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경화온도와 자긴 압력이 Type 3 극저온 추진제 탱크에 미치는 영향 연구
Effect of Curing Temperature and Autofrettage Pressure on a Type 3 Cryogenic Propellant Tank

강상국   (한국과학기술원 기계공학과 항공우주공학전공UU0001375  ); 김명곤   (한국과학기술원 기계공학과 항공우주공학전공UU0001375  ); 공철원   (한국항공우주연구원 우주발사체 사업단 구조 그룹CC0186835  ); 김천곤   (한국과학기술원 기계공학과 항공우주공학전공UU0001375  );
  • 초록

    본 연구에서는 열탄성 해석과 복합재/알루미늄 링시편 실험을 통해 성형 온도와 자긴 압력이 복합재와 알루미늄 라이너로 구성된 Type 3 극저온 추진제 탱크에 미치는 영향을 살펴보았다. 우선 Type 3 탱크의 온도분포를 구한 뒤 이를 경계조건으로 사용하여 성형온도와 자긴 압력의 영향을 고려한 탄성해석을 수행하였다. 그 결과 복합재의 성형온도가 증가할수록 복합재와 알루미늄 라이너에 각각 잔류압축응력과 잔류인장응력이 증가하였다. 한편 자긴 압력은 극저온 환경에 의해 유발된 잔류열응력의 감소를 초래하였으며 자긴 압력의 크기가 증가할수록 이러한 경향은 두드러졌다. 이러한 성형 온도와 자긴 압력의 영향은 Type 3 극저온 추진제 탱크의 설계 및 제작 단계에 반드시 고려되어야 한다.


    In this study, effects of curing temperature and autofrettage pressure on a Type 3 cryogenic propellant tank, which is composed of composite hoop/helical layers and a metal liner, were investigated by thermo elastic analysis and composite/aluminum ring specimen tests. Temperature field of a Type 3 tank was obtained from solving the heat transfer problem and, in turn, was used as nodal temperature boundary conditions during the elastic analyses for curing temperature and autofrettage pressure effects. As a result, it was shown that the higher curing temperature was, the more residual compressive stress and tensile stress were induced in composites and metal liner, respectively. On the contrary, autofrettage pressure brought the reduction of these residual thermal stresses caused by cryogenic environments to the tank structure. This tradeoff for curing temperature and autofrettage pressure must be considered in the design and manufacturing stages for a Type 3 cryogenic tank.


  • 주제어

    성형온도 .   자긴 압력 .   극저온 .   타입 3 탱크 .   열탄성 해석.  

  • 참고문헌 (13)

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    3. T. Shimoda, Y. Morino, T. Ishikawa, T. Morimoto, S. Cantoni, 'Study of CFRP Application to Cryogenic Fuel Tank for RLV,' Proceeding of the Japan International SAMPE Symposium, Vol. 7, pp. 275-278, 2001 
    4. 강상국, 김명곤, 김천곤, 공철원, '복합재-알루미늄 양면겹치기 조인트를 이용한 접착제의 극저온 물성 평가,' 제6회 우주발사체기술 심포지움, pp. 31-37, 2005 
    5. 김명곤, 강상국, 김천곤, 공철원, '복합재/알루미늄 링 시편의 극저온 인장특성 평가' 제7회 우주발사체기술 심포지움, pp. 152-158, 2006 
    6. 윤성호, 김천곤, 조원만, '필라멘트 와인딩된 링시편을 이용한 인장특성 평가,' 대한기계학회지, 제19권, 제6호, pp 3-12. 1995 
    7. A. Pasquier, V. Peypoudat, Y. Prel, 'Liquid Hydrogen Composite Tank for Two Stages To Orbit Reusable Launch Vehicle,' 23rd International Symposium on Space Technology and Science, 2002 
    8. K. S. Whitley, T. S. Gates, 'Thermal/mechanical Response and Damage Growth in Polymeric Composites at Cryogenic Temperatures,' Structures, structural dynamics, and materials conference; 10th AIAA/ ASME/ ASCE/ AHS adaptive structures forum, 4th AIAA non-deterministic approaches forum, 3rd AlAA gossamer spacecraft forum, 2002 
    9. R. Heydenreich, 'Cryotanks in Future Vehicles,' Cryogenics, Vol. 38, pp. 125-130, 1998 
    10. 김명곤, 강상국, 김철웅, 김천곤, 공철원, '극저온 환경에서 탄소섬유강화 복합재료의 수지조성변화에 따른 인장물성 측정' 제5회 우주발사체가술 심포지움, pp. 318-323, 2004 
    11. ABAQUS/Standard User's Manual, Hibbitt, Karlsson & Sorensen. Inc 
    12. F. P. Incropera, D. P. DeWitt, Fundamentals of Heat and Mass Transfer, John Wiley & Sons, 1996 
    13. S. S. Tompkins, 'Thermal Expansion of Selected GraphiteReinforced Polymide-, Epoxy-, and Glass-Matrix Composites,' International Journal of Thermophysics, Vol. 8, No. 1, pp.119-132, 1987 

 저자의 다른 논문

  • 강상국 (4)

    1. 2003 "광섬유센서를 이용한 우주환경하에서 복합재료 적층시편의 노화에 따른 열팽창계수변화 측정" 韓國航空宇宙學會誌 = Journal of the Korean society for aeronautical & space sciences 31 (10): 21~26    
    2. 2004 "극저온 환경에서 탄소섬유강화 복합재의 인장 물성에 관한 연구" 복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials 17 (6): 52~57    
    3. 2006 "복합재/알루미늄 링 시편의 극저온 특성 평가" 韓國航空宇宙學會誌 = Journal of the Korean society for aeronautical & space sciences 34 (9): 25~32    
    4. 2006 "복합재-알루미늄 양면겹치기 조인트를 이용한 접착제의 극저온 물성 평가" 복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials 19 (4): 23~30    
  • 김명곤 (4)

  • 공철원 (5)

  • 김천곤 (72)

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