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타입 3 극저온 추진제 탱크의 액체질소저장 시험 및 파손 분석
강상국(Sang-Guk Kang),김명곤(Myung-Gon Kim),박상욱(Sang-Wuk Park),김천곤(Chun-Gon Kim),공철원(Cheol-Won Kong) 한국항공우주학회 2007 韓國航空宇宙學會誌 Vol.35 No.7
최근에 발사체의 경량화를 위해 추진제 탱크의 재료를 복합재료로 대체하기 위한 연구가 많이 진행되고 있다. 본 연구에서는 극저온용으로 개발된 복합재와 알루미늄 라이너로 구성된 타입 3 추진제 탱크를 제작하고 실제 극저온 상태의 운용환경을 고려한 실험을 수행하였다. 이를 위해 액체 질소를 제직된 타입 3 탱크에 주입하고 기체 질소를 이용하여 가압하였다. 실험수행과정에서 헬리컬 층과 후프 층 사이에서 층간 분리 현상이 관찰되었으며, 이에 대한 원인을 분석하기 위해 해석적 방법과 실험적 방법이 사용되었다. 해석적 방법에서는 점진적 파손 해석을 고려한 열탄성 해석으로부터 파손 지수를 평가하였으며 실험적 방법에서는 타입 3 탱크를 쉽게 모사할 수 있는 복합재/알루미늄 링 시편의 액체 질소 담금 시험을 통해 헬리컬 층과 후프 층 사이의 계면을 관찰하였다. Nowadays, researches for replacing material systems for cryotanks by composites have been being performed for the purpose of lightweight launch vehicle. In this paper, a type 3 propellant tank, which is composed of the composite developed for cryogenic use and an aluminum liner, was fabricated and tested considering actual operating environment, that is, cryogenic temperature and pressure. For this aim, liquid nitrogen (LN₂) was injected into the fabricated tank and in tum, gaseous nitrogen (GN₂) was used for pressurization. During this test procedure, strains and temperatures on the tank surface were measured. The delamination between hoop layer and helical one, was detected during the experiment. Several attempts were followed to investigate the cause analytically and experimentally. Thermo-elastic analysis in consideration of the progressive failure was done to evaluate the failure index. Experimental approach through a LN₂ immersion test of composite/ aluminum ring specimens suitable for simulating the Type 3 tank structure.
유전자 알고리즘을 이용한 수소 연료 자동차용 복합재 압력용기의 최적설계
강상국(Sang-Guk Kang),김명곤(Myung-Gon Kim),김천곤(Chun-Gon Kim) 대한기계학회 2007 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2007 No.5
To store hydrogen with high pressure is one of key technologies in developing FCVs (fuel cell vehicles). Especially, metal lined composite structure, which is called Type 3, is expected to effectively stand highly pressurized hydrogen since it has high specific strength and stiffness as well as excellent storage ability. However, it has many difficulties to design Type 3 vessels because of their complex geometry, fabrication process variables, etc. In this study, therefore, optimal design of Type 3 vessels was performed in consideration of such actual circumstances using genetic algorithm. Additionally, detailed finite element analysis was followed for the optimal result.
윤혁진(Hyuk-Jin Yoon),강상국(Sang-Guk Kang),이원준(Won-Jun Lee),홍창선(Chang-Sun Hong),김천곤(Chun-Gon Kim) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.1
광섬유 자이로스코프는 회전에 의해서 발생하는 Sagnac 위상차를 측정하는 장치이다. 그런데, 광섬유 자이로스코프에는. 회전에 의한 Sagnac 위상차 이외에도 주위 환경 변화에 의한 위상차도 발생한다. 따라서, 주위 환경 변화에 의한 위상 오차를 줄이기 위해서 센서 코일의 광섬유를 사극 권선한다. 본 논문에서는 광섬유 자이로스코프용 사극 권선 장치를 설계하고 제작하였다. 사극 권선 장치를 설계하기 위해서 공리설계 기법을 사용하였으며, 시스템이 가져야 할 기능과 그 성능을 만족시킬 수 있는 설계 변수를 선택하여 서로 사상해 나가면서 전체 시스템을 설계하였다. 제작된 사극 권선 장치는 전자동으로 구동이 가능하며, 두층을 동시에 감을 수 있다. 또한,OTDR 시스템을 이용하여 사극 권선 중 광섬유의 미소 굽힘에 의한 결함을 측정하였다. Fiber optic gyroscope is an instrument which measures the rotation rate based on Sagnac phase difference. The due factor resulting in phase difference is the environmental change to time as well as Sagnac phase difference by rotation. To reduce the phase error by the environmental change, the optical fiber has to be wound with quadrupole pattern. In this paper, quadrupole winder necessary for fiber optic gyroscope was developed based on the axiomatic design. The design began with functional requirements and related design parameters and through zigzagging and decomposition the design was accomplished. The results show that the full process can be automatic and wind two layers simultaneously. And defects caused by micro bending during winding process was measured.
김명곤(Myung-Gon Kim),강상국(Sang-Guk Kang),김천곤(Chun-Gon Kim),공철원(Cheol-Won Kong) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.9
본 연구에서는 필라멘트 와인딩하여 제작된 복합재/알루미늄 링 시편의 극저온 특성을 고찰하였다. 링 시편은 탄소섬유와 극저온용으로 개발된 Type B 에폭시 수지를 사용하여 제작되었다. 상온으로부터 -150℃까지 링 시편의 열변형률 측정 결과, 극저온 영향에 의해 복합재 내에는 압축 열응력이 발생하였으나 알루미늄 내에는 항복응력의 약 32% 크기의 인장 열응력이 발생하였다. 그리고 이는 극저온에서 알루미늄의 소성하중을 낮추는 결과를 가져왔다. 또한, 실험으로부터 얻어진 극저온 물성을 사용하여 유한요소해석을 수행한 결과, 링 시편 실험을 통해 얻어진 열변형률과 잘 일치함을 보였다. -150℃에서 split disk 치구에 장착된 복합재/알루미늄 링 시편에 6회 하중 사이클을 수행한 후, -150℃에서 인장시험을 수행하였다. 그 결과, 라이너-복합재 탱크 구조물에 대하여 자긴압력 등이 가해질 때, 극저온에서는 자긴압력에 의해 복합재 강도가 상온 보다 더 크게 저하될 수 있음을 보였다. In this study, the characteristics of filament wound composite/aluminum ring specimens were investigated at cryogenic temperature. The ring specimens were manufactured using carbon fibre and Type B epoxy resin which had been developed for cryogenic use. As a result of measuring thermal strains at -150℃, it was found that compressive thermal stress was induced in composite part on the contrary, tensile thermal stress in aluminum part which was about 32% of yield stress and in turn, caused aluminum to be yielded at lower load level. In addition, Thermal strains which resulted from finite element analysis showed good agreement with those of the experiment. After 6 mechanical loading cycles had been applied to the ring specimen at -150℃, tensile tests were performed at -150℃ using a split disk fixture. As a result, it was shown that composite strength in a liner-composite tank structure which is for the use of cryogenic propellant tank would be decreased by auto-frettage pressure which is applied to it.