The usage of composite materials in space structures are being expanded due to its excellent properties, but the problem of maintenance and management of composite material structures in the harsh space environment is still left unsolved. Low Earth orbit space structures experience gradual property degradation and damage in the exposed structural surface due to high-degree vacuum, ultraviolet radiation, thermal cycling, and atomic oxygen. In order to perform soundness monitoring using FBG sensors, appropriate separation technique of the strain and temperature is required in LEO’s thermal cycling with a range of $-150\degC \sim 150\degC$. The characteristics of FBG sensors and composites embedded FBG sensors from the harsh environment are studied to distinguish the real structural signals from all signals under LEO environment. And the impacts of small space debris or meteorites are considered to monitor damage in a short time period with in space.
In this study, the study about the design of the FBG sensor head was carried out to separate strain and temperature simultaneously for structural health monitoring under the thermal cycle of low earth orbit space environment. The sensor head is formed by two adjacently located FBGs- a normal and a reverse index FBG-fabricated without fiber splicing by different laser exposure. It has some merits of the possibility of multiplexing and embedment, the simplicity of the measurement system, which is similar to that of commercial systems, higher reliability with no splicing, and measurement of the reflection of Bragg wavelength. The characteristics of FBG sensors and composites from the harsh environment were studied to distinguish the real structural signals from all signals under LEO environment. FBG sensors were embedded into the graphite/epoxy composite specimen. Through aging cycles simulating the LEO environment, the decreased range of wavelength change was compared with the degradation of material properties of graphite/epoxy composites. The impact location was detected using FBG sensors integrated with a composite panel structure with constant thickness. The neural network theory was used for the detection of the impact location and various signal processing techniques were used to determine the arrival time of the leading wave caused by the impact.
복합재료의 뛰어난 성능으로 인하여 복합재료가 우주구조물에 사용되는 부분이 확대되고 있는 실정이지만, 척박한 우주환경에서 복합재료 구조물의 성능을 유지/관리해야 과제가 남겨져 있다. 지상 구조물과 달리 우주구조물은 높은 안정도를 무작정 높여 설계할 수도 없으며, 손상되어 문제 발생시 수리를 하기 힘들다. 따라서, 우주구조물의 설계를 최적화 한 후, 구조물의 건전성 진단기술을 도입해야 한다. 지구저궤도 (LEO, Low Earth Orbit) 우주구조물은 고 진공(High vacuum), 자외선 복사 (Ultraviolit radiation), 열적 사이클 (Thermal cycling), 원자산소 (Atomic oxygen), 작은 입자 (Space debris)나 운석 (Meteorite) 등의 척박한 환경적 요인에 노출되어 있다. 지금까지의 연구는 복합재료 구조물의 물성저하 및 손상의 발생을 지연시키는 방법과 물성의 저하를 측정하는 수동적인 단계에 머물러 있다. 그러나, 복합재료와 일체화가 가능하고, 다중화가 가능한 FBG (Fiber Bragg Grating) 센서의 구조 건전성 기술이 적용된다면, 손상발생시 능동적으로 대체할 수 있는 방식을 찾을 수 있게 된다.
먼저, 저궤도 우주 환경에서 열적 사이클 받는 구조물이 적절히 구조 건전성 모니터링을 하기 위한 변형률과 온도를 동시에 분리해 낼 수 있는 FBG 센서에 대한 연구가 진행되었다. FBG 반사 파장과 역 굴절률 FBG 센서를 하나의 센서라인에 만드는 시스템을 제안하였다. 역 굴절률 FBG 센서의 해석적인 분석과 강도평가를 수행하였으며, 제안된 센서 시스템을 $-150\degC \sim 150\degC$ 온도범위 내에서 성능 평가를 수행하였다. 제안된 센서 시스템은 민감도 측면에서 우월한 센서 시스템으로 평가할 수 있으나, 한 라인에 다중화가 가능하다는 점, 측정 시스템을 기존의 상용 FBG interrogator를 사용할 수 있을 정도로 단순하다는 점, 복합재료 구조물에 삽입성이 좋다는 점, 그리고 접합부가 없어 강도저하가 적다는 점 등의 장점을 가지고 있다.
저궤도 우주환경의 고 진공, 자외선 복사, 열적 사이클, 원자산소 영향을 고려하여 FBG 센서의 특성을 파악하는 실험을 수행 하였다. 또한, FBG센서를 삽입한 복합재료 판재를 우주환경에 노출하는 예비실험을 수행하고, 개발된 변형률과 온도의 분리가 가능한 FBG 센서 해드를 복합재료에 삽입하여 복합재료의 물성저하를 건전성 모니터링기법과 비교 분석하였다.
우주환경에서 운용중인 구조물은 우주 공간내의 작은 입자나 운석에 의한 충격으로 파손될 위험이 있다. 본 연구에서는 두께가 일정한 복합재 평판 구조물에 일체화된 FBG센서를 이용하여 충격위치가 검출되었다. 충격위치의 검출을 위해 신경망이론 (Neural networking)이 이용되었으며, 충격에 의한 선행파 (Leading wave)의 도착시간 (Arrival time)을 결정하기 위한 다양한 신호처리가 이용되었다.
