[논문]우주파편 초고속충돌에 의한 위성구조체의 손상에 관한 연구

강필성; 임찬경; 윤성기; 임재혁; 황도순

doi:10.5139/jksas.2012.40.7.555

우주파편 초고속충돌에 의한 위성구조체의 손상에 관한 연구
A Study on the Damage of Satellite caused by Hypervelocity Impact with Orbital Debris 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.7, 2012년, pp.555 - 563

강필성 (한국과학기술원 기계공학과) , 임찬경 (한국과학기술원 기계공학과) , 윤성기 (한국과학기술원 기계공학과) , 임재혁 (한국항공우주연구원) , 황도순 (한국항공우주연구원)

초록
AI-Helper

지구궤도 상에는 무수히 많은 우주파편(Orbital debris)이 존재하며 매우 높은 속도로 선회하고 있기 때문에 정상가동중인 인공위성과 충돌 시 위성구조체에 치명적인 손상을 일으킬 수 있다. 본 연구에서는 입자완화유체동역학(Smoothed particle hydrodynamics, SPH)을 이용하여 우주파편과의 초고속충돌로 인해 발생 가능한 저궤도 위성구조체의 손상분석을 수행하였다. 위성구조체의 본체 패널(Panel)로 사용되는 허니콤샌드위치패널(Honeycomb sandwich panel, HC/SP)에 대해 충돌속도에 따른 손상분석을 수행하였으며 위성구조체 내부부품의 안전성 분석을 위해 전자박스가 HC/SP에 직접 부착된 경우와 10cm 오프셋 된 경우에 대한 초고속충돌해석 및 손상분석을 수행하였다. 고도 685km의 저궤도에서 2% 정도의 충돌확률을 갖는 우주파편들을 고려할 때, HC/SP 자체에 관통이 발생하는 것으로 나타났으며 부착형 전자박스의 경우와 오프셋형 전자박스의 경우에는 전자박스에 관통이 발생하지 않고 미소 크레이터(Crater)만 발생되는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In earth orbit, a great number of orbital debris move around in extremely high velocity, and they become serious threats to satellites. In this study, smoothed particle hydrodynamics(SPH) is used to analyze the damage of a low earth orbit satellite due to the hypervelocity impact with orbital debris. The damage of honeycomb sandwich panel(HC/SP) used for walls of a satellite is analyzed with respect to impact velocities. For the additional analysis to examine the safety of interior components of the satellite, an attached electronic box and an offset electronic box are considered. As a result of the analysis considering the orbital debris having a probability of collision more than 2% at altitude of 685km, it is shown that the HC/SP can be perforated but only small craters are formed on both the attached electronic box and the offset electronic box.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

초고속 충돌 시 재료의 강도를 훨씬 뛰어넘는 높은 압력이 가해져 재료가 유체처럼 거동하기 때문에 초고속 충돌 수치해석 프로그램을 통상적으로 유체동역학코드(Hydrocode)라 지칭한다. 본 연구에서는 초고속충돌의 수치해석에 많이 사용되는 유체동역학코드의 하나인 입자완화유체동역 학을 이용하여 우주파편과의 초고속충돌에 의한 저궤도 위성구조체의 손상분석을 수행하였다. 수치해석을 위해 상용프로그램인 AUTODYN을 사용하였으며 필요에 따라 프로그램 내의 입자완화 유체동역학과 라그랑지 격자기반요소(Lagrange grid-based element), 쉘 요소(Sehll element)를 이용한 유한차분법(FDM)을 함께 사용하였다.

