KR20150136172A - Composite shielding structure for spacecraft - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a composite shielding structure for a space structure. The composite shielding structure for the space structure includes: upper and lower bumpers arranged to be parallel to each other, wherein a fiber reinforcing composite material is arranged at intervals; and a center bumper installed between the upper and lower bumpers and being at a predetermined angle to the upper and lower bumpers, wherein the center bumper is formed of the fiber reinforcing composite material. The composite shielding structure is to protect the space structure from micrometeoroid/orbital debris (M/OD) ultrahigh speed impact. According to the present invention, the composite shielding structure for a space structure includes the center bumper with an inclined angle to protect the space structure from the impact with inclination, and the center bumper has a different inclined angle according to a direction of a spacecraft to protect the spacecraft from space debris by high absorption energy.

Description

우주구조물 복합 쉴딩 구조체{Composite shielding structure for spacecraft}{Composite shielding structure for spacecraft}

본 발명은 우주구조물 복합 쉴딩(shielding) 구조체에 관한 것으로서, 상하부 범퍼 및 경사각을 가지는 중간 범퍼를 포함하여 M/OD(Micrometeoroid/Orbital Debris)로 인한 초고속 충격으로부터 우주구조물을 보호하는 복합 쉴딩 구조체에 관한 것이다.The present invention relates to a composite shielding structure for a space structure, which includes an upper and lower bumper and an intermediate bumper having an inclination angle to protect a space structure from ultrahigh impact due to Micrometeoroid / Orbital Debris will be.

LEO(low earth orbit) 우주 환경을 위한 복합 쉴딩(shielding) 구조체는 원자산소에 의한 부식, 극저온과 극고온의 온도편차로 인한 피로 균열, 10-6 ~ 10-7 Torr의 고진공, 약 200nm 파장의 유해한 자외선에 의한 C-C, C-H 결합의 깨짐, 그리고 약 8 ~ 70km/s의 속도로 운동하는 M/OD(Micrometeoroid/Orbital Debris)로 인한 초고속충격 등으로 인한 우주구조물의 재료 물성을 저하시키는 유해한 여러 요소들을 만족시켜야 한다.Composite shielding structures for low earth orbit (LEO) space environments are characterized by corrosion by atomic oxygen, fatigue cracks due to temperature deviations between cryogenic and extreme temperatures, high vacuum of 10 -6 to 10 -7 Torr, Harmful elements that degrade the material properties of space structures due to cracking of CC, CH bonds due to harmful ultraviolet rays, and ultrafast impact due to M / OD (Micrometeoroid / Orbital Debris) moving at a speed of about 8 to 70 km / s .

특히, 도 1은 우주 파편의 증가를 나타내는 그래프로서, 우주선은 항상 우주 파편에 의하여 충격의 위험을 가지고 있다. 지난 56년간 4,900번의 발사로 6,600개 이상의 위성이 궤도에 진입하였다. LEO(low earth orbit) 지역 위성의 6% 정도만이 작동하고 있으며, 나머지는 작동을 정지하고 있는 우주 쓰레기이다. 10cm 보다 큰 개체는 21,000개, 1~10cm 사이는 500,000개, 1cm 보다 작은 개체는 1억개 이상이 주로 800 km와 1400 km 사이에 집중되어 있으며, 우주 파편의 수는 나날이 증가하고 있다. In particular, Figure 1 is a graph showing an increase in space debris, which always has the risk of shock by cosmic debris. Over the last 56 years, 4,900 launches have orbited more than 6,600 satellites. Only about 6% of LEO (low earth orbit) local satellites are operating, and the rest are space debris that is shut down. 21,000 individuals larger than 10cm, 500,000 between 1 and 10cm, and more than 100 million smaller than 1cm are concentrated mainly between 800km and 1400km, and the number of universe fragments is increasing day by day.

우주선의 위성 운동방향인 램측면(ram side), 램의 반대방향인 웨이크측면(wake side), 우주를 바라보는 상부면(top side), 지구를 바라보는 하부면(bottom side)은 우주 파편의 위협에 다른 수준으로 노출된다. 램측면은 웨이크측면에 비하여 항상 우주 파편에 의해 충격 받을 가능성이 높으며, 우주선의 상부면은 우주 파편에 의한 충격이 가능성이 하부면 보다는 높으나 램측면에 비해 낮다. 따라서 우주 파편에 의한 충격 위험 정도에 따라 상이한 우주구조물 복합 쉴딩 구조체가 필요하다.The ram side of the spacecraft, the wake side of the ram, the top side of the universe, and the bottom side of the Earth, Exposure to different levels of threats. The ram side is more likely to be impacted by space debris than the wake side, and the upper surface of the spacecraft is more likely to be impacted by space debris than the lower side, but lower than the ram side. Therefore, different cosmic structure composite shielding structures are required depending on the degree of impact risk by space debris.

최근의 항공우주산업 분야에서 새롭게 많이 쓰이는 물질은 복합재료(composite material)이다. 복합재료는 두 가지 이상의 재료가 조합되어 보다 유용한 기계적, 물리적, 화학적 특성을 지니는 물질을 말하며, 강화재(reinforcement)와 기지(matrix)로 구성되어 있다. 강화재는 섬유(fiber) 형태로 적용되며 주로 유리섬유(glass fiber), 탄소섬유(Graphite Fiber 또는 Carbon Fiber), 케블라섬유(Kevlar fiber) 등이 사용된다. 기지는 강화재 섬유를 제자리에 고정시켜서 구조적인 모양을 만들고 전단 하중을 지탱하며 외부요소(열, 화학 물질 등)에 대하여 저항성을 가지는 물질이 사용되며 고분자(polymer), 금속(metal), 세라믹(ceramic)이 주로 사용된다. 이러한 복합재료는 단일 소재의 장점을 더욱 향상시키거나 단점을 보완할 수 있어 기존의 실현이 불가능했던 특수한 물성도 얻을 수 있도록 설계가 가능하여 각 종 산업 및 학술 분야에 다양하게 사용되고 있다.In recent years, a new and widely used material in the aerospace industry is a composite material. A composite material is a combination of two or more materials that has more useful mechanical, physical, and chemical properties. It is made up of reinforcement and matrix. The reinforcing material is applied in the form of fiber, and mainly glass fiber, carbon fiber (graphite fiber or carbon fiber), Kevlar fiber and the like are used. The base is made of reinforcing fibers in place to make structural shapes, to support shear loads, to resist external elements (heat, chemicals, etc.), and to be made of polymers, metals, ceramics ) Is mainly used. Such a composite material can be designed to further improve the merit of a single material or to compensate for its disadvantages, so that it can be designed so as to obtain special physical properties that have not been realized in the past, and thus it has been widely used in various industrial and academic fields.

다양한 복합재료 중 항공기나 우주기기용의 복합재료로서는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)이 많이 사용되며 이유는 높은 비강도(specific strength), 비강성(specific stiffness) 때문이라고 할 수 있는데, 일반적으로 고분자기지재료의 강도(strength)를 1이라 하면 탄소 섬유는 각각 40정도, 강성(stiffness)은 고분자재료에 비해 탄소섬유는 70배를 상회하기 때문이다. 또한, CFRP는 피로 시험에 있어 뛰어난 특성을 가지며, 열수축, 열팽창이 거의 없어 열팽창 계수가 거의 '0'가까워 우주 환경하에서의 사용이 가능하다.Among various composite materials, carbon fiber reinforced plastic (CFRP) is widely used as a composite material for aircraft or space equipment. The reason is high specific strength and specific stiffness. Generally, If the strength of the material is 1, the carbon fiber is 40, and the stiffness is 70 times higher than that of the polymer material. In addition, CFRP has excellent properties in fatigue test, and it has almost no thermal shrinkage and thermal expansion, and its coefficient of thermal expansion is almost '0', so it can be used in space environment.

