초고속 카메라와 삼차원 표면 측정기를 이용한 삭마 재료의 정량적 표면 침식 분석 Quantitative Analysis for Surface Recession of Ablative Materials Using High-speed Camera and 3D Profilometer원문보기
최화영
(Department of Aerospace Engineering, Chonbuk National University)
,
노경욱
(Department of Aerospace Engineering, Chonbuk National University)
,
천재희
(Department of Aerospace Engineering, Chonbuk National University)
,
신의섭
(Department of Aerospace Engineering, Chonbuk National University)
본 논문에서는 초고속 카메라와 삼차원 표면 측정기를 이용하여 삭마 재료의 표면 침식량을 정량적으로 분석하였다. 대기권 재진입 환경을 모사하기 위해 0.4 MW아크 가열 풍동을 이용하여 흑연과 탄소/페놀릭 복합재료의 삭마 실험을 수행하였다. 초고속 카메라를 이용하여 실시간 삭마 실험 영상을 획득하고, 이를 분석하여 침식량과 침식률을 산출하였다. 또한, 삼차원 표면 측정기를 이용하여 삭마 전후 시편의 표면 형상을 측정하였으며, 시편의 높이 차이로부터 침식량 분포를 정밀하게 산출하였다. 이를 통해 표면 침식 현상을 종합 분석하는데 있어서 두 측정 결과를 상호 보완하는 것이 유효함을 확인하였다.
본 논문에서는 초고속 카메라와 삼차원 표면 측정기를 이용하여 삭마 재료의 표면 침식량을 정량적으로 분석하였다. 대기권 재진입 환경을 모사하기 위해 0.4 MW 아크 가열 풍동을 이용하여 흑연과 탄소/페놀릭 복합재료의 삭마 실험을 수행하였다. 초고속 카메라를 이용하여 실시간 삭마 실험 영상을 획득하고, 이를 분석하여 침식량과 침식률을 산출하였다. 또한, 삼차원 표면 측정기를 이용하여 삭마 전후 시편의 표면 형상을 측정하였으며, 시편의 높이 차이로부터 침식량 분포를 정밀하게 산출하였다. 이를 통해 표면 침식 현상을 종합 분석하는데 있어서 두 측정 결과를 상호 보완하는 것이 유효함을 확인하였다.
In this paper, the surface recession of ablative materials was quantitatively analyzed using a high-speed camera and a three-dimensional profilometer. The ablation tests of the graphite and carbon/phenolic composite samples were performed using a 0.4 MW arc-heated wind tunnel for simulating the atmo...
In this paper, the surface recession of ablative materials was quantitatively analyzed using a high-speed camera and a three-dimensional profilometer. The ablation tests of the graphite and carbon/phenolic composite samples were performed using a 0.4 MW arc-heated wind tunnel for simulating the atmospheric re-entry environment. The real-time images during the ablation test were captured by the high-speed camera, and analyzed to calculate the surface recession and recession rate. Also, the surface data of samples were obtained using a three-dimensional profilometer, and the surface recession was precisely calculated from the difference of height between the surface data before and after the test. It is effective to complement the two measurement results in the comprehensive analysis of surface recession phenomena.
In this paper, the surface recession of ablative materials was quantitatively analyzed using a high-speed camera and a three-dimensional profilometer. The ablation tests of the graphite and carbon/phenolic composite samples were performed using a 0.4 MW arc-heated wind tunnel for simulating the atmospheric re-entry environment. The real-time images during the ablation test were captured by the high-speed camera, and analyzed to calculate the surface recession and recession rate. Also, the surface data of samples were obtained using a three-dimensional profilometer, and the surface recession was precisely calculated from the difference of height between the surface data before and after the test. It is effective to complement the two measurement results in the comprehensive analysis of surface recession phenomena.
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제안 방법
본 논문에서는 초고속 카메라와 삼차원 표면측정기를 이용하여 삭마 재료의 표면 침식량을 정량적으로 산출하였다. 0.4 MW 아크 가열 풍동을 이용하여 흑연 및 탄소/페놀릭 복합재료 시편의 삭마 실험을 수행하였다. 초고속 카메라는 플라즈마 유동에 의한 표면 침식을 실시간으로 촬영하기 위해 사용하였고, 촬영된 영상 분석을 통해 흑연 시편이 선형적으로 침식한 후 유동 노출 시간 이후에 수축이 발생함을 확인하였다.
