KR20120105819A

KR20120105819A - The sandwich-type composite shielding structure

Info

Publication number: KR20120105819A
Application number: KR1020110023483A
Authority: KR
Inventors: 김천곤; 문진범
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2031-03-16
Also published as: KR101259881B1

Abstract

본 발명은 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로 외부 충격체와 최초로 충돌하며 섬유강화 복합재료로 이루어진 전면층, 고분자 수지로 이루어진 후면층 및 상기 전면층 및 후면층 사이에 구비되며, 방탄성을 갖는 직물섬유로 이루어지는 중간층을 포함하되, 상기 중간층은 상기 전면층 및 후면층에 결속되지 않으며, 상기 후면층은 상기 충격체에 의한 최초 충돌시 상기 중간층 보다 먼저 천공되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a sandwich-type composite defense structure, and more specifically to the first impact with an external impactor and is provided between the front layer made of fiber-reinforced composite material, the back layer made of polymer resin and between the front layer and the back layer. And an intermediate layer made of fabric fibers having ballistic resistance, wherein the intermediate layer is not bound to the front layer and the rear layer, and the rear layer is perforated before the intermediate layer upon initial impact by the impactor. .

Description

The sandwich-type composite shielding structure

본 발명은 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 구조물 내지 장치 특히, 인공위성, 우주 정거장, 우주왕복선 등을 포함하는 우주 구조물 또는 우주 비행체들을 우주 쓰레기 등과 같은 외부 물질들과의 초고속 충돌에 의한 충격으로 부터 보호하기 위한 것이다.
The present invention relates to a sandwich-type composite defense structure, and more specifically, to a structure or device, in particular, to a superstructure or space vehicles, including satellites, space stations, space shuttles, etc. It is to protect against impact from collision.

인공위성, 국제 우주정거장 그리고 우주왕복선과 같은 우주 비행체들은 우주를 운행하는 도중 초고속(10~20km/s)으로 지구궤도를 돌고 있는 우주 쓰레기와 미소 운석들과의 초고속 충돌 위협에 노출되어 있다. 우주 쓰레기의 크기 분포 또한 다양하며, 10cm 이상의 큰 물체는 지상에서 모니터링하여, 충돌을 회피하는 방법을 사용하고 있으며, 1cm 이하의 작은 물체에 대해서는 쉴딩 시스템을 이용하여, 우주 구조물을 보호하고 있다. 이러한 초고속 충돌로부터 우주 구조물을 보호하기 위해서 위플 쉴드(Whipple shield)가 많이 연구?적용되고 있다. Spacecraft such as satellites, international space stations, and space shuttles are exposed to high-speed collision threats with space debris and microscopic meteorites that orbit the Earth at high speeds (10-20 km / s) during space travel. The size of space debris is also diverse, and large objects over 10 cm are monitored on the ground to avoid collisions. For objects smaller than 1 cm, shielding systems are used to protect space structures. In order to protect space structures from such high-speed collisions, a lot of Whipple shields have been studied and applied.

위플 쉴드는 1~4mm 정도의 얇은 두 개의 알루미늄 판이 스텐드오프(standoff)라 불리는 일정한 거리를 두고 위치하는 다중벽 방어 시스템(multi-wall shielding system)을 의미한다. Waffle shield refers to a multi-wall shielding system in which two thin aluminum plates of about 1 mm to 4 mm are placed at a certain distance called a standoff.