복합재료의 우주구조물 적용에 대한 또 하나의 중요한 이유는 바로 경량성이다. CFRP의 비중은 일반적으로 알루미늄의 60% 정도로 초경량체이다. 우주선을 발사하는 국가나 발사체 별로 상이하지만 일반적으로 지구 정지 전이 궤도(GTO, geosynchronous transfer orbit)에 도달하기 위해서는 1kg당 약 20,000달러가 소요되므로 일반적으로 우주선의 발사비용이 그 무게에 비례하는 것을 감안하면 CFRP적용으로 이루어지는 발사 비용 절감의 효과는 클 수 있다. 또한 복합재료는 필요에 따라 방향에 따른 특성을 증가시킬 수 있으며, 낮은 속도나 초고속도에서 같은 파괴 메카니즘을 가진다. Another important reason for the application of composite materials to space structures is lightness. The specific gravity of CFRP is generally about 60% of that of aluminum. Given that the cost of launching a spacecraft is usually proportional to its weight, since it costs about $ 20,000 per kilogram to reach a geostationary transfer orbit (GTO), which varies by country or launch vehicle, The effect of CFRP application can be significant. Composite materials can also increase directional properties as needed and have the same fracture mechanism at low or high speeds.

대부분의 우주파편은 다른 우주구조물의 몸체인 알루미늄과 이의 합금으로 이루어져 있다. 그 수는 나날이 증가하여 우주구조물에 더 많은 위험이 된다. 우주파편은 특정 부분에서 매우 높은 스트레스 수준으로 충격을 준다.Most of the cosmic debris consists of aluminum and its alloy, the body of another universe structure. The number increases day by day and becomes a greater risk to space structures. Space debris impacts at very high stress levels in certain areas.

초고속도의 알루미늄 발사체가 쉴딩 시스템의 박판에 충돌할 때 작은 입자로 부서져 용융 및 기화될 수 있다. 박판이 얇아 발사체를 완전히 정지시키면, 파편 구름은 박판 뒤로 배출된다. 마찬가지로 분출물 구름은 표면 앞으로 배출될 수 있다. 두 구름은 박판 및 발사체 물질로 구성된다. 구름은 발사체의 밀도, 모양, 충돌 각도, 충돌 속도 등과 같은 충격 파라미터에 따라 고체, 액체, 기체 등의 물질의 다양한 조합으로 구성된다. 생성된 파편 구름은 원래 발사체에 비하여 저밀도이며, 파편 구름은 구조체에 충돌 후에 넓은 지역으로 퍼진다. When an ultra-high-speed aluminum projectile collides against a thin plate of a shielding system, it can be broken into small particles and melted and vaporized. When the foil is thin and completely stops the projectile, the debris cloud is discharged behind the foil. Likewise, an ejecta cloud can be discharged to the surface. Both clouds consist of sheet metal and projectile material. The cloud consists of various combinations of materials such as solids, liquids, and gases depending on impact parameters such as the density, shape, collision angle, and impact velocity of the launch vehicle. The generated debris cloud is low density compared to the original projectile, and the debris cloud spreads to a large area after colliding with the structure.

도 2는 수직 충격 및 경사 충격을 나타낸 도면으로서, 우주 파편은 수직 충격 또는 경사 충격으로 영향을 준다. 우주 파편으로 인한 충격의 10~20% 정도는 수직 충격을 가지고, 80~90%는 경사 충격을 가진다. 금속 합금의 경우, 수직 충격 및 경사 충격에 대하여 완전히 다른 방법으로 진행된다. 경사 충격의 경우, 도 2와 같이, normal 파편 구름, in-line 파편 구름 및 ricochet 파편 구름의 세 가지의 파편 구름이 생긴다. 복합재료의 경우, 분출물 구름은 에폭시 분말을 포함한다. 경사각을 가지는 충돌의 경우, 분출물 구름은 금속재료와 유의하게 normal 파편 구름, in-line 파편 구름 및 ricochet 파편 구름으로 더 많이 분산되어, 위협 수준을 감소시킬 수 있다. Fig. 2 shows the vertical impact and the sloping impact, and the cosmic debris affects vertical impact or inclined impact. About 10 to 20% of the impact due to space debris has a vertical impact, and 80 to 90% has a sloping impact. In the case of metal alloys, there is a completely different approach to vertical and inclined impacts. In the case of the slanting impact, as shown in Fig. 2, there are three pieces of debris clouds: normal debris cloud, in-line debris cloud, and ricochet debris cloud. In the case of a composite material, the jet cloud comprises an epoxy powder. In the event of an impact with a tilt angle, the jet cloud may be more dispersed into the normal debris cloud, in-line debris cloud, and ricochet debris cloud than the metal material, thereby reducing the threat level.

도 3 내지 도 5는 각각 NASA, JAXA 및 ESA의 쉴딩 시스템으로 이전의 우주구조물 쉴딩 시스템은 모든 범퍼가 평행하게 구성되어, 본 발명과 같이 쉴딩 구조체가 경사각을 가져 우주 파편에 의한 충격 위험 정도에 따라 상이한 우주구조물 복합 쉴딩 구조체를 가지지 못하였다.3 to 5 are shielding systems of NASA, JAXA and ESA, respectively. In the previous space structure shielding system, all the bumpers are constructed in parallel, and the shielding structure has an inclination angle as in the present invention, But did not have a different space structure composite shielding structure.

1. Schonberg, W.P.,Aerospace Science and Technology, 1999. 3(7): p. 461-471.1. Schonberg, W. P., Aerospace Science and Technology, 1999. 3 (7): p. 461-471. 2. A.H. Baluch, Yurim Park, C.G. Kim, Composite Structures, Volume 96, February 2013, Pages 554-560.2. A.H. Baluch, Yurim Park, C.G. Kim, Composite Structures, Volume 96, February 2013, Pages 554-560. 3. Christiansen, E.L., "Meteoroid/Debris sheilding", NASA Johnson Space Center, TP-2003-210788.3. Christiansen, E. L., "Meteoroid / Debris sheilding", NASA Johnson Space Center, TP-2003-210788. 4. Christiansen, E.L. and J.H. Kerr, International Journal of Impact Engineering, 2001. 26(1-10): p. 93-1044. Christiansen, E.L. and J.H. Kerr, International Journal of Impact Engineering, 2001. 26 (1-10): p. 93-104 5. Katz, S., Grossman, E., Gouzman, I., Murat, M., Wiesel, E., Wagner, H.D., International Journal of Impact Engineering, December 2008, Vol. 35, Issue 12, p.1606-1611.5. Katz, S., Grossman, E., Gouzman, I., Murat, M., Wiesel, E., Wagner, H. D., International Journal of Impact Engineering, December 2008, Vol. 35, Issue 12, p.1606-1611.

