특집 파이로충격해석 -...

20소음·진동제27권 제1호, 2017년

특집: 분리장치및파이로충격 1. 머리말

오랜 기간 동안 우주 비행선, 전투기, 미사일,발사체 등의 시스템에서 즉각적인 구조체의 분

리가필요한경우폭발볼트, 분리너트, 선형화약과같은다양한종류의파이로분리장치를활용

하여왔다. 파이로분리장치는높은신뢰도, 작은크기, 저렴한비용등많은장점으로널리사용되고있지만, 내부의화약폭발로인해생성되는파이로충격(pyroshock)과분리후생성된파편등이주변의전자장비탑재체와구조물등의파손을

유발하곤하여많은주의가필요하다. 파이로충격으로인한문제해결방안에는크게

네가지가있으며, 우선, 파이로분리장치에서발생하는충격량자체를줄이는방법이있다. 두번째 방법으로는 충격원인 파이로 분리장치를 구

조물에서 분리하는 방법이 있지만, 파이로 분리장치자체가구조하중을지지하는경우가많아

제한적인경우가많다. 세번째방법으로는조인트와 같은 연결 부위에서 발생하는 파이로충격

감쇠를 극대화하는 것이다. 이는 연결 부위에서충격파의 반사를 통해 파이로충격 전파를 저감

하는방법으로, 특히임피던스가다른재료를연결하면효율이높다고알려져있다. 마지막방법으로는가장일반적인접근법인충격절연장치

를사용하는것이다.

이와같이파이로충격문제해결을위해국내외

에서파이로분리장치에서의파이로충격생성예

측/시험및특성분석, 구조물에서의파이로충격전파해석/시험및특성분석, 파이로충격절연장치개발, 파이로충격저감기법연구등다양한분야의연구가꾸준히진행되고있으며, 이번특집기사에서는 KAIST 항공우주공학과이연구진의최근연구동향및성과를소개하고자한다.

2. 파이로분리장치및파이로충격해석

폭발볼트, 선형화약과 같은 전통적 방식의 파이로 분리장치들은 일반적으로 충분한 양의 화

약을 사용하여 구조를 파손시켜 분리를 시키게

된다. 숙련된 연구자들로부터 잘 설계된 파이로분리장치들은 높은 신뢰도를 가지나, 많은 경험과실험을필요로하기에설계과정에많은비용

이 소모된다. 또한, 높은 신뢰도를 위해 여분의화약을사용함으로서큰파이로충격이생성되는

문제가 있다. 최근에는 고폭약을 사용하지 않고착화기만을 사용, 압력으로 기계적 구속을 해제하여 분리가 이루어지는 저충격 분리장치에 대

한 개발이 국방과학연구소 주도로 진행되고 있

다. 우리 연구진에서는 다양한 파이로 분리장치의분리메커니즘에대한연구를수행하며여러

수치해석기법을개발하여개발과정에필요한

* E-mail : [email protected]

파이로충격해석및저감

한재흥*, 이주호**, 황대현**, 윤세현***

(*,**한국과학기술원, ***한국항공우주연구원)

특집특집

분리장치및파이로충격

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특집: 분리장치및파이로충격

시간과비용을절감하였다. 또한, 파이로분리장치에서 발생하는 파이로충격을 계측하고 이를

예측할수있는수치적기법을제안하였다. 구조물에서의 파이로충격 전파 특성에 대한 연구도

수행하였다.

2.1 폭발볼트분리메커니즘및파이로충격생성

연구

우리 연구진에서는 ridge-cut형 폭발볼트에 대한다양한연구를수행하였다. 이러한폭발볼트는국방과학연구소, 한화종합연구소, LIG Nex1등의기관에서주로연구개발이되어왔다. 우선,그림 1과같이 ridge-cut형폭발볼트의분리메커니즘 연구를 수행하였다. Ridge-cut형 폭발볼트의분리메커니즘을충격파의전파, 반사, 팽창파의중첩, 스폴등의이론을바탕으로규명하였다.상용 hydrocodes인 ANSYS AUTODYN을이용하여 분리 메커니즘을 해석 할 수 있는 수치 해석

기법을정립하였다(1, 2). 수치해석기법을활용하여분리특성연구를수행하였으며, 이를통해폭발볼트설계과정에기여하였다. 설계과정에서볼트몸체와치구의간격이공차등의이유로일