이에 대해 좀 더 구체적으로 살펴보면, 앞 범퍼에 초고속 충돌이 발생하게 되면 범퍼의 일부 및 충격체가 무수히 많은 작은 알갱이로 나뉘어지며, 파편구름(fragment cloud)을 형성하게 된다. 이 구름은 스텐드오프를 지나면서 넓게 퍼지게 되며, 최종적으로 후판에 도달했을 때에는 초기의 운동에너지를 무수히 많은 알갱이들로 나누어 충돌하게 되어 작은 운동에너지로의 개별적 충돌이 일어나 얇은 알루미늄 판으로도 막을 수 있게 되는 것이 위플 쉴드의 원리이다. In more detail, when a high-speed collision occurs in the front bumper, a part of the bumper and the impactor are divided into a myriad of small grains, and form a fragment cloud. The cloud spreads widely through the standoffs, and when it finally reaches the thick plate, it splits the initial kinetic energy into a myriad of granules and collides with the small kinetic energy so that it can be blocked by a thin aluminum plate. It is the principle of the waffle shield.

위플 쉴드는 쉴딩시스템 자체의 무게를 절감하기에는 매우 효과적이나 위플 쉴드가 효율적으로 작동하기 위해서는 스텐드오프라는 일정 간격이 반드시 필요하며, 이는 보통 20~30cm에 이른다. 즉, 종래의 위플쉴드는 쉴드 자체의 무게는 줄일 수 있었지만, 쉴딩 시스템의 부피가 전체적으로 상당히 증가하는 경향을 보이며, 이는 곧 우주 구조물의 크기가 커져야 함을 의미하고, 나아가 우주 구조물을 우주궤도로 올리기 위한 발사체의 부피가 더 커져야 함을 의미한다. 이로 인해 부수적으로 우주 구조물의 무게가 증가하게 되었다. 또한 종래의 위플쉴드는 여러 개의 작은 알갱이들을 생성하여 막아내는 형태이기 때문에 충돌로 인해 마이크로 단위의 많은 새로운 우주 쓰레기들이 이차적으로 발생하였다. 이는 추후 또 다른 충돌을 야기하였으며, 이러한 충돌은 크기가 작기 때문에 소소하지만 태양전지판과 같은 구조물에 다량으로 충돌이 가해질 경우, 전지판을 구성하는 셀들의 기능을 상실하게 하고, 우주 왕복선의 윈드쉴드와 같은 부분에 크고 작은 크레이터(crater)를 만들어 시야를 줄이거나, 허블 망원경의 렌즈 또한 이러한 작은 충돌에 의해서 광학적 특성이 떨어져 문제를 야기하였다.
The waffle shield is very effective to reduce the weight of the shielding system itself, but a regular interval of standoff is necessary for the waffle shield to operate efficiently, which usually reaches 20 to 30 cm. In other words, the conventional waffle shield has been able to reduce the weight of the shield itself, but the volume of the shielding system tends to increase considerably, which means that the size of the space structure must be increased, and further, the space structure is put on the space track. This means that the volume of the projectile should be larger. This, in turn, led to an increase in the weight of the space structure. In addition, since the conventional waffle shield forms and blocks a number of small grains, the collision generates a lot of new space debris in the micro unit. This later led to another collision, which is small because of its small size, but when a large amount of impact is applied to a structure such as a solar panel, the cells constituting the panel lose their function, such as a windshield of a space shuttle. Large and small craters were created in the area to reduce the field of view, or the Hubble telescope's lens also caused problems due to the optical impairment caused by these small collisions.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, The present invention has been made to solve the above problems,

먼저, 방어 구조물의 경량화 및 부피 최소화를 동시에 이룰 수 있으며, 이로 인해 우주 구조물의 운용비용을 최소화 할 수 있는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 제공을 일 목적으로 한다.First, it is possible to achieve a lightweight and minimized volume of the defense structure at the same time, thereby providing a sandwich-type composite defense structure that can minimize the operating cost of the space structure.

또한, 전면층 및 후면층에 비구속 형태로 내장되는 중간층을 구비함으로써, 최대의 에너지 흡수량을 갖는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 제공을 다른 목적으로 한다.In addition, by providing an intermediate layer embedded in the front layer and the rear layer in an unconstrained form, it is another object to provide a sandwich-type composite protective structure having a maximum amount of energy absorption.

