The structure separation is one of the most important operations in space mission. Failure of separation causes the failure of the whole mission even though other major systems such as engines, electric devises, and structures operate well. Bolts separated by explosion are commonly used as separation devices in various guided weapons and rockets. However, due to the intense explosion, separation fragments and pyroshock can be generated and affect electrical devices or structures, causing catastrophic problems in a mission. To avoid these explosion induced problems, low-shock separation devices called non-explosive release actuator (NEA) have been developed. There are several categories of low-shock separation devices according to actuation mechanisms: electrical spool, paraffin actuator, thermal knife, shape-memory alloy wire (SMA) and pressure cartridge. Among those, the pressure cartridge actuator has a wide range of applications because of a very short operation time (within 1 ms) and high separation energy. In order to design and develop advanced pressure cartridge type actuator, the detail behaviors of constituting parts need to be identified; however, indirect evaluating methods based on experimental results are mostly used because the separation procedure time is too short to experimentally identify those behaviors. This thesis presents a numerical analysis and mathematical modeling of a ball-type separation bolt, which is one of separation devices using pressure cartridge actuator. The operation of the ball-type separation bolt is based on a locking and release mechanism so that relatively much smaller amount of propellant can be used than the explosive bolt. The ball-type separation bolt consists of three balls, a piston, a bolt, a housing and an initiator. To identify the separation procedure in detail, a numerical analysis on the mechanical behaviors of the ball-type separation bolt is conducted using ANSYS AUTODYN. In addition, a simplified mathematical model is established, in this thesis, after verifying the separation process from AUTODYN 3-D analysis results. The mathematical model, consisting of several equations of motions for the constituting parts and the combustion model, describes the dynamic behavior of each inner parts of bolt during separation process; in particular, the pressure history in combustion chamber, and the velocities and the displacements of the piston and the bolt can be obtained. The developed AUTODYN analysis procedure and the mathematical model enable to significantly reduce the overall development time and cost. Moreover, the effect of the various design elements on dynamic behavior and separation reliability can be studied using the developed model.
우주 시스템 및 로켓에는 발사 순간 및 단분리 등에 폭발식 분리장치를 널리 활용해 왔으나 큰 충격량과 파편 등 부작용을 피하기 위해 1960년대부터 여러 가지 방식의 저충격 분리장치들이 개발되어 왔다. 여러 저충격 분리장치 중 본 연구에서 다루는 착화기의 압력을 이용한 압력카트리지 방식의 분리장치는 작동 시 발생 에너지가 크고 신뢰도가 높으며 분리시간도 짧아 활발히 개발 및 적용이 이루어 지고 있다. 하지만 화약을 사용하는 작동특성 상 분리시간 동안 내부에서 분리 메커니즘을 확인하기 어렵다. 본 연구에서는 기존의 개발된 볼 타입 분리볼트의 동적 분리 거동 해석 및 해석과정을 단순화 시킨 수학적 모델을 설립하였다. 우선 볼 타입 분리볼트에 대해 상용 Explicit 소프트웨어인 ANSYS AUTODYN을 이용하여 동적 거동 해석을 수행하였다. 해석 결과로부터 내부 부품의 동적 분리 거동을 확인하고 각각의 특정 상대위치 관계를 분리시점으로 정의하여 분리시간을 산출하였다. 또한 볼 타입 분리볼트는 3개의 Ball의 접촉면으로 큰 하중을 받고 있도록 설계되었기 때문에 좁은 면적에 큰 압축하중이 작용하면 국소적으로 소성변형이 발생하며, 이는 마찰계수의 변화로 이어진다. 먼저 마찰계수를 변화시키며 분리 시 동적 거동의 변화에 대해 AUTODYN을 통해 해석하여 증가하는 마찰계수가 분리지연 현상을 일으키는 것이 파악되었다. 따라서 마찰계수에 대한 수직하중의 영향을 알아보기 위한 실험을 수행하였으며, 실험 결과로부터 수직하중의 증가에 대한 마찰계수의 변화 경향성과 범위를 확인하였다. AUTODYN 해석 결과에서 확인된 시간에 대한 동적 거동을 바탕으로 5개의 Stage에 대한 내부 부품의 운동방정식을 수립하였고, 앞선 연구결과들의 착화기 0-D 연소모델과 결합하여 분리 거동을 간단하게 모사하는 수학적 모델을 설립하였다. 수학적 모델은 AUTODYN 해석 결과와의 비교를 통해 검증하였으며, 마찰계수를 AUTODYN 해석과 동일한 조건으로 변화시키며 Piston과 Bolt의 동적 거동의 변화 경향성을 비교하여 운동방정식의 타당성을 확인하였다. 결론적으로 본 연구에서는 이러한 AUTODYN을 활용한 분리 거동 해석 방법론과 수학적 모델을 수립함으로써 설계 단계에서 적은 실험으로 얻은 데이터를 바탕으로 여러 변수의 변화에 대해 간편하고 적은 계산 소요로 분리 거동을 예측 할 수 있는 개발 환경을 마련하였다.
