KR101259881B1 - 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로 외부 충격체와 최초로 충돌하며 섬유강화 복합재료로 이루어진 전면층, 고분자 수지로 이루어진 후면층 및 상기 전면층 및 후면층 사이에 구비되며, 방탄성을 갖는 직물섬유로 이루어지는 중간층을 포함하되, 상기 중간층은 상기 전면층 및 후면층에 결속되지 않으며, 상기 후면층은 상기 충격체에 의한 최초 충돌시 상기 중간층 보다 먼저 천공되는 것을 특징으로 한다.

Description

샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물{The sandwich-type composite shielding structure}

본 발명은 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구조물 내지 장치 특히, 인공위성, 우주 정거장, 우주왕복선 등을 포함하는 우주 구조물 또는 우주 비행체들을 우주 쓰레기 등과 같은 외부 물질들과의 초고속 충돌에 의한 충격으로 부터 보호하기 위한 것이다.

인공위성, 국제 우주정거장 그리고 우주왕복선과 같은 우주 비행체들은 우주를 운행하는 도중 초고속(10~20km/s)으로 지구궤도를 돌고 있는 우주 쓰레기와 미소 운석들과의 초고속 충돌 위협에 노출되어 있다. 우주 쓰레기의 크기 분포 또한 다양하며, 10cm 이상의 큰 물체는 지상에서 모니터링하여, 충돌을 회피하는 방법을 사용하고 있으며, 1cm 이하의 작은 물체에 대해서는 쉴딩 시스템을 이용하여, 우주 구조물을 보호하고 있다. 이러한 초고속 충돌로부터 우주 구조물을 보호하기 위해서 위플 쉴드(Whipple shield)가 많이 연구·적용되고 있다.

위플 쉴드는 1~4mm 정도의 얇은 두 개의 알루미늄 판이 스텐드오프(standoff)라 불리는 일정한 거리를 두고 위치하는 다중벽 방어 시스템(multi-wall shielding system)을 의미한다.

이에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보면, 앞 범퍼에 초고속 충돌이 발생하게 되면 범퍼의 일부 및 충격체가 무수히 많은 작은 알갱이로 나뉘어지며, 파편구름(fragment cloud)을 형성하게 된다. 이 구름은 스텐드오프를 지나면서 넓게 퍼지게 되며, 최종적으로 후판에 도달했을 때에는 초기의 운동에너지를 무수히 많은 알갱이들로 나누어 충돌하게 되어 작은 운동에너지로의 개별적 충돌이 일어나 얇은 알루미늄 판으로도 막을 수 있게 되는 것이 위플 쉴드의 원리이다.

위플 쉴드는 쉴딩시스템 자체의 무게를 절감하기에는 매우 효과적이나 위플 쉴드가 효율적으로 작동하기 위해서는 스텐드오프라는 일정 간격이 반드시 필요하며, 이는 보통 20~30cm에 이른다. 즉, 종래의 위플쉴드는 쉴드 자체의 무게는 줄일 수 있었지만, 쉴딩 시스템의 부피가 전체적으로 상당히 증가하는 경향을 보이며, 이는 곧 우주 구조물의 크기가 커져야 함을 의미하고, 나아가 우주 구조물을 우주궤도로 올리기 위한 발사체의 부피가 더 커져야 함을 의미한다. 이로 인해 부수적으로 우주 구조물의 무게가 증가하게 되었다. 또한 종래의 위플쉴드는 여러 개의 작은 알갱이들을 생성하여 막아내는 형태이기 때문에 충돌로 인해 마이크로 단위의 많은 새로운 우주 쓰레기들이 이차적으로 발생하였다. 이는 추후 또 다른 충돌을 야기하였으며, 이러한 충돌은 크기가 작기 때문에 소소하지만 태양전지판과 같은 구조물에 다량으로 충돌이 가해질 경우, 전지판을 구성하는 셀들의 기능을 상실하게 하고, 우주 왕복선의 윈드쉴드와 같은 부분에 크고 작은 크레이터(crater)를 만들어 시야를 줄이거나, 허블 망원경의 렌즈 또한 이러한 작은 충돌에 의해서 광학적 특성이 떨어져 문제를 야기하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로,

먼저, 방어 구조물의 경량화 및 부피 최소화를 동시에 이룰 수 있으며, 이로 인해 우주 구조물의 운용비용을 최소화 할 수 있는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 제공을 일 목적으로 한다.