제안 방법

(11)에 의해 수행된 ATV위성의 초고속 충돌실험결과를 참고하여 동일한 충돌조건에 대해 수치 해석을 수행하고 각각의 결과를 비교하였다. 실험조건에 대한 간략한 묘사는 Fig.
⁽¹²⁾ HC/SP 뒤 평판의 경우 SPH로 모델링하게 되면 해석 결과가 라그랑지 격자기반요소를 사용한 경우와 큰 차이를 보이지는 않으나 평판을 구성하는 SPH입자가 산재되기 때문에 재료의 경계가 모호하고 손상부위의 정확한 측정이 어렵다. ⁽¹²⁾ 따라서 정확한 손상 측정을 위해 분명한 경계를 가지는 라그랑지 격자기반요소를 이용하여 두께 방향으로 20개의 요소로 모델링하였다. Al 7075-T6의 파쇄강도는 3.
수직충돌의 경우 파편운과 HC/SP 뒤 평판의 충돌에 의해 주요 손상이 발생하는 영역은 중심부이기 때문에 허니콤 코어를 여러 겹의 원통으로 묘사하는 2차원 축대칭 해석으로도 상당히 정확한 결과를 얻을 수 있다.^(12,13) 따라서 본 해석에서는 2차원 축 대칭조건을 적용하였으며 충돌체와 HC/SP 앞 평판(Facesheet)의 중심부는 파편운의 분산을 적절히 묘사하기 위해 평판두께의 1/20 크기의 SPH 입자로 모델링하고 평판의 중심부를 제외한 나머지 부분은 두께방향으로 20개의 라그랑지 격자기반요소로 구성하여 결합(Join)하였다. 허니콤 코어의 평행한 셀 벽(Cell wall)을 쉘 요소로 모델링하였으며 1개의 허니콤 코어 셀 벽당 240개의 쉘 요소로 구성하였다.
2차원 축대칭 조건을 적용하였으며 충돌체와 평판은 SPH입자로 모델링하고 이때 입자의 크기는 평판두께의 1/20로 하였다.⁽⁸⁾ 가상점성 상수 α와 β는 모두 1로 부여하고 평판의 경계조건으로는 양 끝 부분의 속도를 0으로 고정하였다.
Al 2017-T4에 대해 알려진 동적물 성치가 없기 때문에 ‘동일 알루미늄 계열 간 재료변화에 따른 파편운의 변화가 극히 적다’는 Piekutowski의 진술에 의거하여 충돌체 구의 재료를 Al 2024-T4로 대체하여 수치해석을 수행하였다.
HC/SP에 전자박스가 직접 부착된 경우에 대한 초고속충돌해석을 수행하였다. 가장 가혹한 충돌조건을 고려하여 전자박스 하우징의 두께 중 가장 얇은 3.
입자완화유체동역학을 통해 우주파편과의 충돌에 의한 위성구조체의 손상분석 수행에 앞서 수치해석적방법의 정확성 검증을 위하여 실험결과와 상용프로그램인 AUTODYN을 이용한 수치 해석 결과를 비교하였다. Piekutoski⁽⁷⁾에 의해 수행된 알루미늄 구와 얇은 알루미늄 충격완화판 (Debris bumper or shield)의 초고속 충돌실험결과를 참고하였으며 이와 동일한 충돌조건에 대해 수치해석을 수행하고 같은 측정시각에서의 파편운 형태와 파편운의 크기 및 속도를 비교하였다. 실험조건에 대한 간략한 묘사는 Fig.
각각의 충돌조건에 실험결과와 수치해석 결과를 정량적으로 비교하였다. Fig.
우주파편과 HC/SP의 충돌로 인해 발생된 파편조각이 위성구조체 내부에 침투되는 경우 파편조각의 속도도 굉장히 빠르기 때문에 내부중요부품의 파손을 야기할 수 있다. 따라서 우주파편과의 충돌에 의한 HC/SP의 관통여부 판별과 손상분석을 수행하였으며 내부 중요부품의 안전성 확인을 위해 HC/SP에 전자박스가 직접 부착된 경우와 패널로부터 10cm 떨어진 위치에 전자박스가 위치하는 경우에 대한 손상분석도 함께 수행하였다.
