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소개: 극한의 열 시나리오로서의 재진입
우주선이 지구 대기권으로 돌아오는 것은 임무에서 가장 열이 많이 발생하는 단계 중 하나입니다. 대기권 재진입 중에는 차량 외부에 1,500°C 이상의 온도가 발생합니다. °C의 높은 대기권에서 충격파, 마찰열 및 플라즈마 효과로 인해 발생합니다. 동시에 강한 기계적 응력이 구조물에 작용합니다. 열 보호 쉴드(열 보호 시스템, TPS)는 이러한 극한 조건으로부터 우주선과 내부 부품을 보호하는 역할을 합니다. 재사용성에 대한 요구 사항은 NASA 및 ESA와 같은 정부 기관과 민간 스폰서 모두에서 현재 우주 프로그램의 초점이 점점 더 커지고 있습니다.
이전 시스템은 절삭 또는 세라믹 소재에 의존했지만, 높은 기계적 강도와 우수한 열 전도성이라는 두 가지 특성을 결합한 소재, 즉 금속 매트릭스 강화 복합재(줄여서 MMC)가 점점 더 각광받고 있습니다. 이러한 소재는 금속 매트릭스로 구성됩니다(예 B. 세라믹 입자 또는 섬유가 내장된 알루미늄, 티타늄 또는 니켈(예.B. SiC 또는 Al₂O₃), 재료에 특별히 원하는 특성을 부여합니다. 특히 열 보호 기능의 구조적 통합으로 무게, 복잡성 및 비용을 크게 줄일 수 있다는 잠재력이 있습니다(Oluseyi et al., 2021).
그러나 이러한 재료가 재진입의 극한 요구를 견딜 수 있는지에 대한 결정은 이론적 모델링 가정이나 고전적인 재료 테스트에만 근거하지 않습니다. 그보다는 열물리학적 특성에 대한 정확한 지식 특히 넓은 온도 범위에서 열 확산성, 전도성 및 열 용량을 측정하는 것이 중요합니다. 고온 응용 분야를 위한 재료 특성화 분야에서 확립된 방법이 바로 이 부분에서 유용합니다: 레이저 플래시 분석(LFA).
레이저 플래시 분석기는 열 확산도를 측정하는 정밀한 비접촉식 방법으로 그 성능이 입증되었으며 열전도도 측정의 기초를 형성합니다. 이 방법은 실제 TPS 구성에서 볼 수 있는 것과 같이 이방성 또는 다공성 시료에 특히 유용합니다. 축 방향 및 반경 방향의 열전도도를 의미 있게 평가할 수 있으며 넓은 온도 범위에서 사용할 수 있어 TPS 재료의 평가에 필수적입니다.
따라서 이 기사에서는 레이저 플래시 분석을 사용하여 열 보호 시스템용 MMC를 평가할 수 있는 방법을 살펴봅니다. 재사용 가능한 금속 TPS 개념에 대한 NASA 개발(NASA LaRC, 2004)과 MMC의 고온 특성화에 대한 최근 재료 과학 연구(Oluseyi et al., 2021) 등 현재 연구 작업이 사용됩니다. 재료 특성 자체뿐만 아니라 실제 적용 시나리오의 맥락에서 계측 요구 사항과 LFA 데이터의 해석에도 초점을 맞추고 있습니다.
이 연구의 목표는 우주 응용 분야용 금속 복합 재료의 열물리학적 평가에 대한 근거 있는 통찰력을 제공하고 재사용 가능한 열 차폐 개발에 대한 최신 분석 방법의 기여도를 입증하는 것입니다.
재료 기술 기반: 차세대 TPS 재료로서의 금속 매트릭스 복합재
적합한 소재의 선택은 재사용이 가능해야 하는 동시에 극한 조건에서도 신뢰성을 유지해야 하는 열 보호 시스템(TPS)의 핵심 기준입니다. 항공우주 산업에서는 단열 효과, 기계적 무결성, 중량 절감 사이의 긴장 관계가 수십 년 동안 지배적이었습니다. 이러한 측면에서 금속 매트릭스 복합재(MMC)는 세라믹이나 절삭 폴리머 복합재와 같은 기존 TPS 소재에 대한 매력적인 대안을 제공합니다.
