[논문]우주 발사체용 복합재 산화제 탱크 구조물의 극저온 열충격에 따른 투과도 성능 평가

김정명; 홍승철; 최수영; 정상원; 안현수

doi:10.7234/composres.2020.33.5.309

[국내논문] 우주 발사체용 복합재 산화제 탱크 구조물의 극저온 열충격에 따른 투과도 성능 평가
Evaluation of Permeability Performance by Cryogenic Thermal Shock in Composite Propellant Tank for Space Launch Vehicles 원문보기

Composites research = 복합재료, v.33 no.5, 2020년, pp.309 - 314

김정명 (ANH Structure ANH Design Center) , 홍승철 (ANH Structure ANH Design Center) , 최수영 (ANH Structure ANH Design Center) , 정상원 (ANH Structure ANH Design Center) , 안현수 (ANH Structure)

초록
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우주 발사체용 극저온 추진제 탱크 경량화를 위한 고분자복합재료의 적용은 방향성을 가지는 복합재의 특성으로 인해 기체 투과도 성능 규명이 선행되어야 한다. 이러한 특성은 탱크 안정성 및 탑재 연료량 산정과 같은 성능 및 경제성과 직결된 지표다. 본 연구에서는 구조해석을 통해 도출된 극저온 추진제 탱크의 구조에 대하여 2가지 두께에 대한 투과도를 실험적으로 평가하였으며, 나아가 극저온-상온 환경에 노출된 열충격 횟수에 따른 시편의 비가역적 특성에 대한 투과도 분석 결과를 포함한다. 연구에 사용된 복합재는 두께에 반비례하며 열충격 횟수에 비례하는 투과도 특성을 보였으며, 우주 발사체용 극저온 추진제 탱크 소재로 적절한 투과도 성능을 가지는 것을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Polymer composites were used to reduce the weight of the spacecraft's cryogenic propellant tank. Since these materials were directional, the permeability performance of the gas permeated or delivered in the stacking direction was an indicator directly related to performance such as tank stability and onboard fuel quantity estimation. In addition, the results of permeation measurements and optical analysis of the surface to verify the effect of the number of cycles exposed to the cryogenic-room temperature environment are included. As a result, the permeability was inversely proportional to the thickness and was proportional to the number of thermal shocks, and it was verified that the permeability performance was suitable for the cryogenic propellant tank material for the space launch vehicle.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Load and boundary condition of finite element model
그림 Fig. 2. Load and boundary condition of finite element model
그림 Fig. 3. Stress/strain distribution at dome region
그림 Fig. 4. Photo of 2.75 mm permeation specimen
표 Table 1. Analysis Results Summary
표 Table 2. Material Properties – T800 Grade Fabric
그림 Fig. 5. Clamping method for permeation test specimen
그림 Fig. 6. Permeation test station with dewar for thermal-shock
그림 Fig. 7. Measurement of specimen temperature during thermal shock specimen preparation
그림 Fig. 8. Permeability results comparison at room temperature
표 Table 3. Permeability and leak rate behavior under room temperature and 5.5 bar condition

AI 본문요약
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문제 정의

우주 발사체의 복합재 적용에 대한 대부분의 연구는 NASA와 Boeing 사의 Composite Cryotank Technologies and Demonstration(CCRD) 프로젝트에 사용된 복합재의 투과도 성능 검증 및 연구이며, 한국형 발사체 사업에 사용되는 소재에 대한 검증은 전무한 실정이다. 따라서 본 연구는 한국형 발사체 추진제 탱크 경량화 및 추진제 충전량 선정을 위한 기초 자료로 사용될 수 있는 복합재의 투과도 성능을 확보하기 위한 실험법을 제시하고, 특정 소재에 대한 투과도의 정량적인 값을 제시한다. 본 연구는 우주 발사체용 복합재 탱크의 최외곽 반구형 부위를 투과도 측정 영역으로 선정하였으며, 상온에서의 헬륨 기체에 대한 투과도를 실험적으로 측정하였다.
본 연구에서는 우주 발사체용 복합재 추진제 탱크의 상온 환경 투과도 측정 방법을 제시하고 그에 따른 투과도 측정 결과를 시편 두께 및 열충격 사이클 횟수에 따라 논의하였다. 일반적인 복합소재의 경우 온도 변화에 따른 이종 소재 간 열변형에 의해 에폭시의 비가역적 파손이 발생하여 누설 또는 투과에 의한 누출이 증가하지만, 본 연구에 사용된 극저온용 복합재의 경우 우수한 열적 성능을 가지는 것을 투과도 측정을 통해 확인하였다.