본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 종래의 우주선이 경사 충격에 취약하고, 우주선의 방향에 따라 다른 수준의 충격 가능성을 가지는 한계를 극복하고자, 상하부 범퍼 및 경사각을 가지는 중간 범퍼를 포함하여 M/OD(Micrometeoroid/Orbital Debris)로 인한 초고속 충격으로부터 우주구조물을 보호하는 복합 쉴딩(shielding) 구조체에 관한 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned needs, and it is an object of the present invention to provide an intermediate bumper having an upper and lower bumper and an inclination angle so as to overcome the limitation that conventional spacecraft is susceptible to inclined impact, To a composite shielding structure that protects space structures from very high shocks due to Micrometeoroid / Orbital Debris (M / OD).

상기의 해결하고자 하는 과제를 위한 본 발명에 따른 M/OD(Micrometeoroid/Orbital Debris)로 인한 초고속 충격으로부터 우주구조물을 보호하는 복합 쉴딩(shielding) 구조체는 섬유강화 복합재료가 간격을 두고 배열되되 서로 평행을 이루는 상하부 범퍼 및 상기 상하부 범퍼 사이에 설치되되 상기 상하부 범퍼와 미리 정해진 각도를 이루고 섬유강화 복합재료로 구성되는 중간 범퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.A composite shielding structure for protecting a space structure from an ultra high-speed impact due to Micrometeoroid / Orbital Debris (M / OD) according to the present invention for solving the above problem is characterized in that a fiber- And an intermediate bumper disposed between the upper and lower bumper and having a predetermined angle with the upper and lower bumper and made of a fiber reinforced composite material.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 섬유강화 복합재료는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP:carbonfiber-Reinforced plastics)인 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the fiber-reinforced composite material is carbon fiber-reinforced plastics (CFRP).

본 발명의 일 실시예로서, 상기 섬유강화 복합재료는 carbon/epoxy 프리프레그(prepreg)로 성형한 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the fiber-reinforced composite material is formed of a carbon / epoxy prepreg.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 섬유강화 복합재료는 상기 프리프레그를 준등방성(quasi-isotropic)으로 적층하여 오토클래이브에서 온도와 압력을 가하여 성형한 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the fiber-reinforced composite material comprises a prepreg And is formed by laminating it in a quasi-isotropic manner and applying temperature and pressure in an autoclave.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 중간 범퍼는 상기 상하부 범퍼와 25°내지 65°의 경사각을 이루는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, the intermediate bumper has an inclination angle of 25 ° to 65 ° with the upper and lower bumper.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 상하부 범퍼 사이에 방탄성을 갖는 파라계 방향족 폴리아마이드 직물섬유층 및 세라믹 합성섬유층을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an embodiment of the present invention, a para-aromatic polyamide fabric fiber layer having elasticity between the upper and lower bumpers and a ceramic synthetic fiber layer are further included.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 상부 범퍼는 하부에 5층의 케블라(Kevlar) 및 3층의 넥스텔(Nextel)을 포함하고, 상기 중간 범퍼는 8층의 케블라 및 2층의 넥스텔을 포함하되, 상부에 4층의 케블라 및 2층의 넥스텔를 포함하고, 하부에 4층의 케블라를 더 포함하고, 상기 하부 범퍼는 상부에 1층의 넥스텔 및 5층의 케블라를 포함하는 것을 특징으로 한다.In one embodiment of the present invention, the upper bumper includes five layers of Kevlar and three layers of Nextel at the bottom, the middle bumper includes Kevlar of eight layers and Nextel of two layers, A Kevlar four layers on top, and a Nextel two layers, further comprising four layers of Kevlar on the underside, wherein the lower bumper comprises one layer of Nextel and five layers of Kevlar.

본 발명의 일 실시예로서, 상기 상부 범퍼의 중심과 상기 하부 범퍼의 중심 사이의 이격 거리(standoff distance)가 적어도 200 mm인 것을 특징으로 한다.In an embodiment of the present invention, the standoff distance between the center of the upper bumper and the center of the lower bumper is at least 200 mm.

본 발명에 따른 우주선은 우주구조물 복합 쉴딩 구조체가 사용되고, 램측면(ram side)은 상기 중간 범퍼가 상기 상하부 범퍼와 40°내지 50°의 경사각을 이루고, 상부면(top side)은 상기 중간 범퍼가 상기 상하부 범퍼와 25°내지 35°의 경사각을 이루는 것을 특징으로 한다.The spacecraft according to the present invention includes a space shielding composite shielding structure wherein the ram side is formed such that the intermediate bumper forms an inclination angle of 40 ° to 50 ° with the upper and lower bumper, And an inclination angle of 25 to 35 degrees with the upper and lower bumpers.

본 발명은 상하부 범퍼 및 경사각을 가지는 중간 범퍼를 포함하여 경사를 가지는 충격으로부터 우주구조물을 보호할 수 있다.The present invention can include an upper and lower bumper and an intermediate bumper having a tilt angle to protect the space structure from tilting impacts.

또한, 중간 범퍼가 우주선의 방향에 따라 다른 경사각을 가져 높은 흡수에너지로 우주 파편으로부터 보호할 수 있다.In addition, the intermediate bumper can have different inclination angles depending on the direction of the spacecraft, thus protecting it from cosmic debris with high absorption energy.

도 1은 우주 파편의 증가를 나타내는 그래프.
도 2는 수직 충격 및 경사 충격을 나타낸 도면.
도 3은 NASA의 쉴딩 시스템을 나타낸 도면.
도 4는 JAXA의 쉴딩 시스템을 나타낸 도면.
도 5는 ESA의 쉴딩 시스템을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 복합 쉴딩 구조체를 나타낸 단면도.
도 7은 본 발명에 따른 복합 쉴딩 구조체의 실험 개념도.
도 8은 carbon/epoxy 시스템에 의한 에너지 흡수를 나타낸 그래프.
도 9는 LGG(light gas gun) 내부에 복합재료 시편을 배열한 사진.
도 10은 복합재료 시편의 경사에 따른 에너지 흡수를 비교한 그래프.
도 11은 0°, 30°, 45°, 60°의 경사에서 에너지 흡수 평균을 나타낸 그래프.
도 12는 LGG(light gas gun) 내부에 이중 복합재료 시편을 배열한 사진.
도 13은 측정한 속도에 따른 이중 복합재료의 흡수에너지를 나타낸 그래프.
도 14는 이격 거리(standoff distance)에 따른 범퍼와 뒷벽의 필요 두께를 나타낸 도면.
도 15는 LGG(light gas gun) 내부에 삼중 복합재료 시편을 배열한 사진.
도 16은 측정한 속도에 따른 삼중 복합재료의 흡수에너지를 나타낸 그래프.
도 17은 탄도 한계 곡선을 나타낸 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figure 1 is a graph showing the increase of space debris.
Fig. 2 is a view showing a vertical impact and an inclined impact. Fig.
3 shows a shielding system of NASA;
4 shows a shielding system of JAXA;
5 shows a shielding system of an ESA;
6 is a cross-sectional view of a composite shielding structure according to the present invention.
FIG. 7 is an experimental conceptual view of a composite shielding structure according to the present invention. FIG.
8 is a graph showing energy absorption by a carbon / epoxy system.
9 is a photograph of a composite material specimen arranged in a light gas gun (LGG).
10 is a graph comparing the energy absorption according to the warp of the composite material specimen.
Fig. 11 is a graph showing energy absorption averages at inclination of 0 占 30 占 45 占 60 占 Fig.
12 is a photograph of a double composite material specimen arranged in a light gas gun (LGG).
13 is a graph showing the absorption energy of the dual composite material according to the measured velocity.
14 is a view showing a necessary thickness of a bumper and a rear wall according to a standoff distance.
15 is a photograph of a triple composite material specimen arranged in a light gas gun (LGG).
16 is a graph showing the absorption energy of a triple-composite material according to the measured velocity.
17 is a graph showing a ballistic limit curve;

이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The drawings illustrate only the essential features of the invention in order to facilitate clarity of the invention, and the accompanying drawings are not intended to be construed in a limiting sense.