전자박스가 HC/SP로부터 10cm 오프셋된 경우에 대한 초고속충돌해석을 수행하였다. 모델링 조건 및 전자박스 하우징의 두께와 재료는 2.4.2와 동일하나 이 경우에는 HC/SP 뒤 평판의 파편이 전자박스에 충돌체로 작용하므로 뒤 평판의 중앙부를 SPH입자로 모델링 하였다. 수치해석 결과를 Fig.
본 논문에서는 입자완화유동법 및 유한차분법을 통해 우주파편과 저궤도 위성구조체의 초고속 충돌현상을 수치해석하고 위성구조체 본체 및 내부 전자박스에 대한 손상분석을 수행하였다. 상용프로그램인 AUTODYN을 이용하였으며 수치 해석의 정확성 검증을 위해 기존 연구에서의 실험과 동일한 충돌조건에 대해 수치해석을 수행하고 그 결과를 비교·검증하였다.
재료파손모델(Failure model)은 재료의 파손조건을 정의하거나 파손 이후의 거동을 표현하는 식을 의미한다. 본 연구에서는 강한 충돌에서 나타나는 파쇄현상(Spallation)을 고려하여 파손모델에 적용하였다. 파쇄현상은 고속 충돌 또는 초고속 충돌과 같은 강한 충격하중 하에서 나타나는 파손형태로, 충돌 시 전달되는 압력파와 자유 면에서 반사된 인장파에 의해 발생하는 강한 수력학적 인장(Hydrostatic tension)에 의해 발생한다.
7의 (a)에 나타낸 바와 같이 평판 뒷면부터 파편운의 맨 앞부분까지의 길이 L과 파편운의 최대반경 R, 그리고 (b)에 표시된 파편운의 1, 2, 4번 위치에서의 축방향 속도를 비교하였다. 실험번호 4-1283, 4-1291, 4-1352에 대해서는 L, R을 비교하였으며 실험번호 4-1289, 4-1291, 4-1353에 대해서는 축방향 속도를 비교하였다.
입자완화유체동역학을 통해 우주파편과의 충돌에 의한 위성구조체의 손상분석 수행에 앞서 수치해석적방법의 정확성 검증을 위하여 실험결과와 상용프로그램인 AUTODYN을 이용한 수치 해석 결과를 비교하였다. Piekutoski⁽⁷⁾에 의해 수행된 알루미늄 구와 얇은 알루미늄 충격완화판 (Debris bumper or shield)의 초고속 충돌실험결과를 참고하였으며 이와 동일한 충돌조건에 대해 수치해석을 수행하고 같은 측정시각에서의 파편운 형태와 파편운의 크기 및 속도를 비교하였다.
저궤도 위성구조체에 대한 연구로 충돌확률이 2% 이상인 직경 1mm의 우주파편에 대해 충돌속도에 따른 HC/SP의 손상분석을 수행하였다. 연구결과, 직경 1mm 우주파편의 평균충돌속도인 12km/s에서 HC/SP에 관통이 발생하는 것으로 분석되었다.
전자박스가 HC/SP로부터 10cm 오프셋된 경우에 대한 초고속충돌해석을 수행하였다. 모델링 조건 및 전자박스 하우징의 두께와 재료는 2.
수치해석을 위해 상용프로그램인 AUTODYN을 사용하였으며 필요에 따라 프로그램 내의 입자완화 유체동역학과 라그랑지 격자기반요소(Lagrange grid-based element), 쉘 요소(Sehll element)를 이용한 유한차분법(FDM)을 함께 사용하였다. 초고속 충돌 수치해석의 정확성 확인을 위해 기존에 수행된 초고속충돌 실험결과를 바탕으로 검증한 후 위성구조체의 손상분석을 수행하였다.
MASTER2005에 의해 도출된 우주파편과 위성 구조체의 실제적인 상대충돌속도 범위는 약 4~14km/s 이다. 충돌속도에 따른 HC/SP의 손상정도 분석을 위해 위의 속도범위에 대한 수치해석을 수행하였다. 충돌체는 직경 1mm의 Al 2024-T4이며 충돌체와 HC/SP의 모델링 방법은 2.

