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우주용 하이브리드 샌드위치 쉴딩 시스템의 초고속 충돌 해석 = Hypervelocity impact analysis of hybrid sandwich shielding system for space use
서명 / 저자 우주용 하이브리드 샌드위치 쉴딩 시스템의 초고속 충돌 해석 = Hypervelocity impact analysis of hybrid sandwich shielding system for space use / 손유나.
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2011].
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The amount of MMOD(MicroMeteoroid and Orbital Debris) has increasing naturally as an interest of space is increasing. The rapid increment of MMOD has become a big threat to space structures because MMOD is very critical to spacecraft even though small size due to its hypervelocity(7-80km/s). Various shielding systems have been proposed to reduce the damage on MMOD. But there are some demerits for basic Whipple Shield such as increment of volume due to stand-off, creation of new debris due to secondary debris. To make up for the demerits, new design shielding system without stand-off is proposed. Proposed shielding system consists of three layers. First layer is made of CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) which has high specific stiffness and strength. Kevlar which is good for ballistic impact is used as second layer. Polymer plate is used as third layer. It is important to note that the fabric to be inserted in the middle of polymer has given free boundary condition. Proposed shielding system has a new energy absorbing mechanism which is the increment of friction energy caused by pull-out phenomenon of fabric applied by free boundary condition. The reliable method of analysis is offered in order to reduce the cost of repeated experiments. First of all, analysis of the impact behavior characteristic about each material individually was carried out. Impact analysis of aluminum was also performed because material of the existing shielding system is aluminum. Therefore, impact analysis of aluminum, CFRP, Kevlar, polymer was performed respectively. Results for impact analysis of aluminum and CFRP plate modeled by using shell element fit very well with experimental results in range of 1km/s. Impact behavior was examined through Kevlar laminated by single and four layers. Analysis results of single layer fabric model showed good agreement with experimental results. But, fabric model of laminated four layers showed the slight difference between simulation and experiment. Impact behavior is confirmed in sandwich structure which is made of polymer plate and single fabric with free boundary. Clover shaped pull-out phenomenon and wrinkled phenomenon observed at the experiment of fabric is simulated similarly. Also, fabric with free boundary condition had 2 times better absorbed energy than the fabric with fixed boundary condition.

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.

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청구기호 {MAE 11010
형태사항 v, 45 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Yu-Na Son
지도교수의 한글표기 : 김천곤
지도교수의 영문표기 : Chun-Gon Kim
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학전공,
서지주기 참고문헌 : p. 41-42
주제 초고속 충돌
쉴딩 시스템
복합재료
위플 쉴드
우주쓰레기
Hypervelocity impact
Shielding system
Composite
Whipple Shield
Space orbital derbis
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