[논문]VISAR을 이용한 격벽 착화 모듈 특성 연구

장승교; 백성현

VISAR을 이용한 격벽 착화 모듈 특성 연구
Studies on Through-Bulkhead Initiation Module using VISAR 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.14 no.4 = no.59, 2010년, pp.16 - 24

장승교 (국방과학연구소 1기술연구본부 6부) , 백성현 (국방과학연구소 4기술연구본부 2부)

초록
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격벽 착화 모듈은 도우너 화약이 폭발하면서 발생한 충격파가 격벽을 통해 억셉터 화약에 전달되었을 때 동작한다. 격벽 착화 모듈의 가장 중요한 설계 요소인 격벽의 최소 두께를 결정하기 위하여 구조해석을 수행한 결과 격벽의 두께가 0.1 mm 이상인 경우 구조적으로 충분한 마진이 있음을 확인하였다. 격벽의 적정 두께를 결정하기 위하여 VISAR 간섭계를 이용하여 억셉터 화약 충전면에서 자유 표면 속도를 계측하였다. 이 속도를 이용하여 충격 압력으로 환산하고 그 결과를 억셉터 화약의 반응 민감도와 비교함으로서 격벽 두께에 따른 격벽 착화 모듈의 작동 신뢰도를 계산하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A Through-Bulkhead Initiation Module(TBIM) works as the shock-wave generated by the detonation of donor explosive transmits to acceptor explosive. In order to estimate the minimum thickness of the bulkhead of TBIM, the structural stress of TBIM housing is calculated via modeling analysis, and which shows a sufficient margin in strength as the minimum thickness is bigger than 0.1 mm. The free surface velocity at the metal to explosive interface is measured using VISAR to determine the optimal thickness of bulkhead. The shock pressure is calculated from the measured free surface velocity, and the probability of TBIM with respect to the thickness of bulkhead is estimated by comparing the sensitivity of acceptor explosive with it.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 문제를 해결하기 위하여 다양한 방법으로 신뢰도를 예측하는 기법들이 개발되고 있다. 본 연구에서는 궁극적으로 격벽 착화 모듈의 착화 신뢰도를 계산하기 위하여 소량의 시료를 이용하여 VISAR 실험을 수행하였고 간섭무늬의 특성을 분석하였다. 격벽 착화 모듈과 같이 충격파를 이용하여 착화시스템이 구성되는 경우에 VISAR 간섭계를 이용하여 도우너 화약에 의한 충격 압력의 감쇄 특성을 연구함으로 격벽의 적정 두께뿐 아니라 격벽 두께에 따른 신뢰도를 계산할 수 있었다.
3과 같이 전기식 기폭관(detonator)과 도우너 화약만 설치하고 억셉터가 충전되는 면은 부분적으로 평면으로 만들고 그 면을 VISAR의 레이저 빛 반사면으로 만들었다. 이와 같이 함으로서 억셉터가 충전되는 면에서 도우너 화약에 의해 발생되는 충격파 특성을 알아볼 수 있도록 하였다.

가설 설정

해석을 위하여 격벽이 노출되는 압력을 임의로 3,000 psi로 가정하였고 격벽의 최소 두께는 0.1 mm에서 0.5 mm로 변화할 경우 최대 응력과 변형량을 매개변수로 적용하였다. 모듈 구조물의 재질은 SUS 630 (17-4PH) stainless steel을 사용하였고 정적 구조 해석만을 수행하였다.