도 6은 본 발명에 따른 복합 쉴딩(shielding) 구조체를 나타낸 단면도로서, 본 발명에 따른 우주구조물 복합 쉴딩 구조체는 상하부 범퍼(210, 230) 및 중간 범퍼(220)를 포함하여M/OD(Micrometeoroid/Orbital Debris)로 인한 초고속 충격으로부터 우주구조물을 보호할 수 있다. FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a composite shielding structure according to the present invention. The composite shielding structure according to the present invention includes upper and lower bumpers 210 and 230 and an intermediate bumper 220 to provide a micrometeoroid / Orbital Debris) can protect the space structure from super-high shock.

상하부 범퍼(210, 230)는 섬유강화 복합재료가 간격을 두고 배열되되 서로 평행을 이룰 수 있고, 중간 범퍼(220)는 상기 상하부 범퍼(210, 230) 사이에 설치되되 상기 상하부 범퍼(210, 230)와 미리 정해진 각도를 이루고 섬유강화 복합재료로 구성될 수 있다. The upper and lower bumpers 210 and 230 may be arranged such that the fiber-reinforced composite materials are spaced from each other and parallel to each other. An intermediate bumper 220 is installed between the upper and lower bumpers 210 and 230, ) And a fiber reinforced composite material at a predetermined angle.

상기 섬유강화 복합재료는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP:carbonfiber-Reinforced plastics)일 수 있다. 또한 섬유강화 복합재료는 carbon/epoxy 프리프레그(prepreg)로 성형하되, 준등방성(quasi-isotropic)으로 적층하여 오토클래이브에서 온도와 압력을 가하여 성형할 수 있다.The fiber-reinforced composite material may be carbon fiber-reinforced plastics (CFRP). The fiber-reinforced composite material can be formed by forming carbon / epoxy prepreg, quasi-isotropic, and applying temperature and pressure to the autoclave.

상기 프리프레그는 강화섬유, 고분자계열의 수지 및 나노 물질을 포함할 수 있다. 프리프레그(prepreg)는 "pre-impregnated material"의 약어이며, 모재(matrix)를 강화섬유(reinforced fiber)에 미리 함침시킨 제품으로 복합재료(composite) 제품의 중간 재료이다. 상기 강화섬유는 탄소 섬유(carbon fiber), 유리 섬유(glass fiber) 또는 아라미드 섬유(aramid fiber)가 사용될 수 있고, 상기 수지는 에폭시 수지(epoxy resin), 페놀 수지(phenolic resin) 등의 열경화성 수지(thermoset resin) 또는 불포화폴리에스터 수지(unsaturated polyester resin)등의 열가소성 수지가 사용될 수 있다. 프리프레그는 강화섬유 및 고분자계열의 수지로 이루어진 혼합물에 상기 나노 물질을 분산시켜 프리프레그를 형성하거나, 제조 완료된 프리프레그를 준비할 수 있다.The prepreg may include reinforcing fibers, polymer-based resins, and nanomaterials. A prepreg is an abbreviation of "pre-impregnated material", which is a pre-impregnated matrix of reinforced fiber and is an intermediate material for composite products. The reinforcing fiber may be carbon fiber, glass fiber or aramid fiber. The resin may be a thermosetting resin such as an epoxy resin or a phenolic resin a thermoset resin or an unsaturated polyester resin may be used. The prepreg can be prepared by dispersing the nanomaterial in a mixture of a reinforcing fiber and a resin of a polymer series, or a prepreg can be prepared.

상기 프리프레그는 특히 16층의 carbon/epoxy 프리프레그로 구성될 수 있다. 두께가 0.125mm인 carbon/epoxy 프리프레그를 [0/±45/90]2s의 적층순서(stacking sequence)로 16층 적층하여 1.75mm 두께로 구성한 프리프레그는 아래에 기재된 (실험예 1)과 같이 우수한 흡수 에너지를 가질 수 있다.The prepreg may be composed of a carbon / epoxy prepreg of 16 layers in particular. 16 prepacked carbon / epoxy prepregs each having a thickness of 0.125 mm were stacked in a stacking sequence of [0 / 占45/90 ] 2s to form a prepreg having a thickness of 1.75 mm. As shown in Experimental Example 1 It can have excellent absorption energy.

상기 중간 범퍼(220)는 상기 상하부 범퍼와 25°내지 65°의 경사각을 이룰 수 있다. 자연적으로 평균 80~90%의 충격은 경사를 가지므로 본 발명에 따른 우주구조물 복합 쉴딩 구조체는 거의 대부분을 보호할 수 있다. 경사각을 가지는 중간 범퍼(220)는 이전의 쉴딩 시스템과 같이 수직의 충격만이 아니라 경사 충격의 위협에 훨씬 유용하다.The intermediate bumper 220 may form an inclination angle of 25 ° to 65 ° with the upper and lower bumper. Naturally, since the shock of an average of 80 to 90% is inclined, the composite shielding structure according to the present invention can protect almost all of it. The tilt angle intermediate bumper 220 is much more useful for threats of warp shock than vertical shock, as in previous shielding systems.

특히, 상기 상하부 범퍼 사이에 방탄성을 갖는 파라계 방향족 폴리아마이드 직물섬유층 및 세라믹 합성섬유층을 더 포함할 수 있다. 파라계 방향족 폴리아마이드 직물섬유층으로는 케블라(Kevlar)가, 세라믹 합성섬유층은 넥스텔(Nextel)이 사용될 수 있다. 케블라(Kevlar) 및 넥스텔(Nextel)은 방탄성이 우수하여 발사체와 발사체 조각의 충격과 속도를 늦추는데 우수하다. Particularly, a para-aromatic polyamide fabric fiber layer and a ceramic synthetic fiber layer having elasticity between the upper and lower bumpers may be further included. Kevlar may be used as the para-aromatic polyamide fabric fiber layer, and Nextel may be used as the ceramic synthetic fiber layer. Kevlar and Nextel are excellent in elasticity to slow the impact and speed of projectile and launch vehicle fragments.

상기 상부 범퍼(210)는 5층의 케블라(Kevlar) 및 3층의 넥스텔을 포함할 수 있고, 상기 중간 범퍼(220)는 8층의 케블라 및 2층의 넥스텔을 포함하고, 상기 하부 범퍼(230)는 1층의 넥스텔 및 5층의 케블라를 더 포함할 수 있다.The upper bumper 210 may include five layers of Kevlar and three layers of nextel, the middle bumper 220 includes eight layers of Kevlar and two layers of nextel, the lower bumper 230 ) May further include one-layer nextel and five-layer Kevlar.