정길이이하가되면분리신뢰도가매우낮아지

는현상이관측되었다. 이의원인은수치해석을통해 규명 할 수 있었으며, 신뢰도 보장을 위해필요한최소간격을제시하였다(1). 또한, 수치해석기법을활용한매개변수연구를통해 ridge-cut형 폭발볼트의 대표적 설계 변수 (화약량, ridge위치 및 각도)가 분리 신뢰도에 미치는 영향을예측하고 설계 개선 방향을 제시하였다(2). 폭발볼트설계최적화를통해높은분리신뢰도를유

지하는데 필요한 화약량을 감소시켜 파이로충

격생성을다소경감할수있다.또한그림 2와같이폭발볼트파이로충격생성연구를수행하였다. 상용 hydrocodes를이용한폭발볼트파이로충격생성을예측할수있는수치

그림 1 폭발볼트분리메커니즘연구



해석 기법을 정립하였다(3). 세 대의 레이저 도플러 진동계(LDVs)를 이용한 폭발볼트 파이로충격계측도수행하였다. 수치해석을통해예측된값을 실험에서 계측된 파이로충격 값과의 비교

를통해해석기법을검증하였으며, 수치해석을통해 파이로충격이 생성되는 원리와 전파 경로

등을살펴볼수있었다.

2.2 저충격분리장치분리메커니즘및충격량

연구

최근파이로충격과파편의생성을근본적으로

방지하기 위한 저충격 분리장치의 개발이 진행

되고있다. 우리연구진은국방과학연구소, 한화종합연구소에서 개발한 저충격 분리장치의 구

조 강도와 작동 메커니즘을 상용 FEM 코드(ANSYS structural analysis), 상용 hydrocodes 그리

고수학적모델링을통한해석을수행하였다. 이연구에서는 저충격 분리장치의 일종으로서 착

화기를 압력 카트리지로 활용하여 연소 생성물

의 압력이 기계적 움직임을 유발하여 연쇄적인

잠금해제메커니즘을통해분리가진행되는볼

타입분리볼트에대한연구를진행하였다. 볼타입 분리볼트는 폭발볼트 내부의 고폭약을 점화

하기 위해 사용되는 착화기를 작동기로 활용하

고있으며, 폭발볼트가갖는고신뢰도와높은구조강도를갖는설계가가능하다. 분리메커니즘연구는상용 hydrocodes를이용한 explicit 해석과수학적 모델링을 활용하여 수행하였다(4). 상용hydrocodes을 활용한 분리 메커니즘 해석에서는실험을통해계측한착화기의압력이력과하우

징에 고정 경계조건을 적용하여 1 ms까지 해석을수행하였다. 해석에사용된모델형상과해석

그림 2 폭발볼트파이로충격생성연구

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결과는그림 3과같다.이와 같이 explicit 해석을 통해 분리 메커니즘에대한정확한정보를얻은후, 이를단순화한수학적모델링에대한연구를수행하였다. 해석결과에서 확인된 분리과정을 다섯 단계로 나누

어각각에대한운동방정식과화약의연소방정

식을연립한수학적모델을설립하였다. 볼타입

분리볼트의가장중요한볼의거동모사도식과,수학적모델의해석결과와 explicit 해석결과를그림 4에 나타내었다. 특히 explicit 해석에서는특정표면에게이지를설치하여분리시발생되

는내부부품사이의기계적충격을확인하여충

격량을예측하며, 각부품사이의충돌및상호작용과분리과정을자세히관찰할수있다. 반면

그림 3 볼 타입분리볼트메커니즘해석

그림 4 분리메커니즘수학적모델링연구



수학적모델은여러가지설계변수를변화시킬

때분리성능이어떻게변화하는지에대한연구

를수행하는데목적을두고있다. 수학적모델의검증은 explicit 해석결과와 비교를 통해 수행하였고, 수학적모델을활용하여분리안전율예측및설계변수의민감성등의평가가진행되고있

다. 이글에서소개된볼타입여러직경모델에대한연구가진행되었으며, 분리메커니즘에다소차이가있는스플릿타입에대해서도연구가

진행되고있다.

2.3 구조물에서의파이로충격전파해석및시험

구조물에서의 파이로충격의 저감을 위해서는

구조물에서의 파이로충격 전파 특성에 대한 이

해가필요하다. 또한, 조인트와같은구조물연결위치에서 파이로충격 저감이 가능하다고 알려

져있고많이활용되고있으나이에대한이해가

부족하여 아직까지는 경험적으로 활용되고 있

다. 우리연구진에서는항공우주분야에서많이사용되어 대표적인 파이로충격 전파 경로인 얇

은 평판에 대해 그림 5와 같이 연구를 수행하였

그림 6 조인트와와셔에서의파이로충격감쇠효과연구

그림 5 평판에서의파이로충격전파특성연구

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다. 우선, 파이로테크닉착화기를이용하여평판구조물에파이로충격을가진할수있는실험장

