저궤도 우주환경하 탄소섬유강화수지의 충격 특성 및 Whipple Shield 적용 가능성에 대한 연구

Abstract

최근의 탄소섬유강화수지 복합재는 높은 비강성 및 비강도을 바탕으로 우주 환경에 많이 이용되고 있다. 그러나 저궤도 우주 환경의 여러 요소는 탄소섬유강화수지에 부식 및 손상을 가져 올 수 있다. 이에, 본 연구에서는 저궤도 우주환경하에서 노화된 탄소섬유강화수지 시편의 고속 충격 특성에 대하여 연구하였다. 현재 우주환경 위플 쉴드에서 사용 중인 알루미늄 시편을 비롯하여, 4종류의 탄소섬유강화수지 복합재료 시편이 실험되었으며, 4종류의 탄소섬유강화수지는 각각 한 프리프래그가 0.03mm, 0.05mm, 0.125mm, 0.250mm이다. 고속 충격 실험 결과, 모든 복합재료 시편은 알루미늄 보다 에너지 흡수율이 높았으며, 특히 0.125mm 두께의 프리프래그 16장으로 제작된 cu125ns 시편의 에너지 흡수율이 가장 좋았다. 이에, cu125ns 시편을 우주환경 모사장비를 통하여 미항공우주국의 STS-4 임무를 기준으로 원자 산소, 자외선, 열순환, 고진공등 우주환경에 노출시켜 노화시켰다. 우주환경 노화결과, 시편은 약 0.48%의 무게 손실이 있었으며, 약 11.65%의 에너지 흡수율 저하가 있었다. 이는 우주환경 노출 및 노화에 의해 복합재 내부의 손상으로 비롯됨을 확인하였다. 각종 시편의 충격 에너지 흡수 성능 및 메카니즘 확인을 위하여 LS-dyna, C-scan and SEM image 등의 분석 방법이 사용되었다.