현재 개발 중인 KSLV-I은 2단으로 구성된 발사체이며, 1/2단은 어댑터 링을 사용하여 연결한다. 단 조립 후에 1/2단 통신을 위해 사용되는 케이블은 외부로 노출된다. 또한 1/2단 분리를 위하여 어댑터 링에 장착되는 8개의 파이로 볼트도 외부로 노출된다. 이처럼 외부로 노출되는 케이블이나 작동 시 파편 및 충격으로 인한 피해가 우려되는 부분에는 부품과 구조물을 보호하기 위해 일반적으로 카울을 사용하고 있다. KSLV-에서는 용도에 따라 2종의 카울(엄비리컬 카울, 파이로 볼트 카울)을 설계하였다. 카울은 외부로 노출되었기 때문에 공기 유동으로 발생되는 열과 압력 하중을 받게 된다. 따라서 카울은 열과 압력 하중에 대한 구조 강도를 해석을 통하여 검증하여야 한다. 본 연구에서는 열 하중을 제외한 압력 하중에 대한 구조 해석을 수행하였다. 구조 해석 결과 파이로 볼트 카울은 구조해석 결과로부터 구조 강도면에서 안전함을 확인하였지만, 엄비리컬 카울의 경우 주어진 압력하중으로 인해 파손됨을 확인하였다. 하중 조건을 만족시킬 수 있도록 엄비리컬의 카울의 형상을 변경하였으며 추가적으로 구조 해석을 수행하여 하중 조건을 만족함을 확인하였다.
현재 개발 중인 KSLV-I은 2단으로 구성된 발사체이며, 1/2단은 어댑터 링을 사용하여 연결한다. 단 조립 후에 1/2단 통신을 위해 사용되는 케이블은 외부로 노출된다. 또한 1/2단 분리를 위하여 어댑터 링에 장착되는 8개의 파이로 볼트도 외부로 노출된다. 이처럼 외부로 노출되는 케이블이나 작동 시 파편 및 충격으로 인한 피해가 우려되는 부분에는 부품과 구조물을 보호하기 위해 일반적으로 카울을 사용하고 있다. KSLV-에서는 용도에 따라 2종의 카울(엄비리컬 카울, 파이로 볼트 카울)을 설계하였다. 카울은 외부로 노출되었기 때문에 공기 유동으로 발생되는 열과 압력 하중을 받게 된다. 따라서 카울은 열과 압력 하중에 대한 구조 강도를 해석을 통하여 검증하여야 한다. 본 연구에서는 열 하중을 제외한 압력 하중에 대한 구조 해석을 수행하였다. 구조 해석 결과 파이로 볼트 카울은 구조해석 결과로부터 구조 강도면에서 안전함을 확인하였지만, 엄비리컬 카울의 경우 주어진 압력하중으로 인해 파손됨을 확인하였다. 하중 조건을 만족시킬 수 있도록 엄비리컬의 카울의 형상을 변경하였으며 추가적으로 구조 해석을 수행하여 하중 조건을 만족함을 확인하였다.
KSLV-I which is being developed in KARI is composed with two stages, and adaptor ring is used for coupling stage. Cables for interconnecting between stage is exposed on the outside. Also 8 pyro bolts which are installed in adaptor ring are used for separation of stage. In general, cowl is used for p...
KSLV-I which is being developed in KARI is composed with two stages, and adaptor ring is used for coupling stage. Cables for interconnecting between stage is exposed on the outside. Also 8 pyro bolts which are installed in adaptor ring are used for separation of stage. In general, cowl is used for protecting exposed parts or structure which are anxious about damage from outer environment. In KSLV-I, two kind of cowls are designed. The one is umbilical cowl, and the other is pyro bolt cowl. Because cowl is exposed on the outside, heat and pressure load developed from air have effect on cowls. Therefore verification of structural strength through static analysis is required. In this study, static analysis in load condition except heat load is accomplished. In result of analysis, structural strength of pyro bolt cowl is verified. But breakage of umbilical cowl is confirmed in pressure load condition. So design of umbilical cowl is modified for satisfying required structural strength. And structural strength of umbilical cowl through analysis is verified.