대상 데이터

2에 나타낸 것과 동일하다. 1개의 허니콤 코어 셀 벽 당 120개의 쉘 요소로 구성하였다. AI 2024-T81의 파쇄강도는 3.
HC/SP에 전자박스가 직접 부착된 경우에 대한 초고속충돌해석을 수행하였다. 가장 가혹한 충돌조건을 고려하여 전자박스 하우징의 두께 중 가장 얇은 3.8mm를 고려하였으며 재료는 Al 6061-T6이고 HC/SP 뒤 평판에 사용된 요소와 동일한 크기의 격자기반요소로 모델링하였다.
충돌체인 우주파편의 크기가 10cm 이상인 경우 추적이 가능하여 위성구조체의 회피기동이 가능하나, 10cm 이하인 경우 추적이 불가능하기 때문에 확률적 방법을 통해 접근하게 된다. 본 연구에서 대상으로 한 위성은 고도 685km 상의 저궤도 인공위성으로써 사용된 HC/SP의 형상 및 제원은 Fig. 8과 Table 6에 나타낸바와 같다. 밀도가 낮아 위성구조체에 손상을 유발할 가능성이 매우 낮은 미세유성을 제외할 때, 위성구조체에 심각한 손상을 일으킬 가능성이 있는 직경 1mm 이상의 우주파편 플럭스는 MASTER2005를 통해 계산되며 위성의 임무수행기간인 4년 동안의 충돌확률은 2.
비교한 5가지 충돌조건의 실험번호, 충돌체의 직경, 평판의 두께, 충돌속도 및 측정시각은 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 충돌체 구와 피충돌체 평판의 재료는 각각 Al 2017-T4, Al 6061-T6이다. Al 2017-T4에 대해 알려진 동적물 성치가 없기 때문에 ‘동일 알루미늄 계열 간 재료변화에 따른 파편운의 변화가 극히 적다’는 Piekutowski의 진술에 의거하여 충돌체 구의 재료를 Al 2024-T4로 대체하여 수치해석을 수행하였다.
주응력 파손모델에 사용된 Al 2024-T4와 Al 6061-T6의 파쇄강도는 각각 2.48GPa, 2.54GPa이다. 각각의 충돌조건에 대한 실험결과와 수치해석 결과를 Fig.
충돌속도에 따른 HC/SP의 손상정도 분석을 위해 위의 속도범위에 대한 수치해석을 수행하였다. 충돌체는 직경 1mm의 Al 2024-T4이며 충돌체와 HC/SP의 모델링 방법은 2.3.2에 나타낸 것과 동일하다. 1개의 허니콤 코어 셀 벽 당 120개의 쉘 요소로 구성하였다.
035를 적용하였다. 충돌체의 재료는 평균밀도 2.78g/cm³의 알루미늄 합금이며 5개의 실험조건에 대한 충돌체의 직경과 충돌속도 그리고 실험결과 및 수치해석 결과를 Table 5에 나타내었다. Fig.
^(12,13) 따라서 본 해석에서는 2차원 축 대칭조건을 적용하였으며 충돌체와 HC/SP 앞 평판(Facesheet)의 중심부는 파편운의 분산을 적절히 묘사하기 위해 평판두께의 1/20 크기의 SPH 입자로 모델링하고 평판의 중심부를 제외한 나머지 부분은 두께방향으로 20개의 라그랑지 격자기반요소로 구성하여 결합(Join)하였다. 허니콤 코어의 평행한 셀 벽(Cell wall)을 쉘 요소로 모델링하였으며 1개의 허니콤 코어 셀 벽당 240개의 쉘 요소로 구성하였다.⁽¹²⁾ HC/SP 뒤 평판의 경우 SPH로 모델링하게 되면 해석 결과가 라그랑지 격자기반요소를 사용한 경우와 큰 차이를 보이지는 않으나 평판을 구성하는 SPH입자가 산재되기 때문에 재료의 경계가 모호하고 손상부위의 정확한 측정이 어렵다.

데이터처리

상용프로그램인 AUTODYN을 이용하였으며 수치 해석의 정확성 검증을 위해 기존 연구에서의 실험과 동일한 충돌조건에 대해 수치해석을 수행하고 그 결과를 비교·검증하였다.

