초소형위성 TRIO-CINEMA의 열진공시험 환경 구축 및 시험결과 분석

전제헌 경희대학교 2013 국내석사

위성이 궤도에 진입하면 초고진공, 극한의 온도조건에 노출된다. 이를 모사하기 위하여 지상에서는 열진공 챔버를 이용하여 환경시험을 수행한다. 열진공 챔버는 내부공간을 고진공 상태로 유지한 상태에서 챔버 벽면온도를 변화시킬 수 있는 장비이다. 실제 열진공 시험에서는 위성체에 극한의 온도조건을 몇 주기 동안 가하며 위성의 작동환경을 우주환경과 유사하게 한다. 이러한 조건에서도 위성이 정상적으로 동작하는지 여부를 시험한다. 본 논문은 초소형위성 TRIO-CINEMA(TRiplet Ionospheric Observatory- Cubesat for Ion, Neutron, Electron & MAgnetic field)의 열진공시험을 위한 열진공챔버 구축과 비행 모델의 시험결과를 검증하였다. 위성의 크기는 10 cm × 10 cm × 34 cm 이며 총 무게는 3.14 kg, 전력은 3 W, 궤도는 약 700 km 고도, 경사각 98.57도의 태양동기궤도이다. 열진공 시험은 NX6.0 TMG program을 사용한 열해석 결과를 바탕으로 한 위성의 온도범위보다 넓은 온도에서 실시하였다. 시험은 -20 ℃ ∼ +35 ℃ 의 온도범위로 총 4 주기를 진행하였으며 이 온도범위에서 실험이 가능하도록 LabVIEW Program을 사용한 온도 모니터링 시스템과 진공챔버의 Shroud 가열, 냉각장비를 구축하였다. 이 결과를 바탕으로 경희대학교에서 제작한 2기의 비행 모델에 대한 열진공 시험을 실시하여 우주환경에서 위성이 정상적으로 작동함을 확인하였다.

항공정비사 전문교육기관의 실습장 안전증진을 위한 연구

전제헌 한서대학교 항공융합대학원 2023 국내석사

최근 중대재해 처벌 등에 관한 법률(약칭:중대재해처벌법)의 시행으로 인해 항공업계에서도 산업안전에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 각 항공사에서는 조직개편을 하는 등 안전관리에 대한 부분을 강화해 나가고 있다. 항공정비사를 양성하는 항공정비교육기관은 항공안전법 시행규칙의 개정으로 실습과목 내용이 이전보다 세분화되었고, 이에 따라 실습장에서 이루어지는 다양한 실습작업들은 훈련생들에게 크고 작은 안전사고에 노출될 수 있는 잠재적인 환경을 제공하게 되었다. 따라서 본 연구의 목적은 항공정비사 전문교육기관의 훈련생을 대상으로 실습장 안전문화에 대한 실증적 연구를 통해 항공정비사 전문교육기관의 실습장 안전증진을 위한 개선방안을 제시하는 데 있다. 이를 위해 국내 및 해외 항공선진국의 항공정비사 전문교육기관에 대한 고찰과 항공정비사 전문교육기관의 실습장 안전과 안전문화에 대한 선행연구 고찰을 통해 국제기준에 부합하는 실습장 안전증진 방안을 제시하고자 하였으며, 항공정비사 전문교육기관 훈련생을 대상으로 안전문화 영역의 4가지 요인이 안전문화 활동에 미치는 영향을 알아보기 위한 실증적 연구를 하였다. 본 연구를 통해 안전운영, 안전교육, 안전소통이 증가할수록 적극적인 안전문화 활동을 할 수 있는 것으로 나타났다. 이러한 연구 성과를 기반으로 항공정비사 전문교육기관의 실습장 안전증진을 통해 안전관리에 대한 역량을 갖춘 항공정비사를 양성하는데 기여할 수 있는 개선방안을 제시 할 수 있었다. Due to the recent enforcement of the Act on the Punishment of Serious Disasters (abbreviated as the Serious Accident Punishment Act), the interest in industrial safety is also increasing in the aviation industry. Accordingly, each airline is strengthening its safety management by reorganizing it. Aviation maintenance education institutions that train aviation mechanics have subdivided the contents of practical subjects more than before due to the revision of the Enforcement Rules of the Aviation Safety Act, and various practical tasks in the practice field provide trainees with a potential environment for exposure to large and small safety accidents. Therefore, the purpose of this study is to present improvement measures to improve the safety of Approved Training Organization(ATO) through empirical research on the safety culture of practical training centers for trainees of ATO. To this end, it was intended to present measures to promote safety in the practical training center that meet international standards through contemplation of ATO in domestic and overseas aviation advanced countries and prior research on safety of practical training center and safety culture for ATO. And an empirical study was conducted to find out the effect of four factors in the field of safety culture on safety culture activities for trainees from ATO. According to this study, it was found that the more active safety culture activities can be carried out as safety operation, safety education, and safety communication increase. Based on these research results, it was possible to suggest improvement measures that can contribute to fostering aviation mechanic with safety management competency through the safety promotion of practical training center of ATO.

