Various of pyrotechnic devices and systems use explosive materials and compositions for the generation of gas, flame, heat, shock, smoke, light, or sound. Since the 1960s, pyrotechnics separation devices have been widely used in various engineering areas where reliable or quick separation is required; especially, the aerospace industry has been the forerunner in the pyrotechnology. They have many advantages such as lightweight, low input energy, high reliability, and fast operation, however, they also generate intensive shock, called pyroshock, which can be fatal to electronic devices on the system. As an effort to reduce the pyroshock when the separation event occurs, the pressure cartridge types low-shock separation devices have been developed and widely used in rocket and space launch vehicle systems because they have many advantages of high fastening strength, environmental resistance, and high separation reliability without generating a high pyroshock or fragments compared to high-explosive type separation devices. There are various examples of the application using this type of separation device. In some of the pressure cartridge type low-shock separation devices, the combustion of the charge, the expansion of the chamber, and the complex separation mechanism are coupled; therefore, separation characteristics are also influenced by the amount of propellant, the initial volume, volume increase rate, and mass of components. These complex phenomena, including the chemical and mechanical separating processes, are completed in a very short time, less than a few milliseconds. Because of these characteristics, it is very difficult to experimentally observe the behaviors of each component inside the separation devices. Therefore, analysis and prediction of the separation behaviors and performance using a mathematical model would be very useful. For the common case of payload on launch vehicles, electronic devices mounted in payload are exposed to pyroshocks generated from various sources such as stage separation, firing separation, and payload separation, etc. There have been various studies to reduce or attenuate pyroshock at a source or on a propagation path. In common with the refraction phenomenon of light and ocean waves, elastic waves in solids are also refracted depending on the velocity of the waves. There have been some studies on the refraction of elastic waves on a thin plate which is a widely used component in various spacecraft structures.
In this dissertation, the mathematical model for separation mechanisms of the split-type separation bolt, which is a kind of pressure cartridge type low-shock separation devices, and reduction of pyroshock on a thin plate are studied. The mathematical model consists of simultaneous differential equations including a combustion model, a buckling force model, ring split behavior model related to static and dynamic friction, O-ring friction model, bolt deformation model, surface contact force model, and slip angle model. In order to consider amplitude of pyroshock due to the mechanical collisions inside the separation bolt, a numerical analysis was conducted on the major mechanical collisions during the separation process. Using the developed mathematical model, sensitivity analysis for major design parameters and optimization considering shock reduction were conducted. In the sensitivity analysis, the seven design parameters were considered, and for the optimization, most sensitive three parameters were selected and controlled within defined bound constraints. Finally, to reduce the pyroshock propagated through the thin plate generated after the operation of the pyrotechnic separation device, a novel pyroshock reduction method of refraction using shock wave in a thin plate was proposed and investigated. The presented method uses elastic patches which can be easily applied to the actual structure to refract bending waves for shock reduction. The performance of the shock reduction for various shaped (triangle, circle, and double-convex lens) patches were numerically simulated and also experimentally investigated for an aluminum plate and patches. The analytical and experimental results confirmed the effectiveness of the proposed methods in terms of the shock reduction performance and the shock reduction area of the various shape of the elastic patches.
다양한 파이로테크닉 장치 및 시스템에서 가스, 화염, 열, 충격, 연기, 빛 또는 소리의 생성을 위해 폭약 물질을 사용한다. 1960 년대 이래, 파이로테크닉 장치는 높은 신뢰성과 신속한 분리가 요구되는 항공우주를 포함한 다양한 공학분야에서 널리 사용되어 왔다. 파이로테크닉 장치는 가벼운 무게, 적은 입력 에너지, 높은 신뢰성 및 빠른 작동 등 많은 장점을 가지고 있지만 탑재 시스템의 전자 장비에 치명적일 수 있는 매우 짧고 강한 충격 파이로충격(pyroshock)을 생성한다. 분리 이벤트 시 발생하는 파이로충격을 줄이기 위해 압력 카트리지 타입의 저 충격 분리 장치가 개발되어 로켓 및 우주 발사체 시스템에 널리 사용되어 왔다. 압력 카트리지 방식의 분리장치는 높은 체결강도와 고신뢰성, 빠른 분리, 내환경성 및 고폭약을 사용하는 경우에 비해 낮은 파이로충격을 발생시키고 파편이 발생하지 않는다는 장점이 있다. 일부 압력 카트리지 유형의 저충격 분리장치에서, 장약의 연소, 챔버의 팽창 및 복잡한 분리 메커니즘이 동시에 발생하며, 이의 분리 특성은 장약의 양, 초기 부피, 부피 증가율, 구성 부품의 질량 등의 영향을 받는다. 이러한 복잡한 현상은 화학적 및 기계적 분리 과정을 포함하여 수 ms 이내의 매우 짧은 시간 내에 완료되며, 이러한 특성 때문에 분리 장치 내부의 각 구성 요소의 거동을 실험적으로 관찰하는 것은 매우 어렵다. 따라서 수학적 모델에 의한 분리 거동과 성능의 분석 및 예측은 매우 유용한 방법이 될 수 있다. 일반적으로 우주발사체에서 파이로충격이 생성된 후 구조물을 따라 payload에 전달된다. 충격 전달경로를 구성하는 구조물은 대부분 고체물질로 제작된다. 고체 내부에서의 탄성파는 빛과 파도의 굴절 현상과 마찬가지로 파동의 속도차에 의해 굴절되는 성질을 갖고있으며, 이를 이용하여 일정 영역에 대해 충격응답을 감소시키는 것이 가능하다.
본 학위연구에서는 압력 카트리지형 저 충격 분리장치의 일종인 스플릿타입 분리볼트의 분리 메커니즘에 대한 수학적 모델과, 얇은 평판에서 굽힘파의 굴절을 이용한 파이로충격 저감에 대한 연구를 수행하였다. 개발 된 수학적 모델을 사용하여 주요 설계변수에 대한 민감도 분석과 충격 감소를 고려한 최적화가 수행되었다. 수학적 모델은 연소 모델, 좌굴력 모델, 정적 및 동적 마찰과 관련된 스플릿 거동 모델, O-ring 마찰 모델, 볼트 변형 모델, 표면 접촉력 모델 및 슬립 각 모델을 포함하는 연립 미분 방정식으로 구성된다. 분리볼트 내부의 기계적 충돌로 인한 파이로충격의 크기를 고려하기 위해 분리 과정에서 발생하는 주요 기계 충돌에 대한 수치 해석과, 개발 된 수학적 모델을 사용하여 주요 설계변수에 대한 민감도 분석 및 최적화 연구가 수행되었다. 그리고, 파이로장치의 작동 시 생성되어 얇은 판구조를 따라서 및 전파되는 굽힘파(파이로충격)의 굴절을 이용한 충격 저감에 대한 연구가 수행되었다. 우선 수치해석적으로 현상 확인 및 다양한 형상(삼각형, 원형, 렌즈형)의 알루미늄 탄성패치의 굴절 및 충격 저감 성능을 예측하고, 수치해석과 동일한 모델을 제작 후 Piezoelectric disk actuator를 이용한 가진 실험, 그리고 개발된 파이로 충격 모사장치를 이용한 충격저감 성능시험을 수행하여 실제 구조물에서의 탄성파의 굴절 및 충격 저감 성능을 확인하였다.