특히 중간 범퍼(220)는 중간 범퍼(220)의 상부에 4층의 케블라 및 2층의 넥스텔, 하부에 4층의 케블라를 포함하여 순서대로 적층할 수 있다.Particularly, the intermediate bumper 220 can be stacked in order on the upper part of the intermediate bumper 220, including Kevlar four layers, Nextel two layers, and Kevlar four layers below.

상기 상부 범퍼(210)의 중심과 상기 하부 범퍼(230)의 중심 사이의 이격 거리(standoff distance)가 적어도 200 mm일수 있다. 중간 범퍼(220)의 평균 중심은 상하부 범퍼의 중심과 각각 100mm 이상의 이격 거리를 가질 수 있다. The standoff distance between the center of the upper bumper 210 and the center of the lower bumper 230 may be at least 200 mm. The average center of the intermediate bumper 220 may have a separation distance of 100 mm or more from the center of the upper and lower bumper, respectively.

본 발명에 따른 우주선은 우주구조물 복합 쉴딩 구조체가 사용될 수 있고, 램측면(ram side)은 상기 중간 범퍼가 상기 상하부 범퍼(210, 230)와 40°내지 50°의 경사각을 이루고, 상부면(top side)은 상기 중간 범퍼(220)가 상기 상하부 범퍼(210, 230)와 25°내지 35°의 경사각을 이룰 수 있다. 특히, 최적의 램측면의 보호를 위하여 중간 범퍼(220)는 45°경사를 가질 수 있으며, 상부면의 보호를 위하여 중간 범퍼(220)는 30°의 경사를 가질 수 있다.The spacecraft according to the present invention may be used as a composite shielding structure of a space structure. The ram side is formed such that the intermediate bumper forms an inclination angle of 40 ° to 50 ° with the upper and lower bumpers 210 and 230, the intermediate bumper 220 can be inclined at an angle of 25 to 35 with the upper and lower bumpers 210 and 230. In particular, the intermediate bumper 220 may have a 45 ° tilt for optimal ram side protection and the intermediate bumper 220 may have a 30 ° tilt for protection of the top surface.

복합 쉴딩 구조체를 실험하는 단계는 복합재료를 선정하여 오토클레이브로 제작하는 단계, LEO 환경에 노출시키는 단계, LEO 환경 후 하락하는 재료 물성을 관찰하는 단계, 1. 경사각을 가지는 단일 범퍼, 2.이중 범퍼, 3. 삼중 범퍼 및 4. 중간 범퍼가 경사각을 가지는 삼중 범퍼를 LGG(light gas gun)을 사용하여 충격 테스트하는 단계, 넥스텔 및 케블라를 포함하는 복합 쉴딩 구조체의 충격 테스트 단계, 이격 거리(standoff distance) 및 면 밀도를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.Experiments on the composite shielding structure include selecting a composite material and fabricating it with an autoclave, exposing it to the LEO environment, observing the material properties falling after the LEO environment, 1. a single bumper with an inclination angle, Bumper, 3. triple bumper, and 4. intermediate bumper impact test using a light gas gun (LGG) with a triple bumper having an inclination angle, impact test step of composite shielding structure including Nextel and Kevlar, standoff distance and the surface density of the target.

도 7은 본 발명에 따른 복합 쉴딩 구조체의 실험 개념도로서, 1단계 실험은 경사각을 가지는 단일 복합재료 범퍼(200), 2단계 실험은 경사각을 가지는 이중 복합재료 범퍼(200), 3단계 실험은 상부 범퍼(210), 중간 범퍼(220), 하부 범퍼(230)로 이루어지되, 중간 범퍼(220)가 경사각을 가지고 6층의 넥스텔(300), 18층의 케블라(400)를 더 포함하는 삼중 복합재료 범퍼(200)에 발사체(100)를 발사하여 실험하였다. FIG. 7 is a conceptual explanatory view of a composite shielding structure according to the present invention. In the first stage test, a single composite bumper 200 having an inclination angle, a double-stage composite bumper 200 having an inclination angle, Wherein the intermediate bumper 220 has an inclination angle and further comprises a six-layer nextel 300 and an eighteen-layer Kevlar 400. The three- And the projectile 100 was fired on the material bumper 200 to test it.

보다 구체적으로 도 8 내지 도 18과 실험예들을 통해 본 발명에 따른 복합 차페구조체를 설명하면 다음과 같다.More specifically, the composite carpet structure according to the present invention will be described with reference to FIGS. 8 to 18 and experimental examples.

(실험예 1)(Experimental Example 1)

도 8은 carbon/epoxy 시스템에 의한 에너지 흡수를 나타낸 그래프로서, 복합재의 우수성을 확인하기 위하여 알루미늄(6061-T6) 범퍼와 (주)한국화이바에서 생산한 carbon/epoxy 프리프래그(CU125NS)를 [0/±45/90]2s의 적층순서(stacking sequence)로 적층하였다.8 is a graph showing energy absorption by the carbon / epoxy system. In order to confirm the superiority of the composite material, aluminum (6061-T6) bumper and carbon / epoxy prepreg (CU125NS) / ± 45/90 ] 2 s.

본 실험에서는 (주)한국화이바에서 생산한, 4종류의 carbon/epoxy 프리프래그를 사용하였다. 4종의 프래프래그는 각각 한 단층(lamina)의 두께가 0.03mm, 0.05mm, 0.125mm, 0.25mm로 제품명은 앞의 순서대로 CU030NS, CU050NS, CU125NS, CU250NS이다. 또한, 프리프래그 제작에 사용된 탄소섬유는 T700이며, 강화재는 에폭시(epoxy)이다. 동일 면밀도의 복합재 제작을 목표로 각 프리프래그를 준등방성(qausi-isotropic)으로 적층하여 오토클래이브(autoclave)에서 온도와 압력을 가하여 적층판(laminate plate)을 성형하였다. CU125NS는 16층으로 제작되었다. In this experiment, four types of carbon / epoxy prepreg produced by Korea Fiber Co., Ltd. were used. The thickness of each lamina is 0.03mm, 0.05mm, 0.125mm, and 0.25mm, respectively. The product name is CU030NS, CU050NS, CU125NS, CU250NS in the order of the previous one. In addition, the carbon fiber used for preparing the prepreg is T700, and the reinforcing material is epoxy. A laminate plate was formed by laminating each prepreg with qausi-isotropic in order to produce a composite of the same areal density and applying temperature and pressure in an autoclave. CU125NS is made of 16 layers.

표 1은 16층으로 적층된 CU125NS의 적층순서를 나타낸 것이다. 비록 각각의 개별층이 기준 좌표에 대하여 등방 또는 이방으로 적층되지만, 준등방성으로 적층된 프리프레그는 적층 수준에서 등방성 재료와 같은 거동을 나타낸다. Table 1 shows the stacking order of CU125NS laminated in 16 layers. Although each individual layer is isotropically or anisotropically stacked with respect to reference coordinates, a preprayed stack with quasi-isotropic behavior behaves like an isotropic material at the stacking level.