Role of oxygen atoms in aluminum-silicon alloys

전제헌 Graduate School, Yonsei University 2020 국내박사

Greenhouse gas emissions from the transportation sector account for almost 25% of the total global emissions. Many of the developed countries, including the United States, European Union, and Japan, have been devoting much effort to developing high-efficiency ultra-lightweight vehicles, as fossil fuels are being depleted and global environmental regulations such as climate-change conventions are becoming more intense. Lightweight vehicles can be manufactured by employing lightweight designs, processing, or materials, and the highest lightweight efficiency can be achieved by using lightweight materials. Currently, Al, which is a lightweight material, is being actively applied to achieve significant reduction in weight, when compared to the application of conventional steel materials. Studies on lightweight vehicles using Al have focused mainly on the development of alloys containing metal elements and on improving the manufacturing processes, which can reduce the manufacturing cost and enhance productivity and strength while satisfying the basic requirements for improving braking stability. However, it is necessary to develop a new concept for alloy design because the conventional alloy designs face limitations in meeting the increasingly advanced industrial demands. This study proposes a non-metallic element alloying method, which is a new metal material design method of adding a non-metallic element, O, instead of the conventional metallic alloying elements such as Cu, Mg, or Si, to Al. Typically, gaseous O has very low solubility in Al at equilibrium state, and does not solute into the Al matrix because of its tendency to form Al2O3. However, this study proposes the design of a new Al alloy, in which locally decomposed O is dissolved forcibly into the Al matrix, to overcome the limitations of the conventional metal materials by using the incomplete interfacial properties of nano-sized zinc oxide (nano-ZnO). First, this study applies the previously described non-metallic element alloying technique to the A356 alloy, a commercially available Al alloy, to manufacture the I-A356 alloy, and further optimizes the manufacturing process. The roles of O in the I-A356 alloy are divided into the ones involving the matrix metal and those involving the eutectic Si interface in the solidification process, which is described below. (1) O atoms dissolved forcibly into Al matrix increases the internal energy of the matrix and changes its inherent material properties. O atoms dissolved as a local cluster forms a band, similar to a subgrain boundary, in the Al matrix, which further forms a dislocation cell by interacting with dislocations during the plastic deformation of the material. The size of the dislocation cell typically decreases with the amount of processing, and saturates to approximately 1.8 m. However, a phenomenon is observed wherein the sizes of alloys containing non-metallic elements are reduced to 0.6 m by the formation of an O band. This smaller dislocation cell can improve the elongation by approximately 37.5%, when compared to the conventional alloys, by interacting with more dislocations during deformation. (2) O atoms forcibly dissolved in the interface between the Al matrix and eutectic