7의 (c)에 도시하였다. 가장자리의 한 지점(▲)과 열 유속이 집중되는 중앙 부분(◆)을 샘플링하여 표면 침식량을 산출하였다.
측정에 사용된 초고속 카메라는 프레임률 86,400 fps(frame per second)까지 촬영이 가능하지만 프레임률을 크게 하면 큰 저장 공간이 요구될 뿐만 아니라 분석에 있어서 많은 시간이 요구된다. 따라서 흑연 시편 250 fps, 탄소/페놀릭 복합재료 시편 125 fps으로 설정하여 촬영하였다. 표면 침식량을 산출하기 위하여 흑연과 탄소/페놀릭 복합재료의 촬영 영상을 각각 7초, 9초 간격으로 샘플링 하였다.
시편의 지름은 20 mm이고, 모서리에 필렛(fillet)이 있는 원통 형상이다. 또한 내부 온도 측정을 위해 시편 내부에 열전대를 삽입할 수 있도록 지름 1.6 mm의 작은 구멍을 설계하였다. 시편의 자세한 도면과 사진은 Fig.
실험 중 초고속 카메라 촬영을 통해 삭마 재료의 침식 양상을 확인하였다. 또한 삼차원 표면 측정기를 이용하여 삭마 실험 전후 시편의 표면을 측정하고 침식량을 분석하였다. 표면 침식량 분석의 신뢰도 향상을 위해 두 장비를 이용하여 측정된 데이터를 비교 분석하였다.
본 논문에서는 0.4 MW 아크 가열 풍동을 이용하여 흑연과 탄소/페놀릭 복합재료의 삭마 실험을 수행하였다. 실험 중 초고속 카메라 촬영을 통해 삭마 재료의 침식 양상을 확인하였다.
본 논문에서는 초고속 카메라와 삼차원 표면측정기를 이용하여 삭마 재료의 표면 침식량을 정량적으로 산출하였다. 0.
삭마에 의한 표면 침식량을 산출하기 위해 삼차원 표면 측정기를 이용하여 삭마 실험 전후의 시편 표면을 측정하였다. 표면 측정을 위해 5배율의 대물렌즈를 사용하였고, 종/횡 방향의 분해능을 각각 1 µm, 10 µm로 설정하여 미세한 형상을 측정하고자 하였다.
측정한 거리를 mm 단위로 환산하여 시간에 따른 표면 침식량을 산출하였다. 삼차원 표면 측정기는 시편이 식은 후의 표면을 측정하기 때문에 이와 비교하기 위해 각 시편의 영상을 50초까지 추가적으로 분석하였다.
삼차원 표면 측정기를 이용한 침식량 결과는 시편이 완전히 식은 후에 측정되었기 때문에 유동 노출 시간 이후의 초고속 카메라 침식량 결과와 비교하였다. 흑연 시편의 침식량 A와 B는 64.
표면 측정을 위해 5배율의 대물렌즈를 사용하였고, 종/횡 방향의 분해능을 각각 1 µm, 10 µm로 설정하여 미세한 형상을 측정하고자 하였다. 삼차원 표면 측정기의 후처리 소프트웨어(IF-Measure Suit 5.1)를 사용하여 표면 침식량을 산출하고 가시화하였다. 삭마실험 전후 시편의 표면 좌표 데이터는 직교 좌표계의 x, y, z 성분으로, 약 5백만 개 이상의 포인트(point)로 구성된다.
5와 같다. 실험 전후 동일한 위치에서 측정하기 위해 치공구(fixture)에 시편을 고정하고 기준면과 측정 범위를 설정하였다. 표면 측정기와 연동된 측정 소프트웨어(IF-Laboratory Measurement Module 5.
4 MW 아크 가열 풍동을 이용하여 흑연과 탄소/페놀릭 복합재료의 삭마 실험을 수행하였다. 실험 중 초고속 카메라 촬영을 통해 삭마 재료의 침식 양상을 확인하였다. 또한 삼차원 표면 측정기를 이용하여 삭마 실험 전후 시편의 표면을 측정하고 침식량을 분석하였다.