치및치구를개발하여파이로충격전파실험을

수행하였다. 평판에서의 파이로충격 전파를 레이저 도플러 진동계(LDVs)와 충격 가속도계(PCB 350B03)를이용하여계측을수행하였으며,계측결과분석을통해이러한센서들의주파수

범위, 센서 종류(접촉식, 비접촉식)에 따른 특성을분석하였다. 충격가속도계에는내부센서보호를위해 23 kHz의기계적필터가내장되어있어그이하주파수성분만측정이가능하였다. 그리고, 접촉식센서인가속도계부착으로인해해당 위치의 질량이 늘어난 효과(질량 부가 효과)가나타나, 계측된가속도값이상대적으로감소하였지만그효과가크지않아충격가속도계로

도신뢰성있는계측이가능하였다. 다음으로상용 hydrocodes를이용한파이로충격전파해석환경을구축하였으며, 실험결과와의비교를통해해석기법을검증하였다. 이러한수치해석기법이파이로충격의전파및감쇠특성을잘예측하

는것을확인하였으며, 수치및시험해석결과의분석을 통해 파이로충격이 얇은 판에서는 굽힙

파(또는 A모드램파)의형태로전파이루어지는것을확인하였다. 수립된수치해석및실험기법을활용하여조

인트와 와셔에서의 파이로충격 감쇠 효과에 대

한 연구를 그림 6과 같이 수행하였다. 알루미늄평판이서로다른재료(알루미늄합금, 스테인레스강, 마그네슘합금)로제작된조인트로연결된경우와 알루미늄 평판이 알루미늄 합금 조인트

와서로다른재료및두께로제작된와셔로연결

된경우를고려하였다. 실험및수치해석결과는동일한 경향성을 보였으며, 파이로충격 저감은조인트재료의밀도와강성이높을수록, 와셔의두께가 두꺼울수록 효과적임을 확인할 수 있었

다. 파이로충격감쇠의주원인은조인트와와셔에서의굽힘파반사이며, 이러한반사는불연속부에서의 음향 임피던스의 불일치 때문으로 나

타났다.

3. 파이로충격절연장치를이용한저감

앞서 소개한 바와 같이 파이로충격 문제를 해

결하는 방법에는 여러 가지가 있으나 아직까지

는 대부분의 시스템에서 파이로충격에 취약한

탑재체에 충격 절연계/저감장치를 적용하고 있다. 특히, 고무와 같은 탄성 소재를 이용하여 파이로충격 에너지를 저감하는 경우가 일반적이

나, 고무 소재의 절연 장치는 작은 강성을 가져과도한 변위가 유발되는 진동에 취약하여 절연

장치의파손이발생하여탑재체의파손또는오

작동을유발할수있다. 이러한절연장치의강성을증가시키면절연장치의크기와질량이증가

하며, 고유진동수가 증가하여 고주파수 진동/충격절연성능이감소하여설계에어려움이있다. 우리 연구진에서는 이러한 상용 절연 장치의

한계를 극복하기 위해 형상기억합금의 의탄성

효과를기반으로한파이로충격저감용메쉬절

연장치를세계최초로제안하였으며, 이에대한연구를 수행하였다(5,6). 우리 연구실에서 개발된형상기억합금메쉬절연장치를여러종류의진

동원에적용하는후속연구가조선대등국내/외

타연구진에의해활발히진행되고있다(7,8).

3.1 형상기억합금메쉬절연장치를이용한

파이로충격저감

우리연구진은파이로충격에의한전자탑재체

의오작동을방지하기위해형상기억합금의탄성

(pseudoelastic) 효과를기반으로한두종류의새로운메쉬절연장치(의탄성메쉬와셔절연장치(5)

및 3축 하이브리드 메쉬 절연 장치(6)를 그림 7과같이제안하였다. 메쉬절연장치란주로금속의와이어가편조(knit)된와이어메쉬(wiremesh)를압착하여원하는형상으로제작한것이며, 금속와이어로구성된메쉬자체의특성에의해외부하