아울러, 방어 구조물에 충돌된 우주 쓰레기 등을 모두 수집함으로써, 이차 충돌을 미연에 방지할 수 있는 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 제공을 또 다른 목적으로 한다.In addition, it is another object of the present invention to provide a sandwich-type composite defense structure that can prevent secondary collision in advance by collecting all the space garbage collided with the defense structure.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
The objects of the present invention are not limited to the above-mentioned objects, and other objects not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명은 상기 목적들을 달성하기 위하여, 섬유강화 복합재료로 구성되어 외측에 위치하는 전면층과, 고분자 수지로 구성되어 내측에 위치하는 후면층 및 방탄성을 갖는 직물섬유로 구성되어 상기 전면층 및 상기 후면층의 사이에 비구속 형태로 내장되는 중간층을 포함하며, 상기 후면층은 외부 충격체로 인한 충격시에 상기 중간층보다 먼저 천공되는 강도를 갖는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention consists of a fiber-reinforced composite material, the front layer is located on the outside, and the front layer is composed of a polymer resin and the back layer is located on the inside and the fabric has a ballistic resistance And an intermediate layer embedded in an unconstrained form between the rear layers, wherein the rear layer has a strength that is punctured earlier than the intermediate layer when impacted by an external impactor.

바람직하게는 상기 중간층은 다수개의 층으로 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably the intermediate layer is characterized by consisting of a plurality of layers.

바람직하게는 상기 전면층과 상기 후면층 사이의 테두리 주위에 배열되는 프레임을 더 포함하며, 상기 중간층은 상기 프레임에 의해 형성되는 공간 내에 내장되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the apparatus further comprises a frame arranged around an edge between the front layer and the back layer, wherein the intermediate layer is embedded in a space formed by the frame.

바람직하게는 상기 프레임과 상기 중간층의 두께는 동일한 것을 특징으로 하며, 상기 프레임은 강화 복합재료 또는 강화 폴리머 재료로 구성되는 것을 특징으로 한다.Preferably, the frame and the intermediate layer have the same thickness, and the frame is made of a reinforced composite material or a reinforced polymer material.

바람직하게는 상기 섬유강화 복합재료는 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP:carbonfiber-Reinforced plastics)인 것을 특징으로 한다.Preferably, the fiber reinforced composite material is characterized in that the carbon fiber reinforced plastics (CFRP: carbonfiber-Reinforced plastics).

바람직하게는 상기 고분자 수지는 폴리머 계열의 아크릴 수지, 폴리 카보네이트 또는 폴리 에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나인 것을 특징으로 한다.Preferably the polymer resin is characterized in that any one selected from the group consisting of a polymer-based acrylic resin, polycarbonate or polyethylene.

바람직하게는 상기 직물섬유는 파라계 방향족 폴리아마이드 섬유인 것을 특징으로 한다.
Preferably, the textile fiber is characterized in that the para-aromatic polyamide fibers.

본 발명은 다음과 같은 우수한 효과가 있다.The present invention has the following excellent effects.

먼저, 본 발명에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 종래의 메탈 재질보다 가벼운 복합재료, 직물섬유 및 고분자 수지를 이용하여 경량화를 이룰 수 있으며, 이로인해 우주 구조물의 무게당 운용비용을 최소화 할 수 있는 우수한 효과가 있다.First, the sandwich-type composite defense structure according to the present invention can be made lightweight by using a composite material, fabric fiber and polymer resin lighter than the conventional metal material, thereby minimizing the operating cost per weight of the space structure That has an excellent effect.

또한, 종래의 위플쉴드가 요구하는 스텐드 오프를 요하지 않으므로 방어 구조물의 부피를 최소화할 수 있다.In addition, since the stand off required by the conventional waffle shield is not required, the volume of the protective structure can be minimized.

