 수 있는 값으로, CubeSat이 지구 표면과 우주 환경에서 세밀한 관측을 수행할 수 있도록 지원합니다. 이 값은 저궤도에서의 제한된 공간 내에서 광학 성능을 최대화하는 데 유리한 설정입니다.
Lens 형상 위성 모델에 탑재
앞에서 디자인한 렌즈 정보를 바탕으로, 위성 구조체와 연계하여 열 구조 해석을 진행하였습니다.
이 과정에서는 위성의 광학 시스템과 열 관리 시스템이 상호 작용하는 방식을 모델링하여, 렌즈 및 기타 광학 부품에 미치는 열적 영향을 분석하였습니다. 렌즈의 초점 거리, 크기, 재질 특성 등과 같은 정보를 반영하여, 위성의 구조체와 광학 시스템이 우주 환경에서 발생할 수 있는 온도 변화에 어떻게 반응하는지 시뮬레이션 하였습니다.
열 구조 해석을 통해, 광학 시스템의 성능 저하를 방지하고 위성의 온도 분포와 열 관리를 최적화할 수 있는 중요한 정보를 도출할 수 있었습니다. 이 해석은 열 변형, 열 균형을 유지하고, 위성의 안정적인 운용을 확인하기 위한 과정입니다.
Thermal Condition Result
(저궤도 위성이 운영되는 온도 가정하여 열 변형 해석)
중력 가속도 작용 Result
(지상에서의 중력 작용 고려한 구조 해석)
Pressure 작용 Result
(지상과 저궤도에서의 압력 차이 -0.1 MPa 구조 해석)
열 해석과 구조 해석을 진행한 결과, 온도 변화에 따라 렌즈 사이의 거리(Z축)에서 큰 변위가 발생하는 것을 확인하였습니다. 이는 열적 변형이 시스템의 정밀도와 성능에 중요한 영향을 미친다는 것을 의미합니다.
이 문제를 해결하기 위해 재질을 변경하여 열적 변형을 더 효율적으로 제어할 수 있는 시스템을 설계하였습니다. 이와 같은 구조체 재질 변경은 열 팽창 계수를 고려하여 열 변형이 최소화되도록 하는 데 중요한 역할을 하였으며, 이를 통해 위성의 광학 시스템이 우주 환경에서 보다 안정적으로 작동할 수 있도록 했습니다.
LEO Sat EOIR Sensor 이미지 (FOV : 0.002)
지금까지 구성한 광학 시스템을 Ansys STK의 EOIR 센서를 사용하여 결과 이미지를 확인한 내용입니다.
첫 번째 이미지는 STK에서 기본적으로 제공하는 이상적인 광학 시스템을 바탕으로 생성된 결과 이미지입니다.
두 번째 이미지는 Ansys Zemax에서 이상적으로 설계한 렌즈 정보를 반영한 결과로, 렌즈 설계가 이상적인 상태에서의 성능을 보여줍니다.
세 번째 이미지는 Zemax에서 설계한 렌즈에 열변형이 발생한 경우를 반영한 이미지로, 열변형으로 인해 초점이 흐려지고 물체가 비정상적으로 확대된 모습을 확인할 수 있습니다.
네 번째 이미지는 열변형이 발생한 렌즈의 구조체 재질을 변경하여 최적화된 렌즈 정보를 반영한 이미지로, 이상적인 성능을 회복한 결과를 보여줍니다.
이 이미지를 비교해 보면, 첫 번째와 두 번째 이미지는 유사한 결과를 보이며, 렌즈 설계가 이상적일 때 성능이 비슷하게 나타납니다. 하지만 세 번째 열변형 이미지에서는 초점이 흐려지고 물체가 크게 표현되는 현상이 발생하였으며, 이는 열적 변형이 광학 시스템에 미치는 영향을 보여줍니다. 마지막으로, 네 번째 이미지는 구조체 재질을 변경하여 열변형을 최적화한 렌즈 시스템이 반영되어, 첫 번째와 두 번째 이미지보다 더욱 선명하고 또렷한 결과를 제공합니다. 이 결과는 열적 영향을 최소화한 설계가 성능을 개선한다는 중요한 정보를 시사합니다.