중을소산시키는특징이있다. 의탄성효과를지니고있는형상기억합금을와이어소재로사용하

면절연성능을더욱향상시킬수있다. 또한, 큰외부하중이작용하여도 내부와이어의소성변



형이 발생하여 절연 장치의 성능은 저하되지만

파손은 발생하지 않아 파손으로 인한 치명적인

상황이발생하지않고, 강성에비해절연장치의질량및부피가작아적용성이뛰어나고보다우

수한절연성능을보유하고있다. 의탄성메쉬와셔절연장치는형상기억합금와

이어를직조하여제작한와셔형태의절연장치

이고 3축하이브리드메쉬절연장치는모든방향에대한절연을목적으로하여형상기억합금와

이어와스테인리스강와이어를섞어직조하는방

식으로제작된메쉬절연계이다. 각절연장치의

준정적하중시험을통해형상기억합금와이어의

응력에의해발생하는상변화효과및메쉬구조

물의비선형이력하중특성과절연특성을확인

하였다. 파이로충격 절연 성능을 확인하기 위해파이로충격 모사시험장치를이용한시험을수

행하였고시간및주파수영역모두에서뛰어난

저감성능을보유함을확인하였다. 랜덤진동시험을통해각절연장치의동특성및절연성능변

화를 연구하였다. 형상기억합금 메쉬 와셔 절연장치의경우초기압축변위조절을통해절연성

능을유지하면서도동특성제어가가능함을확인

그림 7 형상기억합금메쉬절연장치연구

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하였고 3축하이브리드메쉬절연장치는큰진동하중에서도절연성능이유지됨을확인하였다.

3.2 가변강성형상기억합금메쉬절연장치개발

앞서소개한형상기억합금메쉬절연장치를비

롯하여대부분의수동방식상용절연장치들은

강성변화가불가능하여특정주파수이상의진

동만절연할수있다. 하지만, 비행기, 선박, 발사체, 위성등다양한시스템에서는다양한주파수대역의진동이발생하며, 절연장치의고유주파수와일치할경우매우큰진동증폭현상(공진)이발생하게되어구조안정성을떨어뜨린다. 예를들어, 발사체의경우페어링분리에서발생하는파이로충격을절연하기위해충격절연장치를사용

하고있으며, 고주파수에서의절연성능을극대화하기위해고유진동수를낮게설정하고있다. 하지만, 다양한저주파수진동원으로인해충격절연장치파손이발생하곤한다. 따라서절연장치의고유주파수와근접한주파수성분을갖는진동

이발생하는경우, 절연장치의강성을변화시킬수있다면고유주파수를변화시켜진동의증폭

현상을피하며구조안정성을확보할수있다.우리연구진에서는앞서개발한형상기억합금

메쉬절연장치가발사체파이로충격저감성능

을가짐과동시에저주파진동증폭을피하기위

해절연장치의강성을조절할수있는절연장치

를제안하였다(9, 10). 기본적으로, 형상기억합금메쉬 와셔에 형상기억합금 와이어 작동기로 하중

을가하여강성변화를유도하였다. 그림 8과같이세가지모델을제시하고설계, 제작후시험을수행하였다. 모델 A는강성이낮은상태(낮은고유주파수)에서 형상기억합금 와이어 작동기로형상기억합금메쉬와셔에압축하중을가해

강성이높은상태(높은고유주파수)로상태를바꾸며, 모델 B는강성이높은상태에서형상기억합금 와이어 작동기로 형상기억합금 메쉬 와셔

에스프링으로인해가해지고있는압축하중을

감소시켜강성이낮은상태로변동하게된다. 모

그림 8 가변강성형상기억합금메쉬절연장치연구



델 C는 두 쌍의 형상기억합금 와이어 작동기를이용해 형상기억합금 메쉬 와셔에 압축 하중을

가하였다가 풀어주다가 하는 형태로 작동하게

되며, 특정상태를유지하는데지속적으로전류가필요하지않다는장점이있다. 저주파진동시험을통해각모델각상태에서의고유진동수를

계측할수있었으며, 파이로충격모사시험장치를이용한충격시험을통해파이로충격절연효

과를검증할수있었다.

4. 맺음말

이글에서는파이로충격문제해결을위해우리

연구진에서수행한다양한연구에대해소개하였

다. 파이로 분리장치들의 분리 메커니즘과 파이로충격 생성 특성에 대한 연구를 수행하였으며,평판구조물에서의파이로충격전파특성과조인

트/와셔에서의 파이로충격 저감에 대한 연구를수행하였다. 또한, 상용절연장치의한계를극복하기위해형상기억합금의의탄성효과를기반으

로한파이로충격저감용메쉬절연장치와가변

강성형상기억합금메쉬절연장치에대한연구

개발을 수행하였다. 이와 같은 다각적인 연구를통해파이로충격문제를경감할수있는여러가

지방안을제시할수있었으며, 다양한항공우주및무기체계개발과정에적용되어파이로충격

문제해결에기여하길기대한다.

참고문헌

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의궤도미소진동절연성능검증, 한국소음진동공학회논문집, Vol. 25, No. 1, pp. 24~32.

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