아울러, 전면층 및 후면층과 비구속 형태로 내장되는 중간층을 구비함으로써 최대의 에너지 흡수량을 갖고, 충돌된 우주 쓰레기 등을 모두 수집함으로써, 이후 충돌을 미연에 방지할 수 있는 우수한 효과가 있다.
In addition, by having a front layer and a rear layer and an intermediate layer embedded in an unconstrained form, it has the maximum amount of energy absorption, and collects all collided space debris and the like, thereby having an excellent effect of preventing a collision afterwards.

도 1 은 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물 전체 구성도다.
도 2 는 도 1의 구성에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 작동 원리를 나타내는 도다.
도 3 은 도 1에 도시된 중간층의 결속여부에 따른 에너지 흡수율의 변화를 개념적으로 비교한 그래프다.
도 4 는 도 1에 도시된 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 대한 실제 충돌실험 이미지다.1 is an overall configuration of a sandwich type composite protective structure according to an embodiment of the present invention.
2 is a view showing the operating principle of the sandwich type composite defense structure according to the configuration of FIG.
FIG. 3 is a graph conceptually comparing a change in energy absorption rate depending on whether the intermediate layer shown in FIG. 1 is bound.
FIG. 4 is an actual crash test image of the sandwich type composite defense structure shown in FIG. 1.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. The term used in the present invention is a general term that is widely used at present. However, in some cases, there is a term selected arbitrarily by the applicant. In this case, the term used in the present invention It is necessary to understand the meaning.

이하, 첨부한 도면에 도시된 바람직한 실시 예들을 참조하여 본 발명의 기술적 구성을 상세하게 설명한다.
Hereinafter, the technical structure of the present invention will be described in detail with reference to preferred embodiments shown in the accompanying drawings.

먼저, 도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물 전체 구성도다.First, Figure 1 is an overall configuration of a sandwich type composite protective structure according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 섬유강화 복합재료로 구성되어 외측에 위치하는 전면층(11)과, 고분자 수지로 구성되어 내측에 위치하는 후면층(13) 및 방탄성을 갖는 직물섬유로 구성되어 상기 전면층(11) 및 상기 후면층(13)의 사이에 비구속 형태로 내장되는 중간층(12)을 포함한다.Referring to Figure 1, the sandwich type composite defense structure according to an embodiment of the present invention is composed of a fiber-reinforced composite material, the front layer 11 is located on the outside and the rear surface is composed of polymer resin It comprises an intermediate layer 12 composed of a layer 13 and a fiber-proof fabric has a non-binding form between the front layer 11 and the back layer 13.

이때, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 전면층(11)은 초고속의 충격체(10)와 최초로 충돌하는 부분으로, 에너지 흡수율이 높고 가벼운 다양한 섬유강화 복합재료를 이용할 수 있다.At this time, the front layer 11 according to an embodiment of the present invention is a portion that collides for the first time with the ultra-high impact body 10, it is possible to use a variety of fiber reinforced composite materials with high energy absorption and light.

상기 섬유 강화 복합재료로는 탄소계 및 비 탄소계 섬유를 모두 포함할 수 있으나, 상기 섬유강화 복합재료로 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP:carbonfiber-Reinforced plastics)을 이용하는 것이 바람직하다.The fiber-reinforced composite material may include both carbon-based and non-carbon-based fibers, but it is preferable to use carbon fiber-reinforced plastics (CFRP) as the fiber-reinforced composite material.

한편, 상기 후면층(13)은 외부 충격체(10)의 초고속 충돌시, 후술할 중간층(12)을 통해 전달되는 강한 충격파에 의해 상기 중간층(12) 보다 먼저 천공될 수 있도록 비교적 약한 강도의 고분자 수지로 이루어져 있다.On the other hand, the rear layer 13 is a relatively weak strength polymer to be punctured earlier than the intermediate layer 12 by a strong shock wave transmitted through the intermediate layer 12, which will be described later, when the ultra-impact impact of the external impactor 10 It is made of resin.