7의 (a)는 일정한 시간 간격으로 샘플링한 영상을 겹쳐 표면 침식 변화를 가시화한 그림이다. 영상이 0초일 때 시편 표면의 중앙부를 기준선으로 설정하고, 픽셀 단위로 기준선과의 거리를 산출하였다. 측정한 거리를 mm 단위로 환산하여 시간에 따른 표면 침식량을 산출하였다.
초고속 카메라(FASTCAM SA2, Photron Co.)와 삼차원 표면 측정기(IFM G4, Alicona Co.)를 사용하여 시편 표면을 촬영하였다. 각 장비의 사양은 Table 2와 같다.
초고속 카메라는 Fig. 4와 같이 설치되어 삭마실험이 수행되는 동안 플라즈마 유동에 노출되는 시편의 표면 변화를 측면에서 촬영하였다. 이 장비는 10 µm 픽셀 센서를 사용하며, 최소 2.
4 MW 아크 가열 풍동을 이용하여 흑연 및 탄소/페놀릭 복합재료 시편의 삭마 실험을 수행하였다. 초고속 카메라는 플라즈마 유동에 의한 표면 침식을 실시간으로 촬영하기 위해 사용하였고, 촬영된 영상 분석을 통해 흑연 시편이 선형적으로 침식한 후 유동 노출 시간 이후에 수축이 발생함을 확인하였다. 탄소/페놀릭 복합재료 시편은 0~5초까지 팽창하였으며, 이후 일정한 표면 침식률을 보였다.
여기서 기호 A, D는 유동 노출 시간 이후 초고속 카메라로 측정된 침식량이고, B, E는 삼차원 표면 측정기로 측정된 시편 중앙 지점의 침식량이다. 초고속 카메라를 이용하여 측정한 침식량과의 경향성 비교를 위해 삼차원 표면 측정기의 침식량은 시편 표면의 최대높이를 기준으로 측정하였다. C, F는 삼차원 표면 측정기로 측정된 시편 가장자리 지점의 침식량을 의미한다.
영상이 0초일 때 시편 표면의 중앙부를 기준선으로 설정하고, 픽셀 단위로 기준선과의 거리를 산출하였다. 측정한 거리를 mm 단위로 환산하여 시간에 따른 표면 침식량을 산출하였다. 삼차원 표면 측정기는 시편이 식은 후의 표면을 측정하기 때문에 이와 비교하기 위해 각 시편의 영상을 50초까지 추가적으로 분석하였다.
표면 측정을 위해 5배율의 대물렌즈를 사용하였고, 종/횡 방향의 분해능을 각각 1 µm, 10 µm로 설정하여 미세한 형상을 측정하고자 하였다.
또한 삼차원 표면 측정기를 이용하여 삭마 실험 전후 시편의 표면을 측정하고 침식량을 분석하였다. 표면 침식량 분석의 신뢰도 향상을 위해 두 장비를 이용하여 측정된 데이터를 비교 분석하였다.
따라서 흑연 시편 250 fps, 탄소/페놀릭 복합재료 시편 125 fps으로 설정하여 촬영하였다. 표면 침식량을 산출하기 위하여 흑연과 탄소/페놀릭 복합재료의 촬영 영상을 각각 7초, 9초 간격으로 샘플링 하였다. Fig.
2와 같다. 플라즈마 유동을 생성하기 위하여 시험실(test chamber)과 분절형 아크 히터(segmented arc-heater) 내부를 진공 상태로 조성하고, 분절형 아크 히터에 아르곤과 공기를 공급하였다. 유동 조건은 Fig.
대상 데이터
삭마 실험에 사용된 재료는 흑연(GR, graphite)과 탄소 섬유 강화 페놀릭 기지 복합재료(CP, carbon fiber reinforced phenolic matrix composites)이다. 시편의 지름은 20 mm이고, 모서리에 필렛(fillet)이 있는 원통 형상이다.
삭마 실험은 전북대학교 고온플라즈마응용연구센터에서 보유하고 있는 0.4 MW 아크 가열 풍동을 이용하여 수행하였다. 풍동의 개략도는 Fig.