제안 방법

VISAR 실험을 위하여 격벽 착화모듈을 Fig. 3과 같이 전기식 기폭관(detonator)과 도우너 화약만 설치하고 억셉터가 충전되는 면은 부분적으로 평면으로 만들고 그 면을 VISAR의 레이저 빛 반사면으로 만들었다. 이와 같이 함으로서 억셉터가 충전되는 면에서 도우너 화약에 의해 발생되는 충격파 특성을 알아볼 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 궁극적으로 격벽 착화 모듈의 착화 신뢰도를 계산하기 위하여 소량의 시료를 이용하여 VISAR 실험을 수행하였고 간섭무늬의 특성을 분석하였다. 격벽 착화 모듈과 같이 충격파를 이용하여 착화시스템이 구성되는 경우에 VISAR 간섭계를 이용하여 도우너 화약에 의한 충격 압력의 감쇄 특성을 연구함으로 격벽의 적정 두께뿐 아니라 격벽 두께에 따른 신뢰도를 계산할 수 있었다.
5 mm까지 다양한 시료를 준비하여 VISAR 실험을 수행하였다. 동일한 두께의 시료도 각각 2조 내지 4조씩 준비하여 측정의 재현성을 확인하였다.
본 연구에서는 VISAR(Velocity Interferometer System for Any Reflector)[4]을 이용하여 도우너 화약이 기폭 될 때 발생되는 충격파에 의해 억셉터 화약 충전 면에서 발생되는 자유 표면 속도(free surface velocity)를 측정하였다. 또한 측정된 속도 데이터로부터 격벽 두께에 따른 압력 데이터를 환산하여 RDX 화약의 민감도 데이터와 비교함으로서 격벽 두께별 동작 신뢰도를 계산하였다.
본 연구에서는 VISAR(Velocity Interferometer System for Any Reflector)[4]을 이용하여 도우너 화약이 기폭 될 때 발생되는 충격파에 의해 억셉터 화약 충전 면에서 발생되는 자유 표면 속도(free surface velocity)를 측정하였다. 또한 측정된 속도 데이터로부터 격벽 두께에 따른 압력 데이터를 환산하여 RDX 화약의 민감도 데이터와 비교함으로서 격벽 두께별 동작 신뢰도를 계산하였다.
왜냐하면 도우너 화약에 의해 발생되는 충격파가 격벽을 통하여 전달되어 억셉터 화약을 기폭시킬 때 기폭여부를 좌우하는 충격파 에너지는 억셉터 화약이 충전되는 곡면에서 도우너 화약과 가장 가까운 곡면 중심에서 가장 큰 값을 나타내고 VISAR을 통하여 충격파의 특성을 알아보고자 할 때 우리의 관심 영역은 억셉터 화약이 충전되는 곡면 중심점 이므로 레이저 반사면이 곡면을 이룰 필요는 없다. 본 연구에서는 실험의 편의를 위하여 레이저 빛 반사면을 평면으로 설계하였다.
이 때 구조물은 점화기 및 추진기관의 연소압력에 노출되므로 구조물 특히, 가장 구조적으로 취약한 격벽 부분의 구조적 안전성을 검증해 보아야 한다. 이를 위하여 개략 설계된 격벽 착화 모듈 하우징에 대한 구조 해석을 수행하였다.
해석 대상은 Solid Works 2006을 이용하여 작성되었고 3차원 형상모델을 사용하여 작성한 유한 요소 모델은 총 절점수 239,334개이고 총 요소수는 166,424개로 구성되었다. 정적 해석 모델에 적용된 구속 조건은 축방향의 운동을 구속하기 위하여 수직 방향 자유도를 구속하였고 회전 방향의 운동을 구속하기 위하여 회전 방향에 수직한 두 면에 대한 자유도를 구속하였다. 정적 구조 해석은 COSMOS Works 2006을 이용하여 수행하였다.

대상 데이터

격벽 두께가 2.1 mm부터 4.5 mm까지 다양한 시료를 준비하여 VISAR 실험을 수행하였다. 동일한 두께의 시료도 각각 2조 내지 4조씩 준비하여 측정의 재현성을 확인하였다.
5 mm로 변화할 경우 최대 응력과 변형량을 매개변수로 적용하였다. 모듈 구조물의 재질은 SUS 630 (17-4PH) stainless steel을 사용하였고 정적 구조 해석만을 수행하였다.
본 실험에 사용된 레이저는 Coherent사의 Verdi-5 모델로 출력은 5 W 이며 532 nm 파장의 연속발진 레이저이다. 광섬유와 렌즈를 이용한 probe로 시편에 레이저 빛을 집속시키고 반사된 빛을 다시 광섬유를 통하여 VISAR 간섭계에 입사시킨다.
전기식 기폭관에는 LA(Lead Azide) 120 mg과 RDX 52 mg을 사용하였고 도우너 화약은 RDX 29 mg을 15000 psi의 압력으로 충전하여 사용하였다.
해석 대상은 Solid Works 2006을 이용하여 작성되었고 3차원 형상모델을 사용하여 작성한 유한 요소 모델은 총 절점수 239,334개이고 총 요소수는 166,424개로 구성되었다. 정적 해석 모델에 적용된 구속 조건은 축방향의 운동을 구속하기 위하여 수직 방향 자유도를 구속하였고 회전 방향의 운동을 구속하기 위하여 회전 방향에 수직한 두 면에 대한 자유도를 구속하였다.

이론/모형

정적 해석 모델에 적용된 구속 조건은 축방향의 운동을 구속하기 위하여 수직 방향 자유도를 구속하였고 회전 방향의 운동을 구속하기 위하여 회전 방향에 수직한 두 면에 대한 자유도를 구속하였다. 정적 구조 해석은 COSMOS Works 2006을 이용하여 수행하였다.