이때, 상기 고분자 수지는 다양한 폴리머 계열의 수지를 이용할 수 있으나, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 고분자 수지는 아크릴 수지, 폴리 카보네이트 및 폴리 에틸렌으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 이용할 수 있다.In this case, the polymer resin may be used a variety of polymer-based resin, in one embodiment of the present invention may be any one selected from the group consisting of acrylic resin, polycarbonate and polyethylene.

다만, 본 발명의 바람직한 실시 예에 있어서, 상기 고분자 수지는 아크릴 수지를 이용하는 것이 바람직하다.However, in the preferred embodiment of the present invention, it is preferable that the polymer resin is an acrylic resin.

아울러 반드시 상술한 고분자 수지들로 한정되는 것은 아니며 이를 포함하는 다양한 폴리머 계열의 수지를 이용할 수 있음은 물론이다.In addition, it is not necessarily limited to the above-described polymer resins can be used a variety of polymer-based resins including the same.

한편, 상기 중간층(12)은 상기 전면층(11) 및 후면층(13)의 중간에 내장되며, 상기 충격체(10)의 관통을 막기 위하여 방탄성을 갖는 직물섬유로 이루어져 있다.On the other hand, the intermediate layer 12 is built in the middle of the front layer 11 and the rear layer 13, and is made of fabric fibers having ballistic resistance to prevent penetration of the impact body (10).

상기 직물섬유는 상기 방탄성을 발휘 할 수 있는 다양한 섬유를 이용할 수 있음은 물론이나, 본 발명의 일실시 예에 있어서 상기 직물섬유는 에너지 흡수율이 우수하고, 강도, 탄성, 진동흡수력 등이 뛰어난 파라계 방향족 폴리아마이드 섬유가 다수개의 층으로 적층된 형태로 구비할 수 있다.The fabric fibers may be used in a variety of fibers that can exhibit the ballistic resistance, of course, in one embodiment of the present invention, the fabric fibers are excellent in energy absorption, excellent in strength, elasticity, vibration absorption, etc. System aromatic polyamide fibers may be provided in the form of a plurality of layers laminated.

다만, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 중간층(12)은 케블라(Kevlar)를 8장 적층하여 구비하는 것이 바람직하다.However, the intermediate layer 12 according to an embodiment of the present invention is preferably provided by stacking eight pieces of Kevlar.

아울러, 본 발명의 일실시 예에 따른 상기 중간층(12)은 상기 전면층(11) 및 상기 후면층(13)에 결속되지 않는 구조 즉, 비구속 형태로 내장되는 것을 특징으로 하고 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 후술토록 한다.In addition, the intermediate layer 12 according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is built in a structure that is not bound to the front layer 11 and the rear layer 13, that is, in a non-binding form. Detailed description will be made later.

한편, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 상기 전면층과(11) 상기 후면층(13) 사이의 테두리 주위에 배열되는 프레임(14)을 더 포함하며, 상기 중간층(12)은 상기 프레임(14)에 의해 형성되는 공간 내에 내장될 수 있다. Meanwhile, the sandwich type composite defense structure according to an embodiment of the present invention further includes a frame 14 arranged around an edge between the front layer 11 and the rear layer 13, wherein the intermediate layer ( 12 may be embedded in a space formed by the frame 14.

상기 프레임(14)은 상술한 바와 같이 상기 중간층(12)이 내장될 수 있는 공간을 확보하는 역할을 수행할뿐 상기 중간층(12)을 결속시키지는 않는다.As described above, the frame 14 serves to secure a space in which the intermediate layer 12 may be embedded, but does not bind the intermediate layer 12.

즉, 상기 프레임(14)은 공간을 확보하기 위하여 상기 전면층(11) 및 후면층(13)과 다양한 방법을 통해 접착되어 있으나, 상기 중간층(12)은 상기 전면층(11), 후면층(13) 및 프레임(14) 어디에도 결속되지 않는 구조로 이루어진다.That is, the frame 14 is bonded to the front layer 11 and the rear layer 13 through various methods to secure a space, but the intermediate layer 12 is the front layer 11 and the rear layer ( 13) and the frame 14 is made of a structure that is not bound anywhere.