이론/모형

재료강도모델(Strength model)은 재료의 비선형 탄성-소성 반응 관계식으로 일반적으로 변형 률, 변형률속도, 열적연화 등이 고려된다. Steinberg-Guinan 강도모델, Johnson-Cook 강도 모델, Johnson-Holmquist 강도모델 등이 있으며, 본 논문에서는 고변형률, 온도변화를 고려한 Steinberg-Guinan 강도모델을 사용하였다. 이 강도모델은 변형률속도가 10⁵_S^-1이상인 경우 항복 강도에 대한 변형률속도의 영향이 매우 작다고 가정하여 변형률 속도 영향을 소거한 모델로 전단계수와 항복강도의 표현식은 식(14), 식(15)와 같다.
본 연구에서는 초고속충돌의 수치해석에 많이 사용되는 유체동역학코드의 하나인 입자완화유체동역 학을 이용하여 우주파편과의 초고속충돌에 의한 저궤도 위성구조체의 손상분석을 수행하였다. 수치해석을 위해 상용프로그램인 AUTODYN을 사용하였으며 필요에 따라 프로그램 내의 입자완화 유체동역학과 라그랑지 격자기반요소(Lagrange grid-based element), 쉘 요소(Sehll element)를 이용한 유한차분법(FDM)을 함께 사용하였다. 초고속 충돌 수치해석의 정확성 확인을 위해 기존에 수행된 초고속충돌 실험결과를 바탕으로 검증한 후 위성구조체의 손상분석을 수행하였다.
파쇄현상은 고속 충돌 또는 초고속 충돌과 같은 강한 충격하중 하에서 나타나는 파손형태로, 충돌 시 전달되는 압력파와 자유 면에서 반사된 인장파에 의해 발생하는 강한 수력학적 인장(Hydrostatic tension)에 의해 발생한다. 재료의 파쇄강도(Spall strength)는 Grady⁽⁶⁾의 이론을 통해 계산하였으며 구해진 파쇄강도는 주응력 파손모델을 통해 적용하였다.
상태방정식(Equation of state)은 재료의 유체 역학적(Hydrodynamic) 거동을 묘사하는 식으로 압력, 밀도, 내부에너지의 관계를 기술한다. 충돌 조건에 따른 재료거동현상에 따라 Shock 상태방정식, Tillotson 상태방정식, Puff 상태방정식, SESAME 상태방정식 등이 사용되며 본 연구에서는 충격파(Shock wave)효과를 고려한 Shock 상태방정식, 식(11)을 사용하였다.

성능/효과

(1) 지구 궤도상에는 폐기된 위성과 분리된 로켓동체 등에서 파생되거나 우주구조물의 충돌 또는 폭발로 인해 발생된 무수히 많은 파편 조각인 우주파편이 존재하며 정상가동중인 우주 구조물과의 충돌위험을 야기하고 있다. 우주개발이 활발히 진행됨에 따라 우주파편의 수도 점차 증가하고 있으며 2007년 중국위성 요격실험과 2009년 미국-러시아 위성 간 충돌로 인해 그 수가 급격히 증가하였다.
낮은 충돌속도에서는 HC/SP의 뒤 평판에 크레이터만 발생하였으나 충돌속도가 증가함에 따라 뒤 평판의 손상이 점차 증가하여 관통이 발생함을 확인하였다. 상대충돌속도 범위 중 충돌확률이 2% 이상인 우주파편의 평균충돌속도 12km/s에 대해 뒤 평판에 약 1.
수치해석 결과, Fig. 11에 나타낸 바와 같이 부착형 전자박스의 경우 HC/SP의 뒤 평판은 관통되나 전자박스에는 여러 개의 작은 크레이터만 발생하였으며, 가장 큰 크레이터의 크기는 직경 약 0.9mm, 깊이 약 0.8mm로 파편조각들이 전자 박스 내부로 침투되지 않는 것으로 나타났다. 따라서 전자박스 내부의 회로부품 등은 파편조각과의 충돌로부터 안전할 것으로 판단된다.
수치해석 결과와 실험결과를 비교해 볼 때, HC/SP의 앞, 뒤 평판의 관통여부가 동일하게 나타났으며 관통직경의 비교에서 적은 오차를 보이는 것으로 나타났다. 따라서 HC/SP와 충돌체의 수직 초고속충돌 현상이 2차원 축대칭 수치해석을 통해 적절하게 해석 및 묘사되는 것으로 판단된다.
저궤도 위성구조체에 대한 연구로 충돌확률이 2% 이상인 직경 1mm의 우주파편에 대해 충돌속도에 따른 HC/SP의 손상분석을 수행하였다. 연구결과, 직경 1mm 우주파편의 평균충돌속도인 12km/s에서 HC/SP에 관통이 발생하는 것으로 분석되었다. 따라서 위성구조체 내부에 파편침투를 완벽히 차단하고자 할 경우에는 해당 HC/SP 에 대한 보완이 필요할 것으로 판단된다.
위성구조체 내부중요부품의 안전성 확인을 위해 부착형 전자박스와 오프셋형 전자박스를 고려한 손상분석을 수행한 결과, 두 가지 형태 모두 전자박스에 관통이 발생하지 않고 전자박스에 미소 크레이터만 발생하는 것으로 확인되어 내부의 회로부품 등은 충돌로부터 안전할 것으로 판단된다.