Figure pat00001
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제작된 복합재료 시편에 대한 충격 시험에는 2단 압축 개스건(2 stage gas gun)을 사용하였다. 발사체 속도 1000±50m/s 범위의 결과 값을 정리하고, 시편 종류별 단위 무게(1g)당 에너지 흡수량을 계산한 결과는 도 8과 같다. CU030NS부터 CU250NS까지 각 시편의 충격 에너지 흡수량은 각각 1.49 J, 1.51 J, 1.60 J, 1.42 J이다. 단위 무게(1g)당 에너지 흡수량 결과 역시 CU125NS로 제작된 시편이 가장 효과적으로 나타났다.A two stage gas gun was used for the impact test on the fabricated composite specimens. The result of the range of the launching speed of 1000 ± 50 m / s is summarized and the energy absorption amount per unit weight (1 g) of each specimen is calculated as shown in FIG. From CU030NS to CU250NS, the impact energy absorption of each specimen is 1.49 J, 1.51 J, 1.60 J, and 1.42 J, respectively. The energy absorption rate per unit weight (1g) was also the most effective for the CU125NS specimen.

16층의 CU125NS [0/±45/90]2s가 알루미늄(6061-T6) 보다 평균 7 % 더 많은 에너지를 흡수하는 것이 실험에 의해 입증되었다.Experiments have shown that CU125NS [0 / ± 45/90] 2s in the 16th layer absorbs an average of 7% more energy than aluminum (6061-T6).

(실험예 2)(Experimental Example 2)

도 9는 LGG(light gas gun) 내부에 복합재료 시편을 배열한 사진으로서, (실험예 1)에서 입증된 16 층의 CU125NS [0/±45/90]2s를 2단계의 LGG(light gas gun)를 사용하여 M/OD에 대한 쉴딩실험을 하였다. 유체는 헬륨과 아르곤을 사용하고, 작동압력은 6 내지 12 bar, 100 내지 130 bar이며, 사용된 파편의 무게는 0.25g, 지름이 5.56mm 인 Al2017-T4를 사용하였다. 시편은 발사체 발사 후 880mm에 배치하였으며, 도 9와 같이 30°, 45°, 60°의 경사로 배치되었다.FIG. 9 is a photograph of a composite material specimen arranged in a light gas gun (LGG). The CU125NS [0 / ± 45/90] 2s of sixteen layers proved in Experimental Example 1, ) Was used for shielding experiments on M / OD. The fluid used was helium and argon, the working pressure was 6-12 bar, 100-130 bar, the weight of the debris used was 0.25 g, and the diameter was 5.56 mm. The specimen was placed at 880 mm after launching the projectile, and was arranged at 30 °, 45 °, and 60 ° inclination as shown in FIG.

도 10은 복합재료 시편의 경사에 따른 에너지 흡수 평균을 비교한 그래프로서, 시편에 침투하기 전에 여러 조각으로 파쇄된 발사체는 65°이상의 각도에서는 발사체가 시편을 완전히 통과하지 않는다. 1000 ± 100 m/s 의 속도범위에서 30°, 45°, 60°의 경사에서 에너지 흡수를 나타낸다.FIG. 10 is a graph comparing the energy absorption averages according to the slope of the composite material specimen. In the projectile having been crushed into several pieces before penetrating the specimen, the projectile does not completely pass through the specimen at an angle of more than 65 degrees. It exhibits energy absorption at slopes of 30 °, 45 ° and 60 ° in the speed range of 1000 ± 100 m / s.

도 11은 0°, 30°, 45°, 60°의 경사에서 에너지 흡수를 나타낸 그래프로서, 0°에서 60°로 입사각의 변화에 따라 에너지 흡수가 전형적으로 증가하였다. 0°에서 30°로 입사각의 변화에 따라 에너지 흡수는 15% 증가하였고, 0°에서 45°로 입사각의 변화에 따라 에너지 흡수는 35% 증가하여, 45°입사각이 30°입사각에 입하여 20% 더 많은 에너지 흡수를 하였다. 60°입사각의 경우, 0°입사각에 비하여 50% 이상, 30°입사각에 비하여 40% 이상, 45°입사각에 비하여 25% 이상 증가하였다.FIG. 11 is a graph showing energy absorption at 0 °, 30 °, 45 ° and 60 ° inclination, where energy absorption typically increases with a change in the angle of incidence from 0 ° to 60 °. The energy absorption increased by 15% from 0 ° to 30 ° and the energy absorption increased by 35% as the angle of incidence changed from 0 ° to 45 °. The 45 ° incident angle was 20% Absorbed more energy. At 60 ° incident angle, it was more than 50% higher than 0 ° incident angle, more than 40% more than 30 ° incident angle, and more than 25% more than 45 ° incident angle.

경사진 복합재료 시편은 경사각이 0°인 수직의 복합재료 시편보다 더 높은 에너지를 흡수하였으며, 복합재료 시편은 기존의 금속 합금에 비하여 평균 7 % 이상의 에너지 흡수를 보였다.Inclined composite specimens absorbed higher energy than vertical composite specimens with 0 ° inclination angle, and composite specimens showed an average energy absorption of more than 7% compared to conventional metal alloys.

(실험예 3)(Experimental Example 3)

도 12는 LGG(light gas gun) 내부에 이중 복합재료 시편을 배열한 사진으로서, 이격 거리(standoff distance)가 100mm인 이중 복합재료 범퍼로 실험하였다. 단일 기준에 모든 실험을 비교하기 위해 비 흡수 에너지를 측정하였다.12 is a photograph of a double composite material specimen arranged in a light gas gun (LGG), which was tested with a double composite material bumper having a standoff distance of 100 mm. The non-absorbed energy was measured to compare all experiments to a single reference.

도 13은 측정한 속도에 따른 이중 복합재료의 평균 흡수에너지를 나타낸 그래프로서, 흡수에너지는 속도의 증가와 함께 증가하였다. FIG. 13 is a graph showing the average absorbed energy of the double composite according to the measured velocity, with the absorption energy increasing with increasing velocity.

경사각이 30°인 이중 복합재료 시편의 경우 1500 ±100 m/s의 속도 범위에서 흡수에너지는 평균 300 J/(g/cm2)이고, 2000 ±100 m/s의 속도 범위에서 400 J/(g/cm2)로 증가한다.For a double composite specimen with an inclination angle of 30 °, the absorption energy is 300 J / (g / cm 2 ) at a speed range of 1500 ± 100 m / s and 400 J / g / cm < 2 >).

경사각이 0°인 이중 복합재료 시편의 경우 1500 ±100 m/s의 속도 범위에서 흡수에너지는 평균 210 J/(g/cm2)이고, 2000 ±100 m/s의 속도 범위에서 350 J/(g/cm2)로 나타났다.The absorbed energy was 210 J / (g / cm 2 ) at the speed range of 1500 ± 100 m / s for the double composite specimen with an inclination angle of 0 ° and 350 J / ( g / cm < 2 >).

경사각이 45°인 이중 복합재료 시편의 경우 1500 ±100 m/s의 속도 범위에서 흡수에너지는 평균 350 J/(g/cm2)으로 경사각이 30°인 이중 복합재료에 비하여 14% 증가하였다.For double composite specimens with an inclination angle of 45 °, the absorption energy was increased by 14% compared to the double composite with an average inclination angle of 30 ° at an average speed of 350 J / (g / cm 2 ) at a speed range of 1500 ± 100 m / s.

