The space race among various countries since the 1960s have led to the presence of around a few millions of micro-meteoroid and orbital debris (M/OD) in earth orbit. Eventually, the number of M/OD has also increased gradually. At present, there are millions of M/OD that can be a potential threat to space structures, which travel at hypervelocity speeds from a few to tens of km/s depending on the earth orbit of the M/OD. For International Space Station (ISS) a dual wall concept, which is called Whipple shield, has been applied to protect astronauts against M/OD impact. Over the years, various high performance materials have been utilized in improving this Whipple shield design. As a consequence of the space race led by private economy lately, effort to increase the academic and commercial value of space has solicited the design and development of bigger space structures than existing ones. Nevertheless, the size of all the space structure is limited by the diameter size, 5 m of launch vehicles. Expandable space structure is a new and economical method to counteract this physical limitation of space structures. However, the existing expandable space structure concept which has flexible fabric layers has inferior characteristics to Whipple shield in the manner of hypervelocity protection. To improve the hypervelocity protection of flexible and expandable space structures, new approach and research are required. In this research, a hypervelocity facility was designed and established. New conceptual designs such as space direct curable composite, flexible and high performance fabric with shear thickening fluid matrix and dragon skin were used for developing and validating the hypervelocity impact protection system for expandable structures.
1960대부터 시작된 경쟁적 우주 개발로 인하여 현재 지구 궤도에는 수백만개의 우주 파편이 존재하고 있다. 우주 파편은 수십 년의 우주 개발의 부산물로 그 수가 꾸준히 증가하였다. 현재, 수백만개의 우주 파편은 궤도에 따라 수에서 수십 km/s 의 초고속 속도를 가지며 우주구조물의 생존을 크게 위협하고 있다. 국제우주정거장의 경우 이중으로 된 알루미늄 보호 시스템인 Whipple shield 개념을 적용하여 우주 파편 충돌로부터 우주인들을 보호한다. 수십 년 동안 다양한 신소재의 개발 및 적용으로 진보된 형태의 Whipple shield 가 꾸준히 개발되어 왔다. 최근에는 민간 주도의 우주 개발의 일환으로 기존보다 더 큰 우주 구조물을 개발하여 우주 공간의 연구적 상업적 가치를 증진시키려는 노력이 계속되고 있다. 현재 모든 우주 구조물은 발사체의 크기로 인해 지름 5 m 정도의 제한적 크기를 가지고 있다. 확장형 우주구조물은 이러한 크기 제한을 해결하여 더 큰 우주 구조물을 경제적으로 만들 수 있는 새로운 방법이다. 하지만 유연성을 가지는 직물을 이용한 알려진 확장형 우주 구조물의 보호 개념은 Whipple shield 에 비해서 우주 파편의 초고속 충돌에 취약한 특성을 가지고 있다. 이러한 취약한 초고속 충돌성능을 향상시키기 위해 새로운 접근 방법 및 연구가 필요하다. 본 연구에서는 초고속 충돌 시험기인 2단 경 가스건을 개발하고, 확장형 우주 구조물에 적합한 신개념의 우주 직경화 복합재료, 유연한 재료 및 고성능 직물 재료, 전단유체농화 직물, Dragon skin 을 혼합하여 초고속 충돌 보호 시스템을 개발하고 이를 평가했다.