제안 방법

따라서 본 연구는 한국형 발사체 추진제 탱크 경량화 및 추진제 충전량 선정을 위한 기초 자료로 사용될 수 있는 복합재의 투과도 성능을 확보하기 위한 실험법을 제시하고, 특정 소재에 대한 투과도의 정량적인 값을 제시한다. 본 연구는 우주 발사체용 복합재 탱크의 최외곽 반구형 부위를 투과도 측정 영역으로 선정하였으며, 상온에서의 헬륨 기체에 대한 투과도를 실험적으로 측정하였다. 투과도 측정에 사용된 시편은 구조 해석으로 도출된 두가지 최적 두께로 제작하였다.
본 연구는 우주 발사체용 복합재 탱크의 최외곽 반구형 부위를 투과도 측정 영역으로 선정하였으며, 상온에서의 헬륨 기체에 대한 투과도를 실험적으로 측정하였다. 투과도 측정에 사용된 시편은 구조 해석으로 도출된 두가지 최적 두께로 제작하였다. 또한 실제 발사체의 작동 온도 환경을 모사하기 위해 액체 질소에 함침시켜 10회 열충격을 인가하였다.
투과도 측정에 사용된 시편은 구조 해석으로 도출된 두가지 최적 두께로 제작하였다. 또한 실제 발사체의 작동 온도 환경을 모사하기 위해 액체 질소에 함침시켜 10회 열충격을 인가하였다.
그 중 주요 체결부를 제외한 플레인(Plain) 영역에 대한 구조 건전성은 적층판(Laminate)의 적층 패턴 별 허용 주변형률(Principal Strain)[10]을 기준으로 평가하였으며, Tsai-Wu, Yamada-Sun, Max. Stress Failure Criteria와 같은 파손 판정 이론을 적용하여 층 별 파손(Ply-by-Ply Failure)에 대해서도 평가하였다(Table 1). 해당 유한요소모델은 약 20 mm 규격의 2D QUAD Shell 및 3D HEXA Solid 요소로 구성되어 있으며, 체결부 및 하중 모사를 위해 MPC와 BUSH 요소가 사용되었다.
탱크 상/하부 돔(Dome) 구조물에 작용하는 주응력 및 주변형률 분포는 Fig. 3와 같으며, 해당 결과에 따라 돔 영역 두께 별(8-ply & 12-ply) 취약 부분에 대한 투과율(Permeation Rate) 측정 영역을 선정하였다.
복합재 산화제 탱크 제작에 사용된 복합소재는 T800 Grade의 UD 및 Fabric Tape이며, 이 중 Fabric 소재에 대한 기계적 물성치는 Table 2와 같다. 우주 발사체의 동체 외피(Skin) 구조물에 해당되는 실린더 영역 상단부에 MPC 요소를 사용하여 해당 구조물에 가해지는 비행 하중(압축, 전단 및 굽힘 하중)을 모사하였으며, 실린더 영역 하단부 끝단 절점에는 병진 자유도(Translational DOFs)를 구속하여 경계조건을 정의하였다(Fig. 2).
구조 해석 결과 탱크 상/하부 돔(Dome) 구조물의 두께 변화 영역(Ply-Drop Area)의 시작점에서 응력 및 변형률이 다소 높게 나타나지만, Table 1에서와 같이 충분한 안전율(Margin of Safety)을 확보하였다. 탱크 상/하부 돔(Dome) 구조물에 작용하는 주응력 및 주변형률 분포는 Fig.
5에 도시하였다. 시편의 가장 넓은 단면(A=49 cm²) 양쪽에 직경 4 cm의 챔버를 위치시키고 O-ring을 사용하여 누설을 방지하였다. 상/하부 챔버는 금속 고정 장치를 6개의 나사로 고정시켜 시편에 압축 하중을 인가하는 방법으로 고정하였다.