특히, 이중 복합재료의 질량 증가와 흡수에너지 증가와의 관계를 비교하면, 경사각이 30°인 이중 복합재료는 경사각이 0°인 이중 복합재료에 비하여 질량은 13% 증가하고, 1500 ±100 m/s의 속도 범위에서 흡수에너지는 30%증가 하였다. In particular, the comparison of the relationship between the mass increase of the double composite material and the increase of the absorbed energy shows that the mass of the double composite material with an inclination angle of 30 ° is 13% larger than that of the double composite material with an inclination angle of 0 °, s, the absorbed energy increased by 30%.

마찬가지로, 경사각이 45°인 이중 복합재료는 경사각이 0°인 이중 복합재료에 비하여 질량은 29% 증가하고, 1500 ±100 m/s의 속도 범위에서 흡수에너지는 40%증가 하였다.Likewise, a dual composite material with an inclination angle of 45 ° has a mass increase of 29% and a 40% increase in absorbance energy over a speed range of 1500 ± 100 m / s, compared to a dual composite material with an inclination angle of 0 °.

이는 복합재료가 단지 질량의 증가만으로 흡수에너지가 증가하는 것이 아니라 경사를 가지는 구조로 인하여 흡수에너지를 더 증가시키는 것으로서, 경사각을 가지는 쉴딩 구조체가 우주 파편으로부터 보호하기에 우수한 구조임을 나타낸다.This indicates that the composite material has a structure that has an inclination rather than an increase in absorbed energy merely by increasing the mass, thereby further increasing the absorbed energy, indicating that the shielding structure having an inclination angle is an excellent structure for protecting against the space debris.

(실험예 4)(Experimental Example 4)

이중 복합재료 시편의 우수성은 (실험예 3)에 의해 입증되어 단일 경사 때, 중간 범퍼를 가지는 삼중 복합재료를 실험하였다. 첫 범퍼에서 마지막 범퍼까지 이격 거리(standoff distance)은 200mm를 유지하였다. 도 14는 M/OD로부터 보호하기 위하여 이격 거리(standoff distance)에 따른 범퍼와 뒷벽의 필요 두께를 나타낸 도면이다. 도 14와 같이, 두께 비교가 이루어질 때 200mm 이격 거리(standoff distance)는 초기 추정치로 적절할 수 있다.The superiority of the double composite specimen was verified by (Experimental Example 3), and the triple composite material having an intermediate bumper was tested at a single slope. The standoff distance from the first bumper to the last bumper was maintained at 200 mm. FIG. 14 is a view showing a necessary thickness of the bumper and the rear wall according to a standoff distance for protecting from M / OD. FIG. As shown in FIG. 14, when thickness comparison is made, a 200 mm standoff distance may be appropriate as an initial estimate.

도 15는 LGG(light gas gun) 내부에 삼중 복합재료 시편을 배열한 사진으로서, 도 16은 측정한 속도에 따른 삼중 복합재료의 평균 흡수에너지를 나타낸 그래프이다.FIG. 15 is a photograph showing a triple composite material specimen arranged in a light gas gun (LGG), and FIG. 16 is a graph showing an average absorbed energy of a triple composite material according to a measured speed.

경사각이 30°인 삼중 복합재료 시편의 경우 2000 ±100 m/s의 속도 범위에서 흡수에너지는 평균 450 J/(g/cm2)로 나타났다. 삼중 복합재료의 흡수에너지는 경사각이 30°와 45°인 이중 복합재료에 비하여 각각 33%와 22% 높게 나타났다.In the case of triple composite specimens with an inclination angle of 30 °, the average absorption energy was 450 J / (g / cm 2 ) at a velocity range of 2000 ± 100 m / s. The absorbed energies of triple composites were 33% and 22% higher than those of dual composites with tilting angles of 30 ° and 45 °, respectively.

경사각이 45°인 삼중 복합재료 시편의 경우 2000 ±100 m/s의 속도 범위에서 흡수에너지는 평균 500 J/(g/cm2)로 나타났으며, 경사각이 30°와 45°인 이중 복합재료에 비하여 각각 40%와 30% 높게 나타났다.In the case of triple composite specimens with an inclination angle of 45 °, the average absorption energy was 500 J / (g / cm 2 ) at a velocity range of 2000 ± 100 m / s and a double composite material with inclination angles of 30 ° and 45 ° And 40% and 30%, respectively.

(실험예 5)(Experimental Example 5)

최종 실험은 충격강도에 따라 18 케블라(Kevlar) 층으로 총 6 넥스텔(Nextel AF62)층으로 구성되었다. 두 가지 구성으로 NOACoS(수직 각도(0°)와 경사각의 복합 쉴딩)의 NOACoS-30(30°경사각의 중간 범퍼)와 NOACoS-45(45°경사각의 중간 범퍼)를 채택하였다.The final test consisted of 18 Kevlar layers, totaling 6 Nextel AF62 layers, depending on the impact strength. NOACoS-30 (intermediate bumper with 30 ° inclination angle) and NOACoS-45 (intermediate bumper with 45 ° inclination angle) with NOACoS (composite shield of vertical angle (0 °) and inclination angle) were adopted in two configurations.

우주선의 램(ram) 측면을 보호하기 위하여 NOACoS-45을, 우주선의 상부면(top surface) 을 보호하기 위하여 NOACoS-30을 제안하였다.We proposed NOACoS-45 to protect the ram's side of the ship, and NOACoS-30 to protect the top surface of the ship.

표 2는 복합 쉴딩 구조체의 삼중 복합재료 구성을 나타낸 것이다. Table 2 shows the triple composite structure of the composite shielding structure.

Figure pat00002
Figure pat00002

충격에 의한 에너지에 기초하여, 마지막 범퍼에 도달할 때 이전 범퍼에 의하여 이미 충격에너지에 의하여 흡수되므로, 첫 번째 범퍼는 넥스텔(Nextel AF62)층이 3겹이고, 중간 범퍼는 2겹, 세번째 범퍼는 1겹이 포함되어 구성될 수 있다. Based on the energy due to impact, when the last bumper is reached, it is already absorbed by the impact energy by the previous bumper, so the first bumper is three layers of Nextel AF62 layer, the middle bumper is two layers, One layer may be included.

표 3 및 표 4는 각각 NOACoS-30와 NOACoS-45의 면적밀도를 나타낸 것이다.Table 3 and Table 4 show the areal densities of NOACoS-30 and NOACoS-45, respectively.

Figure pat00003
Figure pat00003

Figure pat00004
Figure pat00004

삼중 복합재료의 각 범퍼가 (0°,45°,0°)의 경사각으로 배열된 복합 쉴딩 구조체의 2000 ±100 m/s의 속도 범위에서 흡수에너지는 (0°,30°,0°)로 배열된 복합 쉴딩 구조체에 비하여 평균 10%정도 우수하게 나타났다.Absorbed energy (0 °, 30 °, 0 °) at a velocity range of 2000 ± 100 m / s for a composite shielding structure in which each bumper of a triple composite material is arranged at an oblique angle of 0 °, 45 °, 0 ° Compared to the arrayed composite shielding structure, it was about 10% better on average.

복합재료에 내부(stuffing) 직물인 넥스텔(Nextel)과 케블라(Kevlar)를 더 포함한 구성은 발사체와 발사체 조각의 충격과 속도를 늦추는데 우수한 것으로 나타났다. 이는 발사체가 다른 재료와 접하도록 내부에 사용되고 이에 따른 임피던스 불일치는 발사체의 에너지 흡수에 매우 효율적이다. Compositing the stuffing fabric Nextel and Kevlar into composites was found to be superior in slowing the impact and speed of the projectiles and projectile pieces. It is used internally for the projectile to contact other materials, and the resulting impedance mismatch is very efficient for the energy absorption of the projectile.