MMC는 금속 매트릭스(주로 알루미늄, 티타늄 또는 니켈)에 세라믹 입자의 강화 단계(예를 들어 탄화규소, 산화알루미늄 등) 또는 단섬유를 사용할 수 있습니다. 두 단계의 목표 조합을 통해 열 전도성, 산화 안정성, 고온에서의 강도, 열 충격에 대한 저항성과 같은 특성을 시스템 수준에서 최적화할 수 있습니다(Oluseyi et al., 2021).
TPS 구성 요소에 MMC를 사용하는 주요 논거는 열 기능을 구조적으로 통합할 수 있다는 점입니다. 기존 TPS 레이어는 타일이나 패널과 같이 하중을 견디는 구조에 추가로 적용해야 하는 경우가 많지만, MMC는 하중을 견디는 동시에 열 전도 및 열 감쇠 시스템 역할을 할 수 있습니다. 이는 전체 무게를 줄여줄 뿐만 아니라 반복적인 열 순환 후 박리 또는 균열이 발생하는 경향을 줄여 재사용성을 높여줍니다.
그러나 실제로 MMC의 특성은 각 재료 시스템, 제조 경로 및 미세 구조에 따라 크게 달라집니다. 예를 들어, 알루미늄-SiC 복합재는 높은 열전도율과 낮은 밀도가 특징이지만 산화 안정성은 600°C 이상에서만 제한적입니다. °C. 반면 티타늄 기반 MMC는 최대 1,000°C 이상의 고온에서도 뛰어난 안정성을 제공합니다. °C에 달하지만 처리 및 섬유 매트릭스 결합 측면에서 더 큰 과제를 안고 있습니다.
따라서 열물리학적 특성, 특히 온도에 따른 열 확산도 및 열 전도도에 대한 심층적인 이해는 이러한 소재를 TPS 애플리케이션에 적합하게 검증하는 데 필수적입니다.
최신 MMC의 또 다른 특징은 적층 제조, 특히 레이저 분말 베드 용융(LPBF) 또는 지향성 에너지 증착(DED)과 같은 공정을 통해 제조 가능성을 높인다는 점입니다. 이러한 공정을 통해 국소 미세 구조의 목표 조정과 열역학적 응력을 더 잘 보정할 수 있는 점진적인 재료 전이를 통합할 수 있습니다. 레이저 플래시 분석과 같은 방법과 결합하면 이러한 재료 시스템을 개발할 수 있을 뿐만 아니라 정밀하게 테스트하고 평가할 수도 있습니다.
따라서 다음 섹션에서는 레이저 플래시 분석(LFA)의 계측 방법론을 소개하고 고온 범위에서 MMC의 결정적인 열물리학적 특성을 정밀하게 측정하는 데 이 방법을 어떻게 사용할 수 있는지 설명합니다.
측정 기술: MMC의 열 특성 분석의 핵심인 레이저 플래시 분석
고온 조건에서 소재의 열 성능은 크게 세 가지 매개변수에 따라 달라집니다. 열 전도성(λ)의 열 확산도(α) 및 비열용량(cp). 1000도 이상의 온도에서 사용되는 금속 매트릭스 강화 복합재(MMC)의 경우 °C가 열 보호 시스템(TPS)으로 기능하려면 이러한 특성을 재료별로 정밀하게 측정하는 것이 필수적입니다. 레이저 플래시 분석(LFA)은 열 확산도를 측정하는 표준 방법으로 자리 잡았으며 특히 고온 애플리케이션에 적합합니다.
LFA는 일시적인 비접촉식 측정 원리평평한 샘플 플레이트의 뒷면에 짧은 고에너지 레이저 펄스를 조사합니다. 그 결과 반대쪽의 온도 상승을 적외선 센서로 측정합니다. 시간 경과에 따른 온도 반응으로부터 열 확산도를 확인할 수 있습니다. α 직접. 열 전도성 λ 관계의 결과입니다:
\람다 = \알파 \cdot \rho \cdot c_p
\쿼드 \텍스트{mit} \쿼드
\비기닝{cases}
\람다 : \text{열전도율(W/m-K)} \\
\alpha : \text{열 확산률(m$^2$/s)} \\
\rho : \text{밀도 (kg/m$^3$)} \\
c_p : \text{비열 용량 (J/kg-K)}
\end{cases}
\)
여기서 ρ 는 밀도이고 cp는 재료의 비열 용량입니다. 이 두 값은 일반적으로 별도로 결정하거나 문헌 값 또는 DSC(차등 주사 열량 측정법)와 같은 보조 측정 방법을 사용하여 결정할 수 있습니다.