아울러 상기 프레임(14)은 상기 목적을 달성할 수 있는 다양한 재질로 이루어질 수 있으나, 상기 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 경량화를 위해 밀도가 낮고, 충돌시 발생한 외압에 대해 충분히 견딜수 있는 복합재료 및 폴리머 소재를 이용하는 것이 바람직하다.In addition, the frame 14 may be made of a variety of materials that can achieve the above purpose, but the composite material and polymer having a low density for light weight of the sandwich-type composite defense structure, and can withstand the external pressure generated during the collision It is preferable to use a material.

또한, 상기 프레임(14)은 상기 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 부피를 최소화하기 위해 상기 중간층(12)의 두께와 동일하게 구비되는 것이 바람직하다.In addition, the frame 14 is preferably provided with the same thickness of the intermediate layer 12 in order to minimize the volume of the sandwich-type composite protective structure.

이하, 도 1의 구성에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물의 작동 원리를 나타내는 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to Figure 2 showing the operating principle of the sandwich type composite material protective structure according to the configuration of Figure 1 will be described in detail.

먼저, 종래의 위플쉴드(Whipple shield)는 상술한 바와 같이 충격체를 앞 범퍼에서 여러개의 많은 조각으로 나누어 파편구름을 형성하고 이를 분산시켜 에너지를 낮추어 각각을 후 범퍼에서 막는 방식으로 이루어져 있다. First, the conventional whip shield (Whipple shield) is formed by dividing the impactor into a plurality of pieces in the front bumper to form a debris cloud by dispersing it to lower the energy by blocking each of the rear bumper.

그러나, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 충격체의 질량을 분산시키지 않고, 그 자체의 에너지 흡수율을 높인 구조물로 종래의 위플쉴드가 요구하는 스텐드 오프(standoff)가 전혀 필요치 않는 이른바 섬유 풀아웃 메커니즘(pull-out mechanism)을 이용한 것을 특징으로 한다.However, the sandwich-type composite defense structure according to the embodiment of the present invention does not disperse the mass of the impactor, and has a high energy absorption rate of its own structure, and thus has no standoff required by the conventional waffle shield. It is characterized by using a so-called fiber pull-out mechanism, which is not necessary.

이때, 상기 섬유 풀아웃 메커니즘이라 함은, 도 2에 도시된 바와 같이 상기 전면층(11) 및 후면층(13) 사이에 상기 전면층(11) 및 후면층(13)과 비구속 형태로 내장된 상기 중간층(12)이 충돌에 의해 손상을 받기 전에 발생한 상기 후면층(13)의 천공된 구멍을 통해 충격체(10)와 함께 빨려나가게 되고, 천공 구멍 내의 섬유 부피가 증가함에 따라 새로운 구속력이 작용하여 상기 충격체(10)의 에너지를 흡수하는 메커니즘을 의미한다.In this case, the fiber pull-out mechanism is embedded in the non-binding form with the front layer 11 and the rear layer 13 between the front layer 11 and the rear layer 13 as shown in FIG. 2. The intermediate layer 12 is sucked together with the impactor 10 through the perforated holes of the back layer 13 that occurred before the damage by the collision, and the new binding force is increased as the fiber volume in the perforated holes increases. It means a mechanism that acts to absorb the energy of the impact body (10).

한편, 상기 중간층(12)을 상기 전면층(11) 및 후면층(13)에 비구속 형태로 내장하는 이유는 상기 중간층(12)의 두 모서리 또는 네 모서리를 결속시켰을때 비하여 하중 증가 속도가 느리기 때문에 중간층(12)의 후면층(13)을 통한 관통이 늦추어 지고, 이를 통해 충돌이 이루어지는 동안 에너지를 오랜 시간 흡수할 수 있으며, 결과적으로 더 많은 충격체(10)의 에너지를 흡수할 수 있기 때문이다.Meanwhile, the reason why the intermediate layer 12 is embedded in the front layer 11 and the rear layer 13 in an unconstrained form is that the load increase speed is slower than when two or four corners of the intermediate layer 12 are bound. As a result, the penetration through the rear layer 13 of the intermediate layer 12 is slowed down, and thus the energy can be absorbed for a long time during the collision, and as a result, more energy of the impactor 10 can be absorbed. to be.