Si phase, acts as an atomic defect at the interface, lowering the activation energy required for inter-diffusion. A phenomenon is observed wherein the two elements inter-diffused at the interface form Si nanoparticles in the Al matrix and Al nanoparticles in eutectic Si phase. The strengthening effect of the Al alloy, where the Si nanoparticles are precipitated, is analyzed. The Si nanoparticles that have semi-coherent interface with the Al matrix can enhance the tensile strength by approximately 35%, when compared to that of conventional alloys, by effectively preventing the movement of dislocations during deformation. Second, this study compares the fatigue resistance and creep resistance of the commercially available A356 alloy and the I-A356 alloy prepared using the previously described non-metallic element alloying method. The fatigue life of I-A356 in which Si nanoparticles are precipitated, is found to have been improved by approximately five times, when compared to that of the commercially available A356 alloy, under the component use conditions at room temperature. The fracture surface analysis shows that the Si nanoparticles are subjected to fatigue deformation under stress application, reducing the force that can be delivered to the matrix. Furthermore, this study observes the deformation behavior of I-A356 at high temperatures (423 to 523 K). The analysis of creep resistance also reveals that the O atoms dissolved into the Al matrix interfere with the diffusion of Al atoms to form voids at the eutectic Si interface. By measuring the creep under constant stress (120 MPa) and at regular temperature intervals, this study compares the activation energy required for diffusion between the I-A356 alloy (148.2 kJ/mol) and A356 alloy (132.3 kJ/mol). The result shows that the limitation of Al atom diffusion by the O dissolved in the matrix effectively prohibits the formation and growth of voids at high temperatures, thereby enhancing the high-temperature strength and creep resistance Third, this study presents the roles of O atoms in the Al-20Si hypereutectic alloy by extending the system of non-metallic element alloying method to hypereutectic alloys as well as hypoeutectic alloys. The O atoms forcibly dissolved in the hypereutectic alloy is found partially as a compound of Al–Si–O at the center of the primary Si phase, and the analysis shows that the above compound acts as a heterogeneous nucleation site of the primary Si phase, contributing to the refinement of the primary Si phase. Moreover, the O atoms that does not form a compound prevents the growth of the eutectic Si phase, modifying both the primary and eutectic Si phases. The enhancement in the mechanical properties at high temperatures (293 to 573 K) is verified as the brittle Si phase becomes refined. Finally, this study provides a new direction of research for the next-generation lightweight materials, based on the results of analyzing the mechanical properties of Al alloys subjected to the non-metallic element alloying method. If the non-metallic element alloying method can control the structure at the atomic level, further studies can present a new paradigm for material development as well as secure a source technology for manufacturing, in the industrial and academic aspects, because this technique can modify the inherent properties of materials and further develop new physical properties. The study identifies the roles of O atoms dissolved in Al and examines the changes in the properties of new alloys, and is significant as a new attempt to fuse lightweight metals and non-metallic elements and explore its applicability as a core material for the fourth industrial revolution. 