시편의 가장 넓은 단면(A=49 cm²) 양쪽에 직경 4 cm의 챔버를 위치시키고 O-ring을 사용하여 누설을 방지하였다. 상/하부 챔버는 금속 고정 장치를 6개의 나사로 고정시켜 시편에 압축 하중을 인가하는 방법으로 고정하였다. 상부 챔버 및 배관은 추진제 탱크의 사용 압력 조건인 약 2-6 bar[11]을 대표할 수 있는 5.
상/하부 챔버는 금속 고정 장치를 6개의 나사로 고정시켜 시편에 압축 하중을 인가하는 방법으로 고정하였다. 상부 챔버 및 배관은 추진제 탱크의 사용 압력 조건인 약 2-6 bar[11]을 대표할 수 있는 5.5 bar 압력(상대압력)으로 수행되었다. 또한 하부 챔버 및 배관은 누설 측정기에 포함된 진공 펌프를 통해 진공도를 확보하였다.
5 bar 압력(상대압력)으로 수행되었다. 또한 하부 챔버 및 배관은 누설 측정기에 포함된 진공 펌프를 통해 진공도를 확보하였다. 하부 챔버 압력은 0.
상단 챔버에 가압된 헬륨은 상대적으로 높은 농도의 헬륨 환경을 구성하게 되며, 여기서 발생한 양단 농도 구배 또는 압력 구배는 시편 두께방향으로 투과 또는 누설을 발생시킨다. 따라서 두가지 방법으로 전달된 헬륨 중 투과율에 대한 정량적 분석을 위해 손상되지 않은 시편에 대하여 측정을 수행하였으며, 여기서 측정된 누설량은 순수 투과에 의한 발생한 것으로 간주하였다. 모든 배관 및 커넥터는 극저온 및 고진공 환경에서 사용 가능한 제품(Pfeiffer Vacuum 社)을 사용하였다.
복합재 투과도 측정을 위한 실험은 기체 질량 분석법이 적용된 누설 측정기(PFEIFFER Vacuum, ASM340WET)를 사용하였다. 누설 측정 장치의 터보 베인을 보호하고 진공 배관의 저진공 환경 조성을 위해 누설 측정 장치의 전단에 로터리 진공 펌프를 추가로 구성하였다. 누설 측정용 가스는 초고순도 헬륨(순도; 99.
실제 KSLV-II 발사체에 극저온 유체로 산소가 사용되지만 실험의 안전성 확보와 산소 분자보다 작은 분자 크기에 대해 분석하기 위해 헬륨을 사용하였다. 또한 투과도 측정은 항온/항습이 가능한 환경에서 측정되었으며, 실험 장소의 대기 중 산소 농도 측정을 통해 주변 공기의 농도를 간접적으로 판단하였다. 투과도 측정 실험은 시편의 불량 유무에 따라 수분에서 5시간 가량 소요되었다.
7에 도시하였다. 초기 상온 상태 시편을 액체 질소에 약 5분간 담지 시켜 시편 두께 방향 중심(시편 무게중심)에서 온도가 77 K으로 도달한 것을 확인 후 대기중에서 강제 대류 장치를 사용하여 일정 시간(약 30분) 승온 시켰다. 투과도 시편에 인가된 열충격 횟수는 2, 5, 10회이며, 각각의 시편에 대하여 투과도 측정을 수행하였다.
초기 상온 상태 시편을 액체 질소에 약 5분간 담지 시켜 시편 두께 방향 중심(시편 무게중심)에서 온도가 77 K으로 도달한 것을 확인 후 대기중에서 강제 대류 장치를 사용하여 일정 시간(약 30분) 승온 시켰다. 투과도 시편에 인가된 열충격 횟수는 2, 5, 10회이며, 각각의 시편에 대하여 투과도 측정을 수행하였다.
일반적인 복합소재의 경우 온도 변화에 따른 이종 소재 간 열변형에 의해 에폭시의 비가역적 파손이 발생하여 누설 또는 투과에 의한 누출이 증가하지만, 본 연구에 사용된 극저온용 복합재의 경우 우수한 열적 성능을 가지는 것을 투과도 측정을 통해 확인하였다. 이와 같이 복합재 압력 용기, 특히 극저온용 복합재 탱크의 수치적으로 검증이 불가능한 미세 구조에 대하여 본 연구 결과가 제시하는 투과도 측정 방법을 사용할 수 있다. 탄소 복합재에 대한 투과도는 두께에 반비례하고, 1.