이에 대해 도 1에 도시된 중간층의 결속여부에 따른 에너지 흡수율의 변화를 개념적으로 비교한 그래프인 도 3을 참조하여 이하 상세히 설명한다.This will be described below in detail with reference to FIG. 3, which is a graph conceptually comparing a change in energy absorption rate according to the binding of the intermediate layer illustrated in FIG. 1.

도 3을 참조하면, A는 본 발명의 일실시 예에 따라 중간층이 결속되지 않은 상태에서 발생하는 충격체의 구속력을 나타내는 그래프이며, B는 중간층의 4모서리가 결속되어 있는 상태에서 발생하는 충격체의 구속력 그래프, C는 중간층이 관통되기 위한 최대 구속력이다.Referring to Figure 3, A is a graph showing the restraining force of the impactor generated in the state that the intermediate layer is not bound according to an embodiment of the present invention, B is the impactor generated when the four corners of the intermediate layer is bound The constraint graph of, C is the maximum binding force for the interlayer to penetrate.

결과적으로 C 이상의 구속력이 걸리게 되면 상기 중간층은 관통이 일어나게 된다.As a result, when the restraint force of C or more is applied, the intermediate layer is penetrated.

이때, A 및 B의 모든 조건은 동일하며, 단지 결속여부만 차이가 있을뿐이다.At this time, all the conditions of A and B are the same, only the binding is different.

이를 참조하면 A의 경우, 상술한 바와 같이 직물섬유의 빨려나감 현상으로 인해서 서서히 구속력이 증가하는 경향을 보여주고 있으나, B의 경우 모서리의 결속으로 인하여 급격한 구속력의 증가를 보이고 있다.Referring to this, in the case of A, as shown above, the binding force is gradually increased due to the sucking phenomenon of the fabric fiber, but in the case of B, the binding force is rapidly increased due to the binding of the edges.

한편, 흡수된 에너지는 도 3에서 하중과 변위의 곱에 비례하므로 그래프의 아래 면적 즉, A', B'가 총 흡수 에너지가 된다.Meanwhile, since the absorbed energy is proportional to the product of the load and the displacement in FIG. 3, the area under the graph, that is, A 'and B' becomes the total absorbed energy.

결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 중간층과 같이 중간층을 결속하지 않는 경우, 비록 충격체에 대한 구속력은 서서히 증가하나 총 에너지 흡수량에 있어서는 결속된 중간층에 비해 훨씬 더 우수함을 알 수 있다.As a result, in the case of not binding the intermediate layer, such as the intermediate layer according to an embodiment of the present invention, although the binding force to the impactor is gradually increased, it can be seen that the total energy absorption is much superior to the bound intermediate layer.

마지막으로 도 1에 도시된 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 대한 실제 충돌실험 이미지다.Finally, the actual crash test image of the sandwich type composite defense structure shown in FIG.

이때 상기 출동실험을 위해 2mm의 탄소섬유 강화 플라스틱으로 이루어진 전면층(11), 2mm 아크릴 수지로 이루어진 후면층(13) 및 상기 전면층(11) 및 후면층(13) 사이에 Kevlar 직물섬유 8장이 적층된 중간층(12)을 상기 전면층(11) 및 후면층(13)과 비구속 형태로 내장하였다.At this time, eight Kevlar fabric fibers are formed between the front layer 11 made of 2 mm carbon fiber reinforced plastic, the rear layer 13 made of 2 mm acrylic resin, and the front layer 11 and the rear layer 13 for the dispatch test. The stacked intermediate layer 12 is embedded in the unconstrained form with the front layer 11 and the rear layer 13.