LEO Sat EOIR Sensor SNR Graph (FOV : 0.002)
앞서 진행한 EOIR 센서의 SNR (Signal to Noise Ratio) 값을 확인하였습니다.
SNR은 센서가 수신하는 신호(Signal)와 잡음(Noise)의 비율을 나타내며, 이 값이 높을수록 센서의 성능이 우수하다는 의미입니다. SNR 값이 높을수록 센서는 더 명확하고 정확한 신호를 수신할 수 있으며, 잡음이 적어 원하는 정보를 더 정확하게 감지할 수 있습니다. 따라서, EOIR 센서의 SNR을 분석하면 광학 시스템의 성능뿐만 아니라, 미사일 탐지 및 추적 능력을 보다 효과적으로 평가할 수 있습니다.
LEO Sat EOIR Sensor SNR Graph (Time Step : 10)
4개 센서의 SNR(Signal to Noise Ratio) 값을 비교 분석한 결과입니다.
검은색 그래프는 Zemax에서 이상적으로 모델링한 광학 시스템의 SNR 값을 나타냅니다. 이는 이상적인 조건에서의 성능을 보여주며, 최초의 설계에 기반한 결과입니다.
분홍색 그래프는 열변형 후 최적화까지 완료한 최종 광학 시스템의 SNR 값을 나타냅니다. 이 그래프에서 볼 수 있듯이, 최적화된 시스템은 초기 모델링보다 성능이 향상되어 더 높은 SNR 값을 보입니다.
SNR 값을 비교해 보면, 최적화된 광학 시스템이 초기 이상적인 시스템보다 더 높은 성능을 제공하는 것을 확인할 수 있습니다.
연두색 그래프는 STK에서 제공하는 이상적인 광학 시스템의 SNR 값으로, 이상적인 조건에서 측정된 값입니다. STK에서 제공하는 이상적인 시스템이므로 높은 SNR 값을 기록하며, 이는 이론적 성능을 나타냅니다.
노란색 그래프는 열변형 된 렌즈 정보를 반영한 결과의 SNR 값입니다. 이 값이 STK 제공 광학 정보보다 높게 나온 이유는, 렌즈 열변형으로 인한 신호 증가에도 불구하고, 단순한 시나리오 구성으로 인해 노이즈가 다른 광학 시스템과 동일하게 입력되었기 때문으로 분석됩니다. 따라서, 열변형이 일부 신호를 증가시키긴 했지만 여전히 시나리오의 간소화로 인해 이상적인 시스템의 성능을 초과할 수 있었던 것으로 판단됩니다.
지금까지의 결과를 살펴보면, 열변형이 발생한 렌즈의 구조체 재질을 변경하여 최적화된 렌즈 정보에서 IR 이미지가 뚜렷하게 나타났으며, 열변형 된 렌즈 정보만을 반영한 시스템에서 SNR 값이 높게 나왔습니다. 이는 광학 시스템의 선택 기준에 따라 두 시스템 중 하나가 적합하게 사용될 수 있음을 의미합니다.
만약, 위성에서 특정 영역을 감지하면서 IR Data 발생 확인이 중요한 경우에는 SNR이 높은 광학 시스템이 더 적합할 것입니다. 반면, IR Data에서 물체의 형상까지 뚜렷하게 파악해야 하는 경우에는 열변형 후 최적화된 광학 시스템이 더 효과적일 것입니다.
다만, 일반적으로 열변형 된 렌즈 정보만을 반영한 시스템은 SNR 값이 낮게 나오는 것이 일반적입니다. 하지만, 이번 시나리오에서는 단순한 구성으로 인해 노이즈가 적고 SNR이 높게 나온 것으로 보입니다. 따라서, 현재 시나리오에서는 최적화된 광학 시스템이 가장 좋은 결과를 보였다고 할 수 있겠습니다.
Ansys STK는 Ansys Zemax와 연계하여 광학 시스템의 해석과 평가를 수행할 수 있습니다.
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