대상 데이터

Stress Failure Criteria와 같은 파손 판정 이론을 적용하여 층 별 파손(Ply-by-Ply Failure)에 대해서도 평가하였다(Table 1). 해당 유한요소모델은 약 20 mm 규격의 2D QUAD Shell 및 3D HEXA Solid 요소로 구성되어 있으며, 체결부 및 하중 모사를 위해 MPC와 BUSH 요소가 사용되었다. 이에 대한 개략적인 모델링 개념은 Fig.
복합재 산화제 탱크 제작에 사용된 복합소재는 T800 Grade의 UD 및 Fabric Tape이며, 이 중 Fabric 소재에 대한 기계적 물성치는 Table 2와 같다. 우주 발사체의 동체 외피(Skin) 구조물에 해당되는 실린더 영역 상단부에 MPC 요소를 사용하여 해당 구조물에 가해지는 비행 하중(압축, 전단 및 굽힘 하중)을 모사하였으며, 실린더 영역 하단부 끝단 절점에는 병진 자유도(Translational DOFs)를 구속하여 경계조건을 정의하였다(Fig.
극저온 환경에 적합한 우주발사체 산화제 탱크 제작을 위해 선정된 복합재는 에폭시 기지와 T800 Grade 강화섬유로 구성된 소재이며, 해당 기지는 내충격 성능이 높고, 고온/극저온 환경에서도 높은 기계적 성능을 가지는 것으로 선정되었다. 본 연구에 사용된 시편은 OOA(Out-of-Autoclave) 공법으로 제작되었으며, 시편 규격은 Fig.
극저온 환경에 적합한 우주발사체 산화제 탱크 제작을 위해 선정된 복합재는 에폭시 기지와 T800 Grade 강화섬유로 구성된 소재이며, 해당 기지는 내충격 성능이 높고, 고온/극저온 환경에서도 높은 기계적 성능을 가지는 것으로 선정되었다. 본 연구에 사용된 시편은 OOA(Out-of-Autoclave) 공법으로 제작되었으며, 시편 규격은 Fig. 4와 같이 가로/세로 70 mm, 두께는 1.82 mm 및 2.75 mm이다.
따라서 두가지 방법으로 전달된 헬륨 중 투과율에 대한 정량적 분석을 위해 손상되지 않은 시편에 대하여 측정을 수행하였으며, 여기서 측정된 누설량은 순수 투과에 의한 발생한 것으로 간주하였다. 모든 배관 및 커넥터는 극저온 및 고진공 환경에서 사용 가능한 제품(Pfeiffer Vacuum 社)을 사용하였다.
누설 측정 장치의 터보 베인을 보호하고 진공 배관의 저진공 환경 조성을 위해 누설 측정 장치의 전단에 로터리 진공 펌프를 추가로 구성하였다. 누설 측정용 가스는 초고순도 헬륨(순도; 99.9999%)을 사용하였다. 실제 KSLV-II 발사체에 극저온 유체로 산소가 사용되지만 실험의 안전성 확보와 산소 분자보다 작은 분자 크기에 대해 분석하기 위해 헬륨을 사용하였다.
9999%)을 사용하였다. 실제 KSLV-II 발사체에 극저온 유체로 산소가 사용되지만 실험의 안전성 확보와 산소 분자보다 작은 분자 크기에 대해 분석하기 위해 헬륨을 사용하였다. 또한 투과도 측정은 항온/항습이 가능한 환경에서 측정되었으며, 실험 장소의 대기 중 산소 농도 측정을 통해 주변 공기의 농도를 간접적으로 판단하였다.
실제 추진제 탱크의 사용 환경 중 극저온/상온에 노출된 복합재 구조물에 발생하는 열응력의 영향을 모사하기 위해 극저온 액체 보관 용기(Dewar)에 액체 질소(77 K)를 이용하여 열충격 시편을 준비하였다.
열충격 1회는 시편을 액체 질소에 5분간 담근 후 강제 대류 장치가 포함된 대기중에 30분간 노출시키는 것으로 종료되며, 이러한 사이클을 최대 10회 반복하였다. 시험에 사용된 가장 두꺼운 시편의 표면 온도와 무게 중심에 해당하는 중심부 온도를 측정하였으며, K-Type 열전대를 교정 후 사용하였다.

이론/모형

6에 도시하였다. 복합재 투과도 측정을 위한 실험은 기체 질량 분석법이 적용된 누설 측정기(PFEIFFER Vacuum, ASM340WET)를 사용하였다. 누설 측정 장치의 터보 베인을 보호하고 진공 배관의 저진공 환경 조성을 위해 누설 측정 장치의 전단에 로터리 진공 펌프를 추가로 구성하였다.