또한, 전면층 및 후면층에 비구속 형태로 내장되는 중간층을 구비함으로써, 최대의 에너지 흡수량을 갖는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 제공을 다른 목적으로 한다.

아울러, 방어 구조물에 충돌된 우주 쓰레기 등을 모두 수집함으로써, 이차 충돌을 미연에 방지할 수 있는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 제공을 또 다른 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상기 목적들을 달성하기 위하여, 섬유강화 복합재료로 구성되어 외측에 위치하는 전면층과, 고분자 수지로 구성되어 내측에 위치하는 후면층 및 방탄성을 갖는 직물섬유로 구성되어 상기 전면층 및 상기 후면층의 사이에 비구속 형태로 내장되는 중간층을 포함하며, 상기 후면층은 외부 충격체로 인한 충격시에 상기 중간층보다 먼저 천공되는 강도를 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 중간층은 다수개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 전면층과 상기 후면층 사이의 테두리 주위에 배열되는 프레임을 더 포함하며, 상기 중간층은 상기 프레임에 의해 형성되는 공간 내에 내장되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 프레임과 상기 중간층의 두께는 동일한 것을 특징으로 하며, 상기 프레임은 강화 복합재료 또는 강화 폴리머 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 섬유강화 복합재료는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP:carbonfiber-Reinforced plastics)인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 고분자 수지는 폴리머 계열의 아크릴 수지, 폴리 카보네이트 또는 폴리 에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

바람직하게는 상기 직물섬유는 파라계 방향족 폴리아마이드 섬유인 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.

먼저, 본 발명에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 종래의 메탈 재질보다 가벼운 복합재료, 직물섬유 및 고분자 수지를 이용하여 경량화를 이룰 수 있으며, 이로인해 우주 구조물의 무게당 운용비용을 최소화 할 수 있는 우수한 효과가 있다.

또한, 종래의 위플쉴드가 요구하는 스텐드 오프를 요하지 않으므로 방어 구조물의 부피를 최소화할 수 있다.

아울러, 전면층 및 후면층과 비구속 형태로 내장되는 중간층을 구비함으로써 최대의 에너지 흡수량을 갖고, 충돌된 우주 쓰레기 등을 모두 수집함으로써, 이후 충돌을 미연에 방지할 수 있는 우수한 효과가 있다.

도 1 은 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물 전체 구성도다.
도 2 는 도 1의 구성에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 작동 원리를 나타내는 도다.
도 3 은 도 1에 도시된 중간층의 결속여부에 따른 에너지 흡수율의 변화를 개념적으로 비교한 그래프다.
도 4 는 도 1에 도시된 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 대한 실제 충돌실험 이미지다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물 전체 구성도다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 섬유강화 복합재료로 구성되어 외측에 위치하는 전면층(11)과, 고분자 수지로 구성되어 내측에 위치하는 후면층(13) 및 방탄성을 갖는 직물섬유로 구성되어 상기 전면층(11) 및 상기 후면층(13)의 사이에 비구속 형태로 내장되는 중간층(12)을 포함한다.

이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 전면층(11)은 초고속의 충격체(10)와 최초로 충돌하는 부분으로, 에너지 흡수율이 높고 가벼운 다양한 섬유강화 복합재료를 이용할 수 있다.

상기 섬유 강화 복합재료로는 탄소계 및 비 탄소계 섬유를 모두 포함할 수 있으나, 상기 섬유강화 복합재료로 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP:carbonfiber-Reinforced plastics)을 이용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 후면층(13)은 외부 충격체(10)의 초고속 충돌시, 후술할 중간층(12)을 통해 전달되는 강한 충격파에 의해 상기 중간층(12) 보다 먼저 천공될 수 있도록 비교적 약한 강도의 고분자 수지로 이루어져 있다.

이때, 상기 고분자 수지는 다양한 폴리머 계열의 수지를 이용할 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 고분자 수지는 아크릴 수지, 폴리 카보네이트 및 폴리 에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.

다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 상기 고분자 수지는 아크릴 수지를 이용하는 것이 바람직하다.

