우주용 하이브리드 샌드위치 쉴딩 시스템의 초고속 충돌 해석

Abstract

우주의 관심이 증가함에 따라 MMOD(MicroMeteoroid and Orbital Debris)의 양도 자연히 증가하게 되었다. MMOD의 급격한 증가는 우주 구조물에 큰 위협이 되고 있다. 그 이유는 아무리 작은 크기의 MMOD라 할지라도 7-80km/s의 속도로 움직이기 때문에 우주 구조물에 큰 피해를 입히게 된다. 따라서 이러한 피해를 줄이기 위해 다양한 쉴딩 시스템이 제안되고 있다. 그러나 가장 기본적인 위플 쉴드에는 몇 가지 단점이 존재한다. Stand-off로 인한 부피의 증가와 새로운 Debris의 발생 등이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 본 연구에서는 stand-off가 없는 새로운 디자인의 쉴딩 시스템을 제안하였다. 제안된 쉴딩 시스템은 세 개의 층으로 구성되어 있다. 첫 번째 층은 고강도와 고강성을 갖는 CFRP로 구성되어 있다. 두 번째 층에 위치한 케블라는 좋은 방탄 특성을 가지고 있다. 세 번째 층은 폴리머 판을 사용하였다. 본 연구에서는 중간층에 삽입한 케블라에 자유경계조건을 적용하였다. 제안된 쉴딩 시스템은 자유경계조건을 적용한 직물의 풀아웃 현상에 의한 마찰 에너지 증가라는 새로운 에너지 흡수 메커니즘을 적용하였다. 본 연구에서는 반복 실험에 대한 비용을 줄이기 위해 신뢰할 수 있는 해석 방법을 제안하였다. 첫 번째로 각각의 재료에 대한 충돌 거동 특성을 해석을 통해 알아보았다. 제안된 쉴딩 시스템에 사용된 재료는 아니지만 기존의 위플 쉴드 등에 사용된 알루미늄 재료에 대해서도 충돌 해석을 수행하였다. 다시 말해, 알루미늄, CFRP, 케블라, 폴리머에 대해 각각 충돌 해석을 수행하였다. 쉘 요소를 이용하여 모델링한 알루미늄과 CFRP 평판의 충돌 해석 결과는 약 1km/s의 범위에서 실험 결과와 비슷함을 볼 수 있다. 또한, 한 장과 네 장을 적층한 케블라를 이용하여 충돌 거동을 비교해보았다. 해석 결과, 한 장의 직물은 실험 결과와 비슷하지만 네 장을 적층한 직물은 실험과 조금 다른 결과를 보였다. 자유경계조건을 가진 한 장의 직물과 폴리머 판으로 이루어진 샌드위치 구조의 충돌 거동을 확인해 보았다. 실험에서 보인 것과 같이 클로버 모양의 풀아웃 현상과 구김 현상을 해석에서도 유사하게 확인할 수 있었다. 또한, 자유경계조건의 직물이 고정된 경계조건의 직물보다 약 2배의 더 좋은 에너지 흡수율을 갖고 있음을 볼 수 있었다.