LFA의 주요 장점은 다음과 같은 경우에도 이 방법을 사용할 수 있다는 것입니다. 복잡하고 불균일하거나 이방성인 재료에도 사용할 수 있다는 것입니다. 일반적으로 MMC의 경우와 마찬가지로. 시료 두께, 레이저 에너지 및 검출 시간을 목표에 맞게 선택하면 열전도율이 높은 재료와 매우 낮은 재료를 모두 분석할 수 있습니다. 이는 특히 열 전파가 방향에 따라 크게 달라질 수 있는 층상 구조 또는 방향성 미세 구조를 가진 TPS 부품과 관련이 있습니다.
또한 시료 재료와 센서 기술에 따라 최대 2800°C의 온도까지 측정할 수 있는 넓은 온도 범위에서 LFA 측정을 수행할 수 있습니다. 이를 통해 마찰에 의한 가열부터 최종 비행 단계에서의 냉각까지 재진입의 여러 단계에서 TPS 재료의 온도 거동을 지속적으로 분석할 수 있습니다.
전통적인 개별 측정 외에도 LFA는 다음과 같은 용도로도 사용할 수 있습니다. 시간 및 온도에 따른 곡선주기적 하중 및 표적 노화 테스트. 이는 항공우주 부품의 재사용성 측면에서 특히 중요한데, 미세 균열 형성, 박리 또는 산화 공격과 같은 열 손상은 기계적 테스트에서 고장을 감지하기 훨씬 전에 열 확산도의 측정 가능한 변화로 나타나는 경우가 많습니다.
따라서 TPS 개발의 실제 적용에서 LFA는 재료 평가뿐만 아니라 다음과 같은 용도로도 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 수치 모델 검증 (z.FEM 또는 CFD), 생산 중 공정 제어(예적층 제조 후) 및 응력이 높은 부품의 연속 출시에 사용됩니다.
사례 연구: NASA-X-33과 MMC를 사용한 메탈릭 TPS 개발
재사용 가능한 우주 시스템 개발의 일환으로 1990년대 말 NASA는 X-33 기술 시연기 새로운 표준을 제시합니다. 무인 테스트 차량은 더 큰 규모의 재사용 가능한 발사체(RLV) 프로그램 우주에 경제적이고 완전히 재사용 가능한 접근을 가능하게 하는 기술을 테스트하기 위한 것이었습니다. 이 프로젝트의 가장 큰 과제 중 하나는 견고하고 가벼우며 재사용이 가능한 우주선을 개발하는 것이었습니다. 열 보호 시스템(TPS) – 그리고 여기서는 금속 개념에 중점을 두었습니다.에 중점을 두었는데, 이는 이전의 절제 시스템과 크게 달랐습니다(NASA LaRC, 2004).
소위 금속 열 보호 시스템(METTPS) 은 다층 샌드위치 구조로 구성되어 있습니다. 산화 방지 금속 커버 레이어일반적으로 인코넬 또는 티타늄 합금으로 만들어진 단열 코어 위에 산화 방지 금속 커버 레이어(예예: 스테인리스 스틸 또는 티타늄으로 만든 벌집 구조). 이러한 시스템은 구조적으로 통합될 수 있고 기계적 하중 지지력이 높으며 충격에 강하고 많은 세라믹 솔루션과 달리 손상된 경우 세그먼트별로 수리할 수 있다는 몇 가지 장점을 제공합니다.
그러나 이러한 시스템의 성능은 주로 사용되는 재료의 사용되는 재료의 열물리학적 특성에 따라 크게 달라집니다. 에서. 에 대한 정확한 지식 열전도도 및 열확산도 는 TPS 내의 온도 분포를 정확하게 모델링하고 열역학적 동작을 예측하며 국부적인 핫스팟을 피하는 데 필요합니다.