삭마 실험에 사용된 재료는 흑연(GR, graphite)과 탄소 섬유 강화 페놀릭 기지 복합재료(CP, carbon fiber reinforced phenolic matrix composites)이다. 시편의 지름은 20 mm이고, 모서리에 필렛(fillet)이 있는 원통 형상이다. 또한 내부 온도 측정을 위해 시편 내부에 열전대를 삽입할 수 있도록 지름 1.
초고속 카메라를 이용하여 삭마 실험동안 시편을 측정하였다. 측정에 사용된 초고속 카메라는 프레임률 86,400 fps(frame per second)까지 촬영이 가능하지만 프레임률을 크게 하면 큰 저장 공간이 요구될 뿐만 아니라 분석에 있어서 많은 시간이 요구된다.
성능/효과
삼차원 표면 측정기는 시편 표면의 기하학적 좌표 데이터를 측정함으로써 모든 위치에서의 표면 침식량을 산출할 수 있지만 삭마 재료의 실시간 침식 양상을 파악할 수 없다. 따라서 표면 침식 현상을 종합분석하는데 있어서 두 측정 결과를 상호 보완하는 것이 유효함을 확인하였다.
사용된 삼차원 표면 측정기는 초점 변화(focus variation) 원리를 이용한 광학식 측정 장비이다. 비접촉식 광학 센서를 사용하여 시편 표면에서 반사되는 가시광선을 검출함으로써 미세한 표면 형상을 측정할 수 있으며, 최대 10 nm의 해상도까지 측정 가능하다. 삼차원 표면 측정기를 이용한 삭마 재료의 표면 측정 과정은 Fig.
이는 플라즈마 유동의 지름(16mm)이 시편의 지름(20 mm)보다 작기 때문에 열 유속이 시편 중앙에 집중되어 차이를 보인 것으로 판단된다. 이를 통해 표면 전반에 걸쳐 비균일한 침식 양상이 보일 때 모든 위치에서 시편 표면을 측정할 수 있는 삼차원 표면 측정기의 유용함을 확인하였다. 가장자리 지점의 차이는 샘플링 위치에 영향을 받기 때문에 샘플링 기준을 명확히 함으로써 두 결과의 오차는 감소할 것으로 보인다.
초고속 카메라로 촬영된 영상 분석을 통해 흑연 시편이 플라즈마 노출 시간에 따라 선형적으로 침식하는 것을 확인하였으며, 침식률은 0.037mm/s이다. 42초일 때의 침식량은 1.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
열 보호 시스템 삭마현상은 어떠한 변화를 수반하는가
열 보호 시스템에 사용되는 탄소/페놀릭, 탄소/탄소 복합재료 등과 같은 삭마 재료는 재진입 환경에서 표면 물질을 소모함으로써 외부에서 유입되는 많은 열에너지를 소산시키는 삭마(ablation) 현상을 겪는다[2]. 이 현상은 표면 침식과 같은 재료 소모와 함께 열분해, 수축 및 팽창 등 열화학적 변화를 수반한다[3]. 이 중 표면 침식량은 열 보호 시스템의 두께를 결정하기 때문에 설계 단계에서 주요 인자로써 고려되어야 한다[4].
삼차원 표면 측정기는 어떠한 장비이고 어떻게 표면 형상을 측정하는가
사용된 삼차원 표면 측정기는 초점 변화(focus variation) 원리를 이용한 광학식 측정 장비이다. 비 접촉식 광학 센서를 사용하여 시편 표면에서 반사되는 가시광선을 검출함으로써 미세한 표면 형상을 측정할 수 있으며, 최대 10 nm의 해상도까지 측정 가능하다. 삼차원 표면 측정기를 이용한 삭마 재료의 표면 측정 과정은 Fig.
표면 침식량을 설계 단계에서 주요 인자로 고려해야하는 이유는 무엇인가
이 현상은 표면 침식과 같은 재료 소모와 함께 열분해, 수축 및 팽창 등 열화학적 변화를 수반한다[3]. 이 중 표면 침식량은 열 보호 시스템의 두께를 결정하기 때문에 설계 단계에서 주요 인자로써 고려되어야 한다[4].
참고문헌 (8)
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