성능/효과

5 × 10^-7 Pa·m³/s로 확인되었다. 열충격 유무에 따른 누설률은 열충격 비인가 시편 기준 15% 증가하였다. 열충격 횟수에 대한 동일한 누설률은 본 연구에 사용된 시편이 극저온/상온 열변형에 대해 우수한 물리적 특성을 가짐을 나타낸다.
열충격 유무에 따른 누설률은 열충격 비인가 시편 기준 15% 증가하였다. 열충격 횟수에 대한 동일한 누설률은 본 연구에 사용된 시편이 극저온/상온 열변형에 대해 우수한 물리적 특성을 가짐을 나타낸다.
본 연구에서는 우주 발사체용 복합재 추진제 탱크의 상온 환경 투과도 측정 방법을 제시하고 그에 따른 투과도 측정 결과를 시편 두께 및 열충격 사이클 횟수에 따라 논의하였다. 일반적인 복합소재의 경우 온도 변화에 따른 이종 소재 간 열변형에 의해 에폭시의 비가역적 파손이 발생하여 누설 또는 투과에 의한 누출이 증가하지만, 본 연구에 사용된 극저온용 복합재의 경우 우수한 열적 성능을 가지는 것을 투과도 측정을 통해 확인하였다. 이와 같이 복합재 압력 용기, 특히 극저온용 복합재 탱크의 수치적으로 검증이 불가능한 미세 구조에 대하여 본 연구 결과가 제시하는 투과도 측정 방법을 사용할 수 있다.
이와 같이 복합재 압력 용기, 특히 극저온용 복합재 탱크의 수치적으로 검증이 불가능한 미세 구조에 대하여 본 연구 결과가 제시하는 투과도 측정 방법을 사용할 수 있다. 탄소 복합재에 대한 투과도는 두께에 반비례하고, 1.82 mm 두께 시편의 경우 열충격 횟수와 무관하게 일정 열충격 횟수 이상에서 동일한 투과율을 보였으며, 2.75 mm 두께 시편의 경우 투과율은 열충격 횟수에 비례하는 것으로 확인되었다.

참고문헌 (11)

SPACEX FALCON HEAVY Capabilities & Services, https://www.spacex.com/about/capabilities, [Accessed 16/09/2019].
Shimoda, T., Morino, Y., Ishikawa, T., Morimoto, T., and Cantoni, S., "Study of CFRP Application to Cryogenic Fuel Tank for RLV," Proceeding of the Japan International SAMPE Symposium, Vol. 7, 2001, pp. 275-278.
Kang, S.K., Kim, M.G., and Kim, C.G., "Evaluation of Cryogenic Performance of Adhesives Using Composite-Aluminum Double Lap Joints," Composite Structures, Vol. 78, No. 3, 2007, pp. 440-446.

상세보기
Kang, S.G., Kim, M.G., Kim, C.G., and Kong, C.W., "Effects of Curing Temperature and Autofrettage Pressure on a Type 3 Cryogenic Propellant Tank," Composites Research, Vol. 19, No. 4, 2006, pp. 31-38.
Flanagan, M., Grogan, D.M., Goggins, J., Appel, S., Doyle, K., Leen, S.B., and O Bradaigh, C.M., "Permeability of Carbon Fibre PEEK Composites for Cryogenic Storage Tanks of Future Space Launchers," Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Vol. 101, 2017, pp. 173-184.

상세보기
Choi, S.J., and Sankar, B.V., "Gas Permeability of Various Graphite/Epoxy Composite Laminates for Cryogenic Storage Systems," Composites Part B: Engineering, Vol. 39, No. 5, 2008, pp. 782-791.

상세보기
Yokozeki, T., Ogasawara, T., Aoki, T., and Ishikawa, T., "Experimental Evaluation of Gas Permeability through Damaged Composite Laminates for Cryogenic Tank," Composite Science and Technology, Vol. 69, No. 9, 2009, pp. 1334-1340.

상세보기
Grenoble, R.W., and Gates, T.S., "Hydrogen Permeability of Polymer Matrix Composites at Cryogenic Temperatures," Proceeding of 46th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Jan. 2005, AIAA, pp. 2005-2086.
Jackson, J.R., Vivkers, J., and Fikes, J., "Composite Cryotank Technologies and Development 2.4 and 5.5M out of Autoclave Tank Test Results," Proceeding of Composites and Advanced Materials Expo, Oct. 2015, M15-4801.
Johnson, T., Sleight, D.W., and Martin, R.A., "Structures and Design Phase I Summary for the NASA Composite Cryotank Technology Demonstration Project," Proceedingsof the 54th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC, Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, Apr. 2013, Document ID. 20130013009.
Cho, K.J., Jung, Y.S., Cho, I.H., Kim, Y.W., and Lee, D.S., "The Heat and Flow Analysis of the Liquid Helium for the Pressurization of Liquid Rocket Propellant Tank," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 7, No. 1, 2003, pp. 10-17.

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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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