아울러 반드시 상술한 고분자 수지들로 한정되는 것은 아니며 이를 포함하는 다양한 폴리머 계열의 수지를 이용할 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 중간층(12)은 상기 전면층(11) 및 후면층(13)의 중간에 내장되며, 상기 충격체(10)의 관통을 막기 위하여 방탄성을 갖는 직물섬유로 이루어져 있다.

상기 직물섬유는 상기 방탄성을 발휘 할 수 있는 다양한 섬유를 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 직물섬유는 에너지 흡수율이 우수하고, 강도, 탄성, 진동흡수력 등이 뛰어난 파라계 방향족 폴리아마이드 섬유가 다수개의 층으로 적층된 형태로 구비할 수 있다.

다만, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 중간층(12)은 케블라(Kevlar)를 8장 적층하여 구비하는 것이 바람직하다.

아울러, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 중간층(12)은 상기 전면층(11) 및 상기 후면층(13)에 결속되지 않는 구조 즉, 비구속 형태로 내장되는 것을 특징으로 하고 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 후술토록 한다.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 상기 전면층과(11) 상기 후면층(13) 사이의 테두리 주위에 배열되는 프레임(14)을 더 포함하며, 상기 중간층(12)은 상기 프레임(14)에 의해 형성되는 공간 내에 내장될 수 있다.

상기 프레임(14)은 상술한 바와 같이 상기 중간층(12)이 내장될 수 있는 공간을 확보하는 역할을 수행할뿐 상기 중간층(12)을 결속시키지는 않는다.

즉, 상기 프레임(14)은 공간을 확보하기 위하여 상기 전면층(11) 및 후면층(13)과 다양한 방법을 통해 접착되어 있으나, 상기 중간층(12)은 상기 전면층(11), 후면층(13) 및 프레임(14) 어디에도 결속되지 않는 구조로 이루어진다.

아울러 상기 프레임(14)은 상기 목적을 달성할 수 있는 다양한 재질로 이루어질 수 있으나, 상기 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 경량화를 위해 밀도가 낮고, 충돌시 발생한 외압에 대해 충분히 견딜수 있는 복합재료 및 폴리머 소재를 이용하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 프레임(14)은 상기 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 부피를 최소화하기 위해 상기 중간층(12)의 두께와 동일하게 구비되는 것이 바람직하다.

이하, 도 1의 구성에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 작동 원리를 나타내는 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 종래의 위플쉴드(Whipple shield)는 상술한 바와 같이 충격체를 앞 범퍼에서 여러개의 많은 조각으로 나누어 파편구름을 형성하고 이를 분산시켜 에너지를 낮추어 각각을 후 범퍼에서 막는 방식으로 이루어져 있다.

그러나, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 충격체의 질량을 분산시키지 않고, 그 자체의 에너지 흡수율을 높인 구조물로 종래의 위플쉴드가 요구하는 스텐드 오프(standoff)가 전혀 필요치 않는 이른바 섬유 풀아웃 메커니즘(pull-out mechanism)을 이용한 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 섬유 풀아웃 메커니즘이라 함은, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전면층(11) 및 후면층(13) 사이에 상기 전면층(11) 및 후면층(13)과 비구속 형태로 내장된 상기 중간층(12)이 충돌에 의해 손상을 받기 전에 발생한 상기 후면층(13)의 천공된 구멍을 통해 충격체(10)와 함께 빨려나가게 되고, 천공 구멍 내의 섬유 부피가 증가함에 따라 새로운 구속력이 작용하여 상기 충격체(10)의 에너지를 흡수하는 메커니즘을 의미한다.

한편, 상기 중간층(12)을 상기 전면층(11) 및 후면층(13)에 비구속 형태로 내장하는 이유는 상기 중간층(12)의 두 모서리 또는 네 모서리를 결속시켰을때 비하여 하중 증가 속도가 느리기 때문에 중간층(12)의 후면층(13)을 통한 관통이 늦추어 지고, 이를 통해 충돌이 이루어지는 동안 에너지를 오랜 시간 흡수할 수 있으며, 결과적으로 더 많은 충격체(10)의 에너지를 흡수할 수 있기 때문이다.

이에 대해 도 1에 도시된 중간층의 결속여부에 따른 에너지 흡수율의 변화를 개념적으로 비교한 그래프인 도 3을 참조하여 이하 상세히 설명한다.