글로벌 전 산업 분야 중 수송 부문의 온실가스 배출량은 전체 대비25%로 화석연료 고갈 및 기후변화 협약 등의 환경 규제 심화에 따라 미국, 일본, EU등 기술 선진국에서 국가적인 지원 하에 고효율 초경량 자동차 개발에 매진하고 있다. 자동차 경량화의 방법은 구조, 공법, 소재의 경량화로 구분되며, 이 가운데 경량화 효율이 가장 높은 방식은 소재의 경량화로, 경량 소재 중 알루미늄을 적극적으로 적용하여 기존 철강 소재 대비 획기적인 중량 감소를 달성하고 있다. 알루미늄을 활용한 자동차 경량화 연구는 제동 안정성 향상을 기본 요건으로 만족시키면서 제조단가, 생산성 및 강도를 개선할 수 있는 생산 공정을 개선시키고 금속 원소를 첨가한 합금을 개발하는 위주로 추진되고 있으나, 기존의 전통적인 합금 설계 만으로는 고도화되는 산업적 수요를 만족시키는데 한계가 있어 새로운 개념의 합금 설계 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 알루미늄에 전통적인 금속합금원소인 구리, 마그네슘, 실리콘 등을 첨가하는 것이 아닌, 비금속원소인 산소를 첨가하는 새로운 금속재료 설계법인 비금속원소 합금법을 제시하고자 한다. 기체 상태의 산소는 평형상태에서 알루미늄에 극소량의 고용도를 지니고 있으며, 산화물(Aluminum oxide)을 형성하는 경향이 매우 크기 때문에 알루미늄 기지에 고용되지 않지만, 나노크기 산화아연(Nano-ZnO)의 불완전한 계면특성을 이용하여 국부적으로 분해된 산소가 강제로 알루미늄 기지에 고용되어 기존 금속 재료의 한계를 극복할 수 있는 새로운 알루미늄 합금설계에 관한 내용을 다루고 있다. 첫째로 본 연구에서는 상용 알루미늄 합금인 A356합금에 상기 비금속원소 합금법을 이용하여 I-A356합금을 제조하였으며, 그 제조 공정을 최적화 하였다. I-A356 합금에서 산소의 역할은 응고 과정에서 기지 금속과 공정 실리콘 계면에서의 역할로 구분되며 구체적인 내용은 다음과 같다. 1) 기지 금속에서 강제로 고용된 산소는 내부에너지를 증가시켜 재료 고유의 물성값을 변화시킨다. 국부적인 클러스터 형태로 고용된 산소는 기지에서 아결정립 (Subgrain boundary)과 같은 밴드 (Band)를 형성하고, 이 밴드는 재료의 소성변형 시 전위와의 상호작용으로 전위셀 (Dislocation cell)을 형성한다. 전위셀의 크기는 일반적으로 가공량에 따라 감소하다가 약 1.8 m으로 포화되는데, 비금속원소가 포함된 합금은 산소 밴드의 형성으로 그 크기가 0.6 m까지 작아지는 현상을 발견하였으며, 이처럼 작아진 전위셀은 변형시 전위를 더 많이 포함하고 소멸하는 역할로 작용하여 연신율을 기존합금 대비 약 37.5% 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 2) 알루미늄 기지와 공정 실리콘 간 계면에 강제로 고용된 산소는 계면에서 원자결함으로 작용하여 상호 확산에 필요한 활성화 에너지를 낮춘다. 계면에서 상호 확산된 두 원소는 알루미늄 기지에서는 실리콘 나노입자를 형성하고, 공정 실리콘에서는 알루미늄 나노 입자를 형성하는 현상을 발견하였으며, 실리콘 나노입자가 석출된 알루미늄 합금의 강화효과를 분석하였다. 또한 알루미늄 기지와 반정합을 이루는 실리콘 나노입자는 변형 시 전위의 이동을 효과적으로 방해하여 인장강도를 기존합금 대비 약 35% 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 두번째로 본 연구에서는 상용 A356합금과 상기 비금속원소 합금법을 이용하여 제조한 I-A356합금의 피로저항과 크리프저항을 비교하였다. 실리콘 나노입자가 석출된 I-A356의 경우 상용 A356합금과 비교하여 상온의 부품 사용조건에서 피로수명이 약 5배가량 향상되는 것을 확인하였으며, 파단면 분석 결과 응력인가 하에서 실리콘 나노입자가 피로변형에 저항하여 기지에 전달될 수 있는 힘이 줄어드는 현상을 확인하였다. 또한, I-A356의 고온 (423에서 523K)에서의 변형거동을 관찰하였다. 크리프저항 역시, 알루미늄 기지 내 고용된 산소원자가 알루미늄 원자의 확산을 방해하여 공정실리콘 계면에 공공이 형성되는 것을 확인하였다. 일정한 응력하에서 (120 MPa), 일정 간격의 온도에서 크리프를 측정하여 확산에 필요한 활성화 에너지를 I-A356합금과 (148.2 kJ/mol) A356합금 (132.3 kJ/mol)을 비교하여 측정하였으며, 결과적으로 기지 내 고용된 산소에 의한 알루미늄 원자 확산의 제한으로 인하여 고온에서 공공의 생성 및 성장을 효과적으로 억제하여 고온 강도 및 크리프 저항성이 향상됨을 확인하였다. 세번째로 본 연구에서는 아공정합금 뿐 아니라, 과공정합금으로 비금속원소 합금법의 시스템을 확장하여 Al-20Si 과공정 합금에서의 산소의 역할도 제시하였다. 과공정 합금에서 강제로 고용된 산소는 초정 Si상의 중앙에서 일부 Al-Si-O형태의 화합물로 발견되었으며, 이를 분석하여 상기 화합물이 초정 Si상의 불균일핵생성 사이트로 작용하고 초정 Si상 미세화에 기여함을 확인하였다. 또한, 화합물을 형성하지 않은 산소는 공정 Si상의 성장을 방해하여 초정 Si상 및 공정 Si 상 모두 개질시키는 역할을 확인하였으며, 취성의 Si상이 미세화됨에 따라 고온 (293 에서 573 K)에서의 기계적 성질이 향상된 것을 확인하였다. 최종적으로 본 연구에서는, 비금속원소 합금법이 적용된 알루미늄 합금의 기계적 특성을 분석한 결과를 바탕으로, 차세대 경량신소재가 나아갈 방향을 제시하고자 하였다. 비금속원소 합금법을 통해 원자단위로 구조를 제어한다면, 재료의 내재된 고유특성을 변화시키고, 나아가 새로운 물성의 발현이 가능하여 산업적/학문적인 측면에서 제조 원천기술을 확보하고 소재 개발에 대한 새로운 패러다임을 제시 할 수 있다. 본 연구에서 수행된 알루미늄에 고용된 산소의 역할을 규명하고 신합금의 특성 변화에 관한 연구는 경량금속과 비금속원소를 융합하는 새로운 시도로서, 4차 산업혁명의 핵심 소재로 활용 할 수 있는 가능성을 제시한다.