그리고 상술한 바와 같이 구비된 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물에 5.56mm 직경의 알루미늄 충격체(10)를 1km/s로 충돌시켰다. And 5.56mm diameter aluminum impactor 10 was impacted at 1km / s on the sandwich type composite defense structure provided as described above.

이 결과 도 4에서 보여주는 바와 같이, 상술한 섬유 풀아웃 현상이 발생했음을 확인 할 수 있었으며, 에너지 흡수율이 약 50%정도 증가한것으로 나타났다.As a result, as shown in Figure 4, it was confirmed that the above-described fiber pullout phenomenon occurred, the energy absorption was found to increase by about 50%.

결과적으로 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 종래의 메탈 재질보다 가벼운 복합재료, 직물섬유 및 고분자 수지를 이용하여 경량화를 이룰 수 있으며, 이로인해 우주 구조물의 무게당 운용비용을 최소화 할 수 있는 우수한 효과가 있다.As a result, the sandwich-type composite defense structure according to an embodiment of the present invention can be reduced in weight by using a lighter composite material, fabric fibers and polymer resin than the conventional metal material, thereby operating cost per weight of the space structure There is an excellent effect to minimize.

또한, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 종래의 위플쉴드에서 요구되는 스텐드 오프를 요하지 않으므로 이로 인해 부피 최소화할 수 있다.In addition, the sandwich-type composite defense structure according to an embodiment of the present invention does not require the stand off required in the conventional waffle shield, thereby minimizing volume.

아울러, 본 발명의 일실시 예에 따른 샌드위치 타입의 복합재료 방어 구조물은 비구속 형태로 내장된 중간층을 구비함으로써, 최대의 에너지 흡수량을 갖고 있어 우주 구조물 등을 외부 충격으로 부터 안정적으로 보호할 수 있으며, 충돌된 우주 쓰레기 등을 모두 수집함으로써, 이후 충돌을 미연에 방지할 수 있는 우수한 효과가 있다할 것이다.
In addition, the sandwich-type composite defense structure according to an embodiment of the present invention has an intermediate layer embedded in an unconstrained form, and has a maximum energy absorption, thereby stably protecting the space structure from external impact. By collecting all the collided space debris, there will be an excellent effect to prevent future collisions.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명은 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능하다 할 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be taken by way of limitation, Various changes and modifications may be made by those skilled in the art.

10 : 충격체
11 : 전면층
12 : 중간층
13 : 후면층
14 : 프레임10: impactor
11: front layer
12: middle layer
13: back layer
14: Frame

Claims

A front layer composed of fiber-reinforced composite material and positioned outside,
A back layer composed of a polymer resin and positioned inside
Consists of fabric fibers having a ballistic resistance and comprises an intermediate layer embedded in an unconstrained form between the front layer and the rear layer,
And said back layer has a strength that is punctured earlier than said intermediate layer upon impact by an external impactor.

The method according to claim 1,
The intermediate layer is a sandwich type composite defense structure, characterized in that consisting of a plurality of layers.

The method according to claim 1 or 2,
And a frame arranged around an edge between the front layer and the back layer, wherein the intermediate layer is embedded in a space formed by the frame.

The method according to claim 3,
And the thickness of said frame and said intermediate layer is the same.

The method of claim 4,
And the frame is made of a reinforced composite material or a reinforced polymer material.

The method according to claim 1 or 2,
The fiber-reinforced composite material is a sandwich type composite defense structure, characterized in that the carbon fiber reinforced plastics (CFRP).

The method according to claim 1 or 2,
The polymer resin is a sandwich-type composite material protective structure, characterized in that any one selected from the group consisting of a polymer-based acrylic resin, polycarbonate or polyethylene.

The method according to claim 1 or 2,
The fabric fiber is a sandwich type composite protective structure, characterized in that the para-aromatic polyamide fibers.