도 3을 참조하면, A는 본 발명의 일실시 예에 따라 중간층이 결속되지 않은 상태에서 발생하는 충격체의 구속력을 나타내는 그래프이며, B는 중간층의 4모서리가 결속되어 있는 상태에서 발생하는 충격체의 구속력 그래프, C는 중간층이 관통되기 위한 최대 구속력이다.

결과적으로 C 이상의 구속력이 걸리게 되면 상기 중간층은 관통이 일어나게 된다.

이때, A 및 B의 모든 조건은 동일하며, 단지 결속여부만 차이가 있을뿐이다.

이를 참조하면 A의 경우, 상술한 바와 같이 직물섬유의 빨려나감 현상으로 인해서 서서히 구속력이 증가하는 경향을 보여주고 있으나, B의 경우 모서리의 결속으로 인하여 급격한 구속력의 증가를 보이고 있다.

한편, 흡수된 에너지는 도 3에서 하중과 변위의 곱에 비례하므로 그래프의 아래 면적 즉, A', B'가 총 흡수 에너지가 된다.

결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 중간층과 같이 중간층을 결속하지 않는 경우, 비록 충격체에 대한 구속력은 서서히 증가하나 총 에너지 흡수량에 있어서는 결속된 중간층에 비해 훨씬 더 우수함을 알 수 있다.

마지막으로 도 1에 도시된 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 대한 실제 충돌실험 이미지다.

이때 상기 출동실험을 위해 2mm의 탄소섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 전면층(11), 2mm 아크릴 수지로 이루어진 후면층(13) 및 상기 전면층(11) 및 후면층(13) 사이에 Kevlar 직물섬유 8장이 적층된 중간층(12)을 상기 전면층(11) 및 후면층(13)과 비구속 형태로 내장하였다.

그리고 상술한 바와 같이 구비된 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 5.56mm 직경의 알루미늄 충격체(10)를 1km/s로 충돌시켰다.

이 결과 도 4에서 보여주는 바와 같이, 상술한 섬유 풀아웃 현상이 발생했음을 확인 할 수 있었으며, 에너지 흡수율이 약 50%정도 증가한것으로 나타났다.

결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 종래의 메탈 재질보다 가벼운 복합재료, 직물섬유 및 고분자 수지를 이용하여 경량화를 이룰 수 있으며, 이로인해 우주 구조물의 무게당 운용비용을 최소화 할 수 있는 우수한 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 종래의 위플쉴드에서 요구되는 스텐드 오프를 요하지 않으므로 이로 인해 부피 최소화할 수 있다.

아울러, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 비구속 형태로 내장된 중간층을 구비함으로써, 최대의 에너지 흡수량을 갖고 있어 우주 구조물 등을 외부 충격으로 부터 안정적으로 보호할 수 있으며, 충돌된 우주 쓰레기 등을 모두 수집함으로써, 이후 충돌을 미연에 방지할 수 있는 우수한 효과가 있다할 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.

10 : 충격체
11 : 전면층
12 : 중간층
13 : 후면층
14 : 프레임

Claims (8)

1. 섬유강화 복합재료로 구성되어 외측에 위치하는 전면층과,
   고분자 수지로 구성되어 내측에 위치하는 후면층과,
   상기 전면층과 상기 후면층 사이의 테두리 주위에 배열되는 프레임, 및
   방탄성을 갖는 직물섬유로 구성되어 상기 프레임에 의해 형성되는 상기 전면층과 상기 후면층 간의 사이공간에 비구속 형태로 내장되는 중간층을 포함하며,
   상기 후면층은 외부 충격체로 인한 충격시에 상기 중간층보다 먼저 천공되는 강도를 갖는 것을 특징으로 하는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 중간층은 다수개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 하는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물.
   
3. 삭제
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 프레임과 상기 중간층의 두께는 동일한 것을 특징으로 하는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 프레임은 강화 복합재료 또는 강화 폴리머 재료로 구성되는 것을 특징으로 하는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 섬유강화 복합재료는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP:carbonfiber-Reinforced plastics)인 것을 특징으로 하는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물.
   
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고분자 수지는 폴리머 계열의 아크릴 수지, 폴리 카보네이트 또는 폴리 에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 하는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물.
   
8. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 직물섬유는 파라계 방향족 폴리아마이드 섬유인 것을 특징으로 하는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물.

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