이 프로그램은 최종적으로 충분히 높은 열 부하 용량, 낮은 박리 경향, 우수한 재사용성을 갖춘 몇 가지 MMC 기반 변형을 확인했습니다. 이러한 시스템은 구조 지지 금속의 장점과 제어된 열전도를 결합하여 준궤도 또는 궤도 우주선에서 반복적으로 사용하기에 이상적이었습니다. 드림 체이서의 TPS 시스템이나 스타십 프로젝트의 열 차폐용 금속 표면 패널과 같은 이후 개념도 이 소재와 테스트 철학에 기반했습니다.
결론 및 전망 재사용 가능한 우주 소재 개발의 열쇠, LFA
재사용 가능한 열 보호 시스템(TPS)의 개발은 현대 항공우주 기술의 핵심 과제입니다. 특히 금속 매트릭스 강화 복합재(MMC)는 높은 열역학적 복원력과 구조적 통합성을 모두 갖춘 소재에 초점을 맞추고 있습니다. 금속 매트릭스와 세라믹 보강재로 구성된 하이브리드 구조를 통해 광범위한 범위에서 열 전도성, 강도 및 내열성을 목표한 대로 조화시킬 수 있습니다. 그러나 적합한 MMC 시스템의 선택은 특히 현실적인 고온 조건에서 열물리학적 특성의 신뢰할 수 있는 특성 분석에 따라 결정됩니다.
레이저 플래시 분석(LFA) 은 이러한 맥락에서 필수 불가결한 방법으로 자리 잡았습니다. 넓은 온도 범위에서 열 확산도를 정밀하게 측정할 수 있을 뿐만 아니라 이방성 또는 복잡한 구조의 물질을 분석할 수 있는 가능성을 제공합니다. 방향에 따른 열전도도 거동을 감지하는 LFA의 능력은 특히 최신의 눈금형 또는 적층 제조 MMC에서 매우 중요합니다.
특별한 잠재력은 다음과 같은 조합에서 발생합니다. 정밀한 열 분석과 수치 시뮬레이션LFA 측정값은 실제 작동 조건에서 온도장, 열 응력 및 구조 거동을 예측하기 위해 유한 요소 모델로 직접 전송할 수 있습니다. 또한 이 방법은 스타쉽, 드림 체이서 또는 스페이스 라이더와 같은 우주 시스템의 주기적 사용이 증가함에 따라 점점 더 중요해지고 있는 재사용 가능한 TPS 구성 요소의 품질 모니터링 및 노화 분석에도 적합합니다.
앞으로의 발전으로 LFA의 역할이 더욱 확대될 수 있습니다. 이는 다음과 같은 가능성을 열어줍니다. 인라인 특성화 예를 들어 설치 공간에서 광 펄스 생성 및 IR 감지 기능을 갖춘 소형화된 LFA 시스템을 통해 산업 공정에서 적층 제조된 MMC를 사용할 수 있습니다. 다음과 결합 열 중량 측정(TGA), 팽창도계(DIL) 및 차동 주사 열량계(DSC )를 사용하여 열전도율과 밀도 값을 동시에 측정하면 열전도율을 더 정확하게 도출할 수 있습니다.
디지털 트윈 또는 AI 지원 재료 모델 사용과 같은 디지털 재료 개발의 맥락에서 LFA 데이터는 데이터 기반 미래 TPS 재료의 선택 및 최적화를 위한 필수 기반이 됩니다. 따라서 이 방법은 기존 설계의 실험적 검증에 기여할 뿐만 아니라 가상 공간에서 새로운 소재 컨셉을 목표로 개발할 수 있습니다.
따라서 MMC와 같은 혁신적인 소재, LFA를 통한 정밀한 특성 분석 및 지능형 시뮬레이션 설계의 결합은 재사용 가능한 우주 시스템 개발의 지속 가능한 발전을 약속하며, 미래 임무의 성능, 비용 및 안전에 직접적인 이점을 제공합니다.
출처 목록
올루세이 P. 올라디조 외. (2021). 금속 매트릭스 복합재의 고온 특성. In: 재료 백과사전: 복합재. 엘스비어. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819724-0.00096-3
NASA 열 보호 재료 지점. (2023). TPS 재료의 테스트 및 제작 : 레이저 플래시 분석 (LFA) 사용. NASA 웹 사이트. https://www.nasa.gov/thermal-protection-materials-branch-testing-and-fabrication/?utm_source=chatgpt.com
