Space Impact Shielding System is a very important design criterion for space structures because of the inherent risk of impact from micrometeoroid and Orbital Debris (MMOD). There exists a constant demand to improve the shielding performance of the system with an increasing number of space debris particles, in the millions that poses a serious threat in survivability of space structures, and the growing involvement of space agencies and private companies in space. Nanocellular foams, open celled thermoplastic foams in the order of 10 nm-1 µm, have been gaining substantial interest because of significant improvement in material properties over conventional and microcellular foams. The improved properties in nanocellular foam make it an excellent material to be used in space applications for the shielding system, however, any literature on performance of nanocellular foam for space impact shielding does not exist. Therefore, this study investigated the impact performance of nanocellular foam for space debris impact. The application of the nanocellular foam reinforced with a Kevlar fabric in the back bumper of a shielding system was studied. Additionally, the performance of the fabrics in a fabric bumper by varying the degrees of freedom for hypervelocity impact performance is studied. Finally, a composite hybrid fabric bumper with the improved fabric bumper and reinforced nanocellular foam for the back bumper in a whipple shield design was proposed and investigated.
The effectiveness of varying the degree of freedom of the fabric system by introducing a space between fabric layers (interspaced) and changing the boundary condition of the fabric layers (free-boundary) were studied. Both the Interspaced fabric system and the free-boundary fabric system were observed to increase the energy absorption of the back bumper over the conventional fabric system at hypervelocity impact speed of 3.8 km/s, effectively improving the shielding efficiency, with the Interspaced fabric system having the maximum efficiency. A hybrid fabric system incorporating the interspaced and free-boundary fabric systems was designed based on observations, and was studied for hypervelocity impact protection at different impact velocities. The effect of the hybrid fabric system was negligible at lower velocities where the degree of fragmentation is minimal. However, the designed hybrid fabric system exhibited superior shielding performance at higher impact velocities with its efficiency increasing as the impact velocity increases.
Uniform nanocellular open celled PEI foams were manufactured successfully with cell sizes between 50-100 nm using a two-step solid state foaming process. The impact performance of nanocellular foams were compared with solid PEI film for the same areal density. Impact experiments showed increase in the energy absorption in the nanocellular foams validating its potential use for space impact shielding. An optimal curing cycle for manufacturing Kevlar/PEI composite at 250 ℃ was determined such that there was no loss of mechanical properties in the Kevlar fabric after the exposure to elevated temperature. Hypervelocity impact experiments were conducted between 3-4 km/s on the reinforced nanocellular foam composites as the back bumper in a whipple shield and was compared with the conventional fabric back bumper system. Experiments showed that the shielding performance of the reinforced nanocellular foam composite bumper system was significantly increased as a result of improved energy absorption by the nanocellular foam compared to conventional fabric system, with its efficiency also increasing as the hypervelocity impact speeds increased. Finally, the hybrid composite bumper with initial layers with interspaced and free boundary fabrics and later layers with reinforced nanocellular foams was successfully investigated as a back bumper of a whipple shield design for hypervelocity impact resistance.