KSLV-I which is being developed in KARI is composed with two stages, and adaptor ring is used for coupling stage. Cables for interconnecting between stage is exposed on the outside. Also 8 pyro bolts which are installed in adaptor ring are used for separation of stage. In general, cowl is used for protecting exposed parts or structure which are anxious about damage from outer environment. In KSLV-I, two kind of cowls are designed. The one is umbilical cowl, and the other is pyro bolt cowl. Because cowl is exposed on the outside, heat and pressure load developed from air have effect on cowls. Therefore verification of structural strength through static analysis is required. In this study, static analysis in load condition except heat load is accomplished. In result of analysis, structural strength of pyro bolt cowl is verified. But breakage of umbilical cowl is confirmed in pressure load condition. So design of umbilical cowl is modified for satisfying required structural strength. And structural strength of umbilical cowl through analysis is verified.
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가설 설정
62mm이고 최대 변위는 카울의 끝단에서 발생하였다. 두 번째 조건에 비해 최대 변위가 크게 나왔고 최대 변위 발생 지점도 바뀐 것은 실제 파이로 볼트 카울과 어댑터 링은 약간의 유격을 가지게 설계가 되었고 이번 해석에서는 두 모델의 유격이 반영이 되었지만, , 두 번째 해석에서는 유격이 없는 것으로 가정을 하고 변위를 고정하였기 때문이다. 그림 11의 오른쪽 그림은 최대 압력 하중에서의 변형률을 나타내며 최대 변형률은 1700任이다.
제안 방법
KSLV-I 상단부의 엄비리컬 케이블과 파이로 볼트에 가해지는 공력가열을 방지하고 부품을 위부 환경으로부터 보호하기 위해 카울을 설계하였다. 카울은 동체 외피에 위치하기 때문에 공력가열뿐만 아니라 외부 유동으로 인해 압력 하중을 받게 된다.
따라서 압력 하중에 대한 안정성 여부를 확인하는 것이 필요하다. 구조해석에서는 엄비리컬 카울과 파이로 볼트 카울에 대해서 각각의 해석 조건하서 구조해석을 수행하였으며 결과를 요약하면 다음 표와 같다.
그림 18에서와 같이 파이로 볼트 카울의 유한요소 모델에 어댑터 링의 일부분에 대한 유한 요소 모델을 추가하여 하중에 따른 파이로 볼트 카울의 변형 형상을 살펴보았다. 그림 11의 왼쪽 그림은 최대 하중에서의 카울의 변위 분포를 나타낸 그림이다.
링에 조립이 된다. 따라서 파이로 볼트 카울과 마찬가지로 조립면의 변위는 제한하고 해석을 수행하였으며, 엄비리컬 카울의 끝단의 변위는 1단과의 인터페이스를 고려하여 자유단 조건(경계 조건 A)과 면 방향 변위 고정 조건(경계조건 C)을 사용하여 해석을 수해하였다.
본 구조해석에서는 카울에 작용하는 하중은 공력으로 인해 발생되는 압력하중만을 고려하였으며 운용 중에 발생하는 최대압력은 표 3과 같다. 실제 압력은 카울의 면에 균일하게 작용하지 않지만 표 3에서와 같이 평균 압력이 최대압력과 큰 차이가 없기 때문에 본 구조 해석에서는 최대압력을 기준으로 카울 표면에 균일하게 적용하였으며, 실제 압력하중은 안전계수(1.
따라서 카울의 구조 강도를 검증하기 위해서 구조 해석 작업이 필요하다. 본 연구에서는 KSLV-I 상단부에 사용되는 카울을 설계하였으며 압력 하중에 대한 구조해석을 수행하였으며 해석 결과로부터 카울의 구조 강도를 검증하였다.
세 번째 해석에서는 파이로 볼트 카울과 어댑터 링의 상호 접촉 조건을 이용하여 해석을 수행하였다. 그림 18에서와 같이 파이로 볼트 카울의 유한요소 모델에 어댑터 링의 일부분에 대한 유한 요소 모델을 추가하여 하중에 따른 파이로 볼트 카울의 변형 형상을 살펴보았다.
같다. 쉘 요소를 사용하였으며, MSC/Marc를 이용하여 비선형 해석을 수행하였다.
실제 압력은 카울의 면에 균일하게 작용하지 않지만 표 3에서와 같이 평균 압력이 최대압력과 큰 차이가 없기 때문에 본 구조 해석에서는 최대압력을 기준으로 카울 표면에 균일하게 적용하였으며, 실제 압력하중은 안전계수(1.5)를 적용한 압력을 사용하였다.
