Hypervelocity impact research is key to the designing of shielding systems to protect structures in Low Earth Orbit with risk of space debris impact. Understanding the physical features contributes to the effective development of impact shielding design. In this study, the impact hole area, lip height, and debris cloud impact radius were investigated for impacts up to around 4km/s for 6061-T6 aluminum panels of 3mm thickness using a 2-stage light gas gun. Image analysis and 3D scanning were employed to measure the geometric features. Numerical analysis was conducted to simulate the experiment cases and the modeling was verified through comparison of the geometric features. The hole area and debris cloud impact radius showed gradually increasing trends with increasing impact velocity. The 3D scan measurements followed the image analysis, and considering the overall similarity between the 3D scan and numerical simulation, the numerical model satisfactorily reproduced and supported the empirical measurements. In order to investigate the hypervelocity impact response of homogeneous 6061-T6 aluminum plates of 3 mm thickness, a 2-stage light gas gun was used to carry out hypervelocity impacts up to 4 km/s and polyvinylidene fluoride(PVDF) piezofilm sensors were used. The acquired impact responses were categorized into non-penetration, hard penetration, fragmented penetration, and debris cloud impact. The frequency domain characteristics of the impact responses were observed and analysis of variance(ANOVA) of the 4 impact categories and correlation analysis with impact velocity were performed using 82 feature parameters with respect to the time, frequency, and time-frequency domains. The ANOVA results revealed that the spectral entropy and the conditional spectral and temporal moments of the time-frequency domain were statistically highly significant in differentiating the impact categories. Using the feature parameters of the third order temporal moment, correlation dimension, and zero crossing rate, accuracy of 91.3% was obtained for the categorization of impact responses into the impact categories, which was further improved to 95.5% by removing outliers. These feature parameters also showed moderate to strong and statistically significant correlation with the impact velocity. Inverse prediction of the impact velocity based on the linear fit for feature parameters with high correlation coefficients resulted in a mean error of 0.0374 km/s using the third order temporal moment minimum. These results indicate the potential of the conditional spectral and temporal moments and other signal energy related feature parameters investigated in this study for post processing and even real time assessment of transient events such as hypervelocity impacts. By using commercial piezofilm sensors and the use of a limited number of preselected feature parameters, the potential of relatively accurately predicting the impact type of an impact response acquired using the piezofilm sensors along with the impact velocity virtually in real time was shown in this study.
초고속 충격 연구에는 우주 쓰레기 및 우주 파편과의 충돌 위험이 존재하는 저궤도에 위치한 우주구조물을 보호하기 위한 쉴딩 구조 설계가 중요합니다. 물리적 충돌 특성을 이해하면 충격 쉴드 설계의 효과적인 개발에 기여할 수 있습니다. 본 연구에서는 2단 가스건을 사용하여 3mm 두께의 6061-T6 알루미늄 패널에 대해 최대 약 4 km/s의 초고속 충돌을 가하여 관통 구멍 넓이, 립 높이 및 파편운의 충격 반경을 조사했습니다. 기하학적 특징을 조사하기 위해 통상적으로 사용되는 이미지 분석과 3D 스캐닝이 사용되었습니다. 실험을 시뮬레이션하기 위해 수치해석을 수행하였으며 기하학적 특징을 비교하여 모델링을 검증하였다. 관통 구멍 넓이와 파편운 충돌 최대 반경은 충돌속도가 증가함에 따라 점차적으로 증가하는 추세를 보였습니다. 3D 스캐닝을 통한 측정은 이미지 분석의 추세를 따랐으며 3D 스캐닝과 수치해석 측정 값들이 거의 일치하는 것을 확인 할 수 있었는데 이는 수치해석의 모델링이 적절하게 실험조건을 구현하고 실험결과를 뒷받침해준다. 3mm 두께의 6061-T6 알루미늄 평판의 초고속 충격 반응을 조사하기 위해 같은 2단 가스건을 사용하여 최대 4 km/s의 초고속 충격을 수행하고 폴리플루오린화바이닐리덴(PVDF) 필름 센서를 사용하였습니다. 설치된 센서를 통해 취득된 충격응답은 크게 비 관통, 파단없는 관통, 파단 관통, 그리고 파편운 충돌로 분류할 수 있었습니다. 취득된 충격응답의 주파수영역 특성을 관찰하고, 시간영역, 주파수영역, 시간-주파수 분석과 관련된 총 82개의 특성 변수를 사용하여 관찰된 총 4가지의 충격 종류에 따른 분산 분석해석(ANOVA, Analysis of Variance)를 수행하고 충돌속도와의 상관 분석을 수행하였습니다. 분석해석 결과는 시간-주파수 분석의 주파수 영역 엔트로피와 주파수 및 시간영역 모멘트가 충돌종류를 구별하는데 통계적으로 매우 유의하다는 것을 보였습니다. 3차 시간영역 모멘트, 상관 차원, 그리고 영점 교차율의 특성 변수들을 사용하여 충돌응답을 충격 종류 분류를 수행하여 91.3%의 정확도를 보였고 이상치 및 극단치를 제거하였을 때 95.5%로 정확도가 향상되었습니다. 이러한 특성 변수는 강하고 통계적으로 유의미한 충돌속도와의 상관관계를 보였습니다. 상관계수가 높은 특성 변수들에 대해서 선형 추세식을 산출하여 충돌속도를 역으로 예측하였을 때 3차 시간영역 모멘트의 최소값 특성 변수를 이용하였을 때 평균 오차가 0.0374 km/s로 나타났습니다. 이러한 결과는 본 연구에서 조사한 주파수 및 시간영역 모멘트 및 기타 신호 에너지 관련 특성 변수들에 대한 충분한 가능성을 시사합니다. 이런 변수들을 사용하여 초고속 충돌과 같은 순간적인 충격현상에 대한 분석 및 분류가 가능함을 보여줍니다. 상용 압전필름 센서를 사용하고 선별된 최소한의 특성 변수를 사용함으로써 본 연구를 통해 사실상 실시간으로 초고속 충돌이 일어났을 때 충격 응답을 기준으로 충격 종류 혹은 유형과 충돌 속도를 상대적으로 예측할 수 있는 잠재력을 확인하였습니다.
