Due to the mission characteristics of recently developed aerospace systems such as commercial/military satellites and missile defense guided missiles, the demand for the multi-stage rocket is continuously increasing. In general, a pyrotechnic device is used for stage separation of a multi-stage rocket, which is one of the important events for the entire mission. The operation of the pyrotechnic device for the stage separation is accompanied by generation of the pyroshock, which has characteristics of the high frequency range, the high acceleration level, and the very short duration, according to the detonation of a high explosive charge. It is reported that the pyroshock may adversely affect major components mounted in the aerospace system.
In this dissertation, the numerical analysis technique and its verification tests are performed to quantitatively evaluate the propagation and attenuation aspects of the pyroshock generated by the operation of the stage separation system using the precision linear shaped charge (PLSC), which is a representative linear shaped high explosive based pyrotechnic device. In order to minimize computing resources, we suggested the integration of the hydrocode based two-dimensional numerical analysis that can perform coupled analysis of Euler elements and Lagrangian elements, and explicit code based simplified three-dimensional numerical analysis that is specialized for highspeed collision problems. For the verification tests, a test-bed for measurement of the pyroshock response characteristics in the aerospace structure according to the detonation of the PLSC was constructed, and three cases of specimens simulating a multi-stage rocket structure were tested. The effectiveness of the suggested analyzing method was evaluated by comparing results from the numerical and experimental data. A quantitative evaluation method based on the average shock response spectrum ratio was used for comparison of the pyroshock response data obtained from the numerical analysis results and the verification test results.
As a result, it was quantitatively confirmed that the PLSC operation generates the pyroshock wave from the cut-out of the target plate. And the pyroshock response level decreases as the distance from the cut-out of the target plate increases. In addition, it was quantitatively confirmed that there is the additional pyroshock attenuation effect when there is a discontinuous surface in the path of the shockwave propagation or when a different material is included in the discontinuous surface. Based on the method proposed in this study, it is expected that the shock response level due to the stage separation can be predicted and reduced when designing a stage separation system for a multi-stage rocket using PLSC in the future.
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.