성능/효과

이 값은 재료의 항복강도인 1310 MPa에 비하여 상당히 작으므로 재료는 탄성을 그대로 유지하여 구조적으로 안전하다고 평가할 수 있다. 그러므로 격벽 착화 모듈이 Fig. 1과 같은 형상일 경우 격벽의 최소 두께가 0.1 mm 이상만 되면 구조물은 내압 기밀 구조물로서 안전함을 확인하였다.
7에 나타내었다. 동일 두께의 시료에 대하여 재현실험을 한 결과 Fig. 7과 같이 비교적 균일한 속도 변화 곡선이 나타남을 확인하였다.
54 mm 정도에서 작동 신뢰도가 50 %로 나타남을 확인할 수 있고 격벽 두께가 감소할수록 작동 신뢰도는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 위의 계산 결과에 의하면 격벽의 두께가 약 1.9 mm일 경우 작동 신뢰도는 99.999 % 이상으로 항공 우주 분야에서 요구되는 신뢰도를 만족한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	점화안전장치를 사용하지 않고 착화기를 추진기관에 직접 조립할 경우 착화기를 어떻게 하는가?	일반적으로 로켓 추진기관을 점화시키기 위하여 발열선을 이용한 착화기를 사용하는데 이 착화기 내부에는 전원이 인가되는 핀 사이를 연결하고 있는 발열선이 있고 그 위에 보조 장약을 충전하고 다시 그 위에 주장약을 적정량 충전한 후 마개를 용접한다. 점화안전장치를 사용하지 않고 착화기를 추진기관에 직접 조립할 경우 착화기는 추진기관의 점화기 구조물에 나사 체결되고 오링을 적용하여 기밀을 유지한다. 발열선을 이용한 착화기를 로켓 추진기관에 직접 적용할 경우 착화기의 화약이 연소되어 추진기관이 점화되면 착화기 구조물은 추진기관의 연소 압력에 노출되므로 내부적으로 유리-금속 밀봉기술을 이용한 기밀 구조를 채택하여야 한다.
	발열선을 이용한 착화기는 어떻게 구성되어있는가?	일반적으로 로켓 추진기관을 점화시키기 위하여 발열선을 이용한 착화기를 사용하는데 이 착화기 내부에는 전원이 인가되는 핀 사이를 연결하고 있는 발열선이 있고 그 위에 보조 장약을 충전하고 다시 그 위에 주장약을 적정량 충전한 후 마개를 용접한다. 점화안전장치를 사용하지 않고 착화기를 추진기관에 직접 조립할 경우 착화기는 추진기관의 점화기 구조물에 나사 체결되고 오링을 적용하여 기밀을 유지한다.
	유리-금속 밀봉기술을 이용한 기밀 구조의 주의점은?	발열선을 이용한 착화기를 로켓 추진기관에 직접 적용할 경우 착화기의 화약이 연소되어 추진기관이 점화되면 착화기 구조물은 추진기관의 연소 압력에 노출되므로 내부적으로 유리-금속 밀봉기술을 이용한 기밀 구조를 채택하여야 한다. 이와 같은 기밀 방식은 구조적으로 단순하여 많은 기밀 구조에 사용하고 있으나 내열특성과 노화특성을 고려해야하고 조립 및 공정관리에 세심한 주의를 요한다.

참고문헌 (11)

A. C. Schwart, "Feasibility of a Fail-Safe Through Bulkhead Initiator", SAND78-1696, March 1980
장승교, 차홍석, "점화안전장치용 격벽 착화모듈 설계 및 신뢰도 분석", 한국추진공학회 2008년도 추계학술대회, 2008
장승교, 차홍석, 강원규, "CH-6를 이용한 격벽 착화 모듈 설계 및 신뢰도 분석", 한국추진공학회 2009년도 춘계학술대회, 2009
L. M. Barker and R. E. Hollenbach, "Laser Interferometer for Measuring High Velocities of any Reflecting Surface", J. Appl. Phys., Vol. 43, No. 11, 1972, pp.4669-4675

상세보기
Bernard E. Drimmer, "Navy Bank of Explosives Data", V. III, NSWC MP 83-230, June 1983
O. B. Crump Jr., P. L. Stanton, W. C. Sweatt, "The Fixed Cavity VISAR", SAND 92-0162, 1992
L. M. Barker and K. W. Schuler, "Correction to the Velocity-per-Fringe Relationship for the VISAR Interferometer", J. Appl. Phys., Vol. 45, No. 8, 1974, pp.3692-3693

상세보기
R. S. Bradley, "High Pressure Physics and Chemistry", Vol. 2, Academic Press, 1963, pp.211-212
David R. Begeal, "Through Bulkhead Initiator Studies", SAND97-0582, March 1997
Donna Priced, et al., "The NOL Large Scale Gap Test. III. Compilation of Unclassified Data and Supplementary Information for Interpretation of results, AD-780429, March 1974
송기근, 권상욱 "전달화약류 충격 감도 연구", ADD 보고서, AWHD-519-89049, 1989

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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