하지만 위의 결과에서 알 수 있듯이 초기 설계의 엄비리컬 카울은 압력 하중을 견디지 못하는 것을 알 수 있다. 엄비리컬 카울의 구조 강성을 증가시키기 위한 몇 가지 방법이 있지만 카울 내부 공간의 타 부품의 배치설계 내역이 정해지지 않았기 때문에 본 연구에서는 두께를 증가시키는 방법을 스용하였다. 경계 조건은 해석 조건 6과 같다.
이런 현상을 해결하기 위해서는 카울의 강성을 증가시켜야 하며 이를 위해서는 구조적으로 취약한 곳에 보강재를 추가하거나 두께를 증가시키거나 소재를 바꾸는 방법 등이 있다. 이 중 현재 여건을 고려하였을 때 두께를 증가시키는 방법이 가장 적절하고 판단이 되어 엄비리컬 카울의 두 번째 해석에서는 두께를 두 배 증가시킨 모델(4mm)에 대해서 수행하였다. 해석에 사용된 모델의 적층 패턴은 [02/452/02/452/0爪이다.
하지만 파이로 볼트 카울이 조립 후에 상대적으로 강성이 큰 어댑터 링이 내부에 있기 때문에 카울의 옆면의 변위도 고정된다(경계 조건 B). 파이로 볼트 카울의 윗면은 압력 하중으로 인해 변위가 발생되고 이로 인해 어댑터 링과 접촉이 되어 일정 변위가 생긴 후 경향이 바뀌게 되기 때문에 정확한 해석을 위해 파이로 볼트 카울과 어댑터 링의 contact 해석을 수행하였다.(경계 조건 C)
대상 데이터
KSLV-I 상단부에서는 총 2종을 설계하였으며 수량은 총 10개이다. 카울은 외부로 노출되어 있기 때문에 발사체 운용 중에는 대기로부터 열 하중과 압력 하중을 받게 된다.
경계 조건은 해석 조건 6과 같다. 두께는 3.4mm이로 복합재 17ply를 사용하였으며 적층 패턴은 IO2/452/O2/45/O3/45/O2/452/O2]-1 u}. 그림 17에서는 최대 압력 하중에서의 변위와 변형률 분포를 나타낸다.
열을 견디기 위해서 소재를 고온용 복합재(HPW193- RS3232)를 사용하였으며 카울 외피에 단열재를도포하였다. 표 1은 카울에 적용한 단열재 사양이며/ 표 2는 단열재 도포 두께 및 도포 후의 온도 변화를 나타낸다.
파이로 볼트 카울은 전체 두께가 2mm이며 고온용 복합재(HPW193/RS3232)를 사용한다. 파이로 볼트는 10장의 프리프레그를 사용하였으며 적층 패턴은 [02/452/0]s이다.
이 중 현재 여건을 고려하였을 때 두께를 증가시키는 방법이 가장 적절하고 판단이 되어 엄비리컬 카울의 두 번째 해석에서는 두께를 두 배 증가시킨 모델(4mm)에 대해서 수행하였다. 해석에 사용된 모델의 적층 패턴은 [02/452/02/452/0爪이다.
성능/효과
현재까지 결정된 조립방법에 의거하여 카울의 끝단의 면 방향 변위를 고정하였을 때 역시 초기 설계의 엄비리컬 카울의 경우 파손이 되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 엄비리컬 카울의 경우 압력 하중을 안정성을 확보하기 위해서는 단면의 형상을 바꾸어 구조 강도를 높이는 방안이 필요하며 두께를 3.4mm로 증가시켜서 해석한 결과 구조 강도가 충분함을 확인하였다.
1번에 해당한다. 첫 번째 조건에 따른 구조해석을 수행한 결과 압력하중에 따른 파이로 볼트 카울의 변위량은 최대이며 최대 변위는 카울 끝단에서 발생하였다(그림 6의 왼쪽 그림). 압력하중에 의해 발생한 최대 응력은 최대 185MPa 정도이며 최대 변형률은 3040μ£이다.
변위가 압력하중이 증가하면서 초기에는 선형적으로 증가하다가 약 60%이상의 하중에서는 급격히 증가하는 것을 알 수 있다. 해석 결과로 최 대응력은 878MPa이며 최대 변형률은 9890ue이다. 응력과 변형률의 경우 구조 안정성에는 문제가 없지만 엄비리컬 카울 안에 각종 케이블과의 배치 정보가 명확히 정의되지 않았기 때문에 최대변위량에 대한 적정성 여부는 확인할 수 없고 중량 증가를 피할 수 없다.
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