후속연구

4mm 직경의 구멍이 발생하였다. 따라서 파편조각이 위성구조체 내부에 침투하지 못하도록 하기 위해서는 HC/SP의 평판 두께를 증가시키거나 허니콤 코어의 깊이를 증가시키는 등의 보완방법이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우주파편은 어떻게 발생되는가?	우주개발이 시작된 1950년대 후반 이후 현재까지 지구 궤도상에 9000여개가 넘는 인공위성이 발사되었으며 이 가운데 약 10%만이 정상 운영 되고 있다.(1) 지구 궤도상에는 폐기된 위성과 분리된 로켓동체 등에서 파생되거나 우주구조물의 충돌 또는 폭발로 인해 발생된 무수히 많은 파편 조각인 우주파편이 존재하며 정상가동중인 우주 구조물과의 충돌위험을 야기하고 있다. 우주개발이 활발히 진행됨에 따라 우주파편의 수도 점차 증가하고 있으며 2007년 중국위성 요격실험과 2009년 미국-러시아 위성 간 충돌로 인해 그 수가 급격히 증가하였다.
	초고속충돌에 관한 연구 중 어떤 방법이 주로 쓰이는가?	고도 2000km 이하의 저궤도에서 충돌확률이 있는 직경 1~10mm 사이의 우주파편의 경우 약 1~7km/s의 초고속으로 지구궤도를 선회하고 있어 크기가 작다고 하더라도 우주구조물과의 충돌 시 강한 충격을 가하게 되며 우주구조물에 심각한 손상을 입히게 된다.(2) 초고속충돌에 관한 연구는 실험적, 해석적, 수치적 방법이 사용되고 있으나 실험적 방법의 경우 실험 가능한 충돌속도에 제약이 있으며 해석적 방법은 매우 간단한 구조에만 국한되는 단점이 있기 때문에 수치적 방법이 많이 사용되고 있다.
	입자완화유체동역학을 이용하여 우주파편과의 초고속충돌로 인해 발생 가능한 저궤도 위성구조체의 손상분석을 수행한 결과는?	위성구조체의 본체 패널(Panel)로 사용되는 허니콤샌드위치패널(Honeycomb sandwich panel, HC/SP)에 대해 충돌속도에 따른 손상분석을 수행하였으며 위성구조체 내부부품의 안전성 분석을 위해 전자박스가 HC/SP에 직접 부착된 경우와 10cm 오프셋 된 경우에 대한 초고속충돌해석 및 손상분석을 수행하였다. 고도 685km의 저궤도에서 2% 정도의 충돌확률을 갖는 우주파편들을 고려할 때, HC/SP 자체에 관통이 발생하는 것으로 나타났으며 부착형 전자박스의 경우와 오프셋형 전자박스의 경우에는 전자박스에 관통이 발생하지 않고 미소 크레이터(Crater)만 발생되는 것으로 나타났다.

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저자의 다른 논문 :

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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