다단 로켓 단분리용 선형 화약 폭굉의 구조 응답 특성

Abstract

지속적으로 늘어나고 있는 상용/군용 위성 및 미사일 방어 유도무기 등 최근 개발되고 있는 항공우주 시스템의 임무 특성상 다단으로 구성된 로켓에 대한 수요가 증가하고 있다. 다단 로켓의 중요한 이벤트 중 하나인 단분리에는 일반적으로 파이로테크닉 장치가 활용된다. 파이로테크닉 장치의 동작에는 고폭 화약의 폭굉에 따른 고주파수 대역, 높은 충격레벨 및 매우 짧은 시간의 특성을 가지는 파이로충격이 발생하여, 항공우주 시스템에 탑재된 주요 구성품들에 악영향을 끼칠 수 있다. 본 학위 논문에서는 대표적인 선형 고폭화약 기반 파이로테크닉 장치인 정밀선상성형장약을 활용한 단분리 시스템의 동작 시 발생하는 파이로충격의 전파 및 감쇠 특성을 정량적으로 평가하기 위해 수치해석 기법과 이에 대한 검증시험 방법에 대하여 제안하였다. 수치해석 기법에는 컴퓨팅 자원을 최소화하기 위해, 오일러 요소와 라그랑지 요소의 연성 해석이 가능한 하이드로코드(Hydrocode) 기반 2차원 수치해석과, 고속 충돌 문제에 특화된 외연적 코드(Explicit Code) 기반 단순화된 3차원 수치해석을 통합하는 방법을 제안하였다. 검증시험으로는 정밀선상성형장약의 기폭에 따른 구조물의 충격 응답 특성을 계측할 수 있는 테스트베드를 구성하여, 다단 로켓 구조물을 모사한 시편의 세가지 케이스에 대한 시험을 수행하였으며, 시험 결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 제안된 분석 방법에 대한 유효성을 평가하였다. 수치해석 결과와 검증시험 결과로 획득한 파이로충격 응답 특성의 비교 분석에는 충격응답스펙트럼 선도의 평균 비율에 기반한 정량적 평가 방법을 활용하였다. 검토 결과, 정밀선상성형장약 기반 단분리시스템 동작 시, 구조물 절개부에서 발생하는 파이로충격 충격파는 구조물을 따라 전파되는 거리가 길어질수록 그 충격 응답이 감쇠됨을 정량적으로 확인하였다. 또한 충격파가 전파되는 경로에 불연속 면이 존재하거나, 불연속 면에 이종 재질이 포함되어 있을 경우 추가적인 충격 응답 감쇠 효과가 있음을 정량적으로 확인하였다. 본 연구에서 제안한 방법을 토대로 향후 정밀선상성형장약을 활용한 다단 로켓의 단분리시스템 설계 시, 단분리에 따른 충격 응답 수준에 대해 예상하고 이를 감소시킬 수 있을 것으로 기대된다.