중간 범퍼의 경사가 30°, 45°인 복합 쉴딩 구조체의 면적밀도는 각각 1.72 g/cm2 와 1.86 g/cm2로서 동일한 수준의 ISS에 사용되는 다른 쉴딩 시스템보다 면적 밀도가 낮으며, 5mm보다 작은 우주의 파편을 대상으로 이격 거리(standoff distance)는 200mm로 유지하였다.The area density of the composite shielding structure with the intermediate bumper slopes of 30 ° and 45 ° is 1.72 g / cm 2 and 1.86 g / cm 2, respectively, and is less dense than other shielding systems used for the same level of ISS, And the standoff distance was maintained at 200 mm.

도 17은 탄도 한계 곡선이다. 쉴딩 실험은 약 2 km/s의 속도 범위에서 실시되었지만, 실제 우주환경에서의 파편 속도는 약 7km/s이다. 그러나 도 17과 같이, 탄도 한계 방정식(BLES)에 따라 3km/s 속도보다 낮은 범위는 파편의 대부분이 용융되지 않고 그대로 남아있어 더 많은 손상을 주게 된다. 쉴딩 시스템이 이러한 속도 범위에 대해 보호가 가능하면, 더 높은 속도의 파편으로부터 보호도 가능하다. 17 is a ballistic limit curve. Shielding experiments were conducted at a speed range of about 2 km / s, but the actual fragmentation rate in space is about 7 km / s. However, as shown in FIG. 17, according to the ballistic limit equation (BLES), a range lower than the speed of 3 km / s causes most of the debris to remain unmelted and cause more damage. If the shielding system is capable of protecting against this speed range, it is also possible to protect it from debris at higher speeds.

이 실험에서는 구형의 발사체에 대한 결과만 고려되었으며 다른 우주 파편에 대하여 검증될 필요가 있으나, 비스듬한 충격에 대하여 삼중 복합재료의 중간범퍼가 경사각을 가지고 배열된 복합 쉴딩 구조체는 이전의 쉴딩 시스템에 비하여 효과적이고 효율적으로 확인되었다.In this experiment, only the results for spherical projectiles were considered, and the composite shielding structure in which the intermediate bumper of the triple composite material was arranged at an inclination angle against the oblique impact was required to be verified against other space debris, And it was confirmed efficiently.

이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those skilled in the art that various changes and modifications may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined in the appended claims. It will be possible.

100: 발사체 200: 복합재료 범퍼
210: 상부 범퍼 220: 중간 범퍼
230: 하부 범퍼 300: 넥스텔
400: 케블라
100: Projectile 200: Composite material bumper
210: upper bumper 220: intermediate bumper
230: Lower bumper 300: Nextel
400: Kevlar

Claims (13)

섬유강화 복합재료가 간격을 두고 배열되되 서로 평행을 이루는 상하부 범퍼 및
상기 상하부 범퍼 사이에 설치되되 상기 상하부 범퍼와 임의의 각도를 이루고 섬유강화 복합재료로 구성되는 중간 범퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 M/OD(Micrometeoroid/Orbital Debris)로 인한 초고속 충격으로부터 보호하는 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩(shielding) 구조체.
The fiber-reinforced composite materials are arranged at intervals, but the upper and lower bumpers
And an intermediate bumper disposed between the upper and lower bumpers, the intermediate bumper having an arbitrary angle with the upper and lower bumpers and being made of a fiber reinforced composite material. The M / OD (Micrometeoroid / Orbital Debris) A composite shielding structure.
제1항에 있어서,
상기 섬유강화 복합재료는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP:carbonfiber-Reinforced plastics)인 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the fiber-reinforced composite material is carbon fiber-reinforced plastics (CFRP).
제1항에 있어서,
상기 섬유강화 복합재료는 carbon/epoxy 프리프레그(prepreg)로 성형한 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the fiber-reinforced composite material is formed of a carbon / epoxy prepreg.
제3항에 있어서,
상기 섬유강화 복합재료는 상기 프리프레그를 준등방성(quasi-isotropic)으로 적층하여 오토클래이브에서 온도와 압력을 가하여 성형한 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method of claim 3,
Wherein the fiber-reinforced composite material is formed by laminating the prepregs in a quasi-isotropic manner and applying the temperature and pressure in an autoclave.
제1항에 있어서,
상기 중간 범퍼는 상기 상하부 범퍼와 25°내지 65°의 경사각을 이루는 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the intermediate bumper forms an angle of inclination of 25 ° to 65 ° with the upper and lower bumper.
제1항에 있어서,
상기 상하부 범퍼 사이에 방탄성을 갖는 파라계 방향족 폴리아마이드 직물섬유층 및 세라믹 합성섬유층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method according to claim 1,
Further comprising a para-aromatic polyamide fabric fiber layer having elasticity between the upper and lower bumpers and a ceramic synthetic fiber layer.
제6항에 있어서,
상기 상부 범퍼의 하부에 5층의 케블라(Kevlar) 및 3층의 넥스텔을 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method according to claim 6,
Wherein the upper bumper comprises five layers of Kevlar and three layers of nextel at the bottom of the upper bumper.
제6항에 있어서,
상기 중간 범퍼는 8층의 케블라 및 2층의 넥스텔을 포함하되, 상부에 4층의 케블라 및 2층의 넥스텔을 포함하고, 하부에 4층의 케블라을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method according to claim 6,
Wherein the intermediate bumper comprises Kevlar of eight layers and Nextel of two layers, further comprising four layers of Kevlar and two layers of Nextel on the top and four layers of Kevlar on the bottom. .
제6항에 있어서,
상기 하부 범퍼의 상부에 1층의 넥스텔 및 5층의 케블라를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method according to claim 6,
Further comprising one layer of nextel and five layers of Kevlar on top of the lower bumper.
제1항에 있어서,
상기 상부 범퍼의 중심과 상기 하부 범퍼의 중심 사이의 이격 거리(standoff distance)가 적어도 200 mm인 것을 특징으로 하는 우주구조물 복합 쉴딩 구조체.
The method according to claim 1,
Wherein the standoff distance between the center of the upper bumper and the center of the lower bumper is at least 200 mm.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 우주구조물 복합 쉴딩 구조체가 사용되는 것을 특징으로 하는 우주선.A spacecraft characterized in that a composite shielding structure of any one of claims 1 to 10 is used. 제11항에 있어서,
램측면(ram side)은 상기 중간 범퍼가 상기 상하부 범퍼와 40°내지 50°의 경사각을 이루는 것을 특징으로 하는 우주선.
12. The method of claim 11,
Wherein the ram side is such that the intermediate bumper makes an angle of inclination of 40 ° to 50 ° with the upper and lower bumper.
제11항에 있어서,
상부면(top side)는 상기 중간 범퍼가 상기 상하부 범퍼와 25°내지 35°의 경사각을 이루는 것을 특징으로 하는 우주선.
12. The method of claim 11,
And the top side is such that the intermediate bumper forms an oblique angle with the upper and lower bumpers of between 25 and 35 degrees.
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