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초고분자량 폴리에틸렌을 이용한 지구 저궤도 우주 구조물의 우주 방사선 및 초고속 충돌 쉴딩에 관한 연구 = Ultra-high-molecular-weight polyethylene as cosmic radiation and hypervelocity impact shielding material for low earth orbit space structures
서명 / 저자 초고분자량 폴리에틸렌을 이용한 지구 저궤도 우주 구조물의 우주 방사선 및 초고속 충돌 쉴딩에 관한 연구 = Ultra-high-molecular-weight polyethylene as cosmic radiation and hypervelocity impact shielding material for low earth orbit space structures / 차지훈.
저자명 차지훈 ; Cha, Ji-Hun
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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학술문화관(도서관)2층 패컬티라운지(학위논문)

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초록정보

Cosmic radiation is defined as particle radiation consisting of protons, heavy ions, and electrons. Cosmic radiation has a catastrophic effect on satellite electronics and reduces its lifespan. It also greatly limits the performance of satellite electronics. It makes it impossible for astronauts to stay in the long-term space, and causes various diseases and cancer. Polyethylene is known to perform very well in cosmic radiation shielding. In particular, ultra-high-molecular-weight polyethylene(UHMWPE) has very high mechanical performance. Meanwhile, there are millions of space debris in Earth's orbit now. Space debris has a hypervelocity velocity of several tens km/s depending on the orbit and threatens the survival of space structures. In the case of the International Space Station, the concept of whipple shield, a dual aluminum protection system, is applied to protect the astronaut from the impact of space debris. However, conventional space structures are not considered important for the design of cosmic radiation shielding. In this study, investigated cosmic radiation shielding and hypervelocity impact performance of proposed space structure system with ultra-high-molecular-weight polyethylene. Proton accelerator and electron accelerator, and 2 stage light gas gun, which is a hypervelocity impact tester, were used in the experiment. To simulate the space environment, Ultra-high-molecular-weight polyethylene was heated to high temperature using hot wire, and hypervelocity impact test was carried out. Outgassing experiment was performed using low earth orbit environment simulation equipment. Simulation of cosmic radiation shielding was performed and the experiment and error were analyzed. The proposed space structure with ultra-high-molecular-weight polyethylene showed better performance in cosmic radiation shielding and hypervelocity impact than conventional space structure. It was confirmed that ultra-high-molecular-weight polyethylene impact performance decreased at high temperature. As the impact velocity increases, the effect of reducing the impact performance due to temperature is reduced. The pores of the plain weave fabric reduce the proton shielding performance, but are not related to the electron shielding. Outgassing experiments have shown that ultra-high-molecular-weight polyethylene has better performance than Kevlar used in conventional space structures.

우주방사선은 양성자, 중핵이온, 전자로 구성된 입자방사선으로 정의된다. 우주방사선은 인공위성 전자장치에 치명적인 영향을 주며, 수명을 감소시킨다. 또한 위성전자장치의 성능을 크게 제한시킨다. 우주인의 장기 우주체류가 불가능하게 만들고, 각종 질병과 암을 유발시킨다. 폴리에틸렌은 우주방사선 차폐에 매우 좋은 성능을 보이는 것으로 알려져 있다. 특히 초고밀도 폴리에틸렌(UHMWPE)은 매우 높은 기계적 성능을 가지고 있다. 한편, 현재 지구 궤도에는 수백만개의 우주 파편이 존재하고 있다. 우주 파편은 궤도에 따라 수에서 수십 km/s 의 초고속 속도를 가지며 우주 구조물의 생존을 크게 위협하고 있다. 국제우주정거장의 경우 이중으로 된 알루미늄 보호 시스템인 Whipple shield 개념을 적용하여 우주 파편 충돌로부터 우주인들을 보호한다. 하지만, 기존 우주구조물은 우주방사선 차폐 설계가 중요하게 고려되지 않았다. 본 연구에서는 초고밀도 폴리에틸렌이 적용된 제안된 우주 구조시스템의 우주방사선 차폐와 초고속 충돌성능을 실험해보았다. 양성자 가속기와 전자 가속기, 초고속 충돌 시험기인 2단 경 가스건을 실험에 사용하였다. 우주 환경 모사를 위해 열선을 이용해 초고밀도 폴리에틸렌을 고온 상태로 만들고, 초고속 충돌 실험을 수행하였다. 저궤도지구환경모사장비를 이용하여 outgassing 실험을 수행하였다. 우주방사선 차폐 해석을 수행하였으며 실험과 오차를 분석하였다. 초고밀도 폴리에틸렌이 적용된 제안된 우주구조물은 기존의 우주구조물보다 우주방사선 차폐와 초고속 충돌에 더 좋은 성능을 보였다. 고온에서 초고밀도 폴리에틸렌의 충돌성능 감소를 확인하였다. 충돌 속도가 증가할수록 온도에 의한 충돌성능 감소효과가 줄어드는 것을 확인했다. 평직 섬유의 기공은 양성자 차폐 성능을 감소시키지만, 전자 차폐에서는 무관한 것을 확인하였다. Outgassing 실험에서 초고밀도 폴리에틸렌은 기존 우주구조물에 사용되는 케블라보다 더 좋은 성능을 갖는 것을 확인했다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MAE 19025
형태사항 vi, 89 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 한국어
일반주기 저자명의 영문표기 : Ji-Hun Cha
지도교수의 한글표기 : 김천곤
지도교수의 영문표기 : Chun-Gon Kim
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학과,
서지주기 참고문헌 : p. 82-87
주제 우주방사선
양성자
중핵이온
전자
초고밀도 폴리에틸렌
초고속 충돌
우주 파편
우주쓰레기
우주구조물
양성자 가속기
전자 가속기
2단 경 가스건
아웃 개싱
케블라
국제우주정거장
휘플실드
SRIM/TRIM
몬테 카를로 시뮬레이션
Space radiation
cosmic radiation
proton
electron
heavy ion
ultra-high-molecular-weight polyetgylene
UHMWPE
2stage light gas gun
M/OD
space debris
space junk
space structure
international space station
ISS
proton accelerator
electron accelerator
outgassing
kevlar
whipple shield
SRIM/TRIM
monte carlo simulation
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