우주 충돌 보호 시스템은 미소유성체(MMOD, Micro-Meteoroid and Orbital Debris)의 내재하는 위협 때문에 우주 구조물의 매우 중요한 설계 기준이 된다. 최근에는 다양한 기관들과 민간 우주 시장의 확대로 우주 구조물의 생존성에 위협이 되는 우주 파편의 수가 증가하고 있으며, 이 때문에 우주 시스템의 충돌 보호 성능 개선이 요구되는 상황이다. 이에 본 연구에서는 나노 셀 폼을 이용한 위플 쉴드 설계가 제안되었다. 나노 셀 폼은 10 nm에서 1 µm 크기의 개방형 셀을 갖는 열가소성 폼으로, 기존의 폼과 미세 셀 폼에 비해 우수한 물성을 갖기 때문에 최근 관심이 증가되고 있는 재료이다. 이러한 나노 셀 폼은 개선된 물성을 갖기 때문에 우주 구조물 보호 시스템 적용에 유망한 재료이다. 하지만 아직까지 나노 셀 폼의 충돌 보호 시스템에 대한 연구는 부족한 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 우주 파편 충돌 보호를 위한 나노 셀 폼의 충돌 성능에 대해 분석이 수행되었다. 이를 위해 보호 시스템의 뒷 범퍼 층에 케블라 직물로 강화된 나노 셀 폼이 적용되었다. 또한, 직물 범퍼 층의 자유도를 변화시킴으로써 직물의 초고속 충돌 성능에 대한 연구가 수행되었다. 마지막으로 개선된 직물 범퍼 층과 강화된 나노 셀 폼으로 구성된 하이브리드 복합재료 직물의 위플 쉴드 뒷 범퍼 구조로의 적용이 제안되고 분석되었다.
본 연구의 첫번째 장에서는 직물 층 간의 공간(간격)을 적용하고 직물 층의 경계 조건(자유 경계)을 변경하는 직물 시스템의 자유도 변화에 대한 효과가 연구되었다. 그 결과, 간격이 있는 직물 시스템과 자유 경계 직물 시스템은 모두 3.8 km/s의 초고속 충돌에서 기존 직물 시스템 보다 뒷 범퍼의 에너지 흡수 정도가 증가되었다. 이로 인해 보호 효과도가 증가되었다. 특히 간격이 있는 직물 시스템에서 최대 효과도가 관찰되었다. 그리고 이러한 관찰을 바탕으로 간격이 있으며 자유 경계 직물 시스템을 갖는 하이브리드 직물 시스템이 설계되었다. 그리고 서로 다른 충돌 속도에서 초고속 충돌 보호에 대한 연구가 수행되었다. 분석 결과 파편화 정도가 최소가 되는 낮은 속도에서는 하이브리드 직물 시스템의 효과는 미미했지만, 설계된 하이브리드 직물 시스템은 더 빠른 충돌 속도 영역에서 충돌 속도가 증가할 수록 효과도가 증가하는 우수한 보호 성능을 보여주었다.
본 연구의 두번째 장에서는 2단계의 고체 상 발포 공정을 통해 50–100 nm의 균일한 셀 크기를 갖는 개방형 나노 셀 PEI 폼이 성공적으로 제작되었다. 그리고 같은 면 밀도를 갖는 고체 상태의 PEI 필름과 나노 셀 폼의 충돌 성능이 비교되었다. 충돌 실험 결과 나노 셀 폼에서 에너지 흡수 증가가 확인되었으며, 이를 통해 우주 보호 쉴드로서의 적용에 대한 잠재성이 입증되었다. 또한 고온 노출에도 케블라 직물의 기계적 물성 저하가 없는 케블라/PEI 복합재료 제작을 위한 최적의 250 ℃ 경화 사이클이 결정되었다. 위플 쉴드의 뒷 범퍼 층에 강화된 나노 셀 폼을 사용하여 3~4 km/s의 초고속 충돌 실험이 수행되었으며, 기존의 직물로 구성된 뒷 범퍼 층 시스템과 비교되었다. 실험 결과 기존의 직물 시스템과 비교하여 강화된 나노 셀 폼 복합재에서 개선된 에너지 흡수 정도가 확인되었으며, 이를 통해 보호 성능의 증가가 확인되었다. 또한 초고속 충돌 속도가 증가함에 따라 그 효과도가 함께 증가되는 것이 확인되었다. 마지막으로 초고속 충돌 저항성 분석을 위해 초기 층은 간격과 자유 경계 조건이 적용된 직물이, 이후 층에는 강화된 나노 셀 폼으로 구성된 하이브리드 복합재 범퍼의 위플 쉴드의 뒷 범퍼 층으로서의 사용에 대한 연구가 수행되었다.
