재사용 발사체용 실리카 기반 유연 표면 단열재의 열적 물성 및 열 보호 성능 평가 = Experimental and Numerical Evaluation of Thermal Properties and Thermal Protection Performance of Silica-Based Flexible External Insulation for Reusable Launch Vehicles

국문 초록 (Abstract)

재사용 발사체의 재진입 환경에서 높은 공력 가열로부터 발사체를 보호하기 위해서는 안정적 열 보호 구조(Thermal Protection System, TPS)가 필수적으로 요구된다. 기존에 사용했던 금속 TPS는 구조적 안정성을 제공하지만 공기역학적 설계가 필수적인 재진입 발사체의 곡면에 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 본 연구에서는 열 보호 성능을 유지하면서 곡면 구조에 대한 설계 효율성을 확보하기 위해 유연 표면 단열재(Flexible External Insulation, FEI)에 대한 연구를 진행하였다. FEI를 적용하기 위해서는 열적 물성 데이터베이스 구축과 열 보호 성능에 따른 검증이 필요하다. 본 연구는 실리카 기반의 유연 표면 단열재(FEI-650)에 대해 열전도도 계측, 패널 열 보호 성능 평가, 유한요소해석을 통한 전반적인 열전달 메커니즘을 규명하고자 하였다. 우선 ASTM E1225와 ASTM C177-19을 기반으로 한 Comparative axial cut-bar method를 활용해 단열재의 전체 열 저항을 산출하고, two-thickness method를 사용하여 접촉 열 저항(Thermal Contact Resistance, TCR)을 분리한 시편 고유의 유효 열전도도를 도출하였다.
계측된 유효 열전도도 결과를 검증하기위해 Micro-CT와 SEM 분석 기반 단열재 내부 섬유 구조를 참고하여 Python을 활용한 ABAQUS/CAE script를 기반으로 대표 체적요소(Representative Volume Element, RVE) 모델을 구축하였다. 실리카 펠트 단열재의 대표성을 가지는 미세구조 모델에 대해서 하중에 따른 열전도도 변화를 해석적으로 관찰한 후 열전도도 계측시험과 비교 분석하였다. 본 연구에서 사용된 RVE 모델은 공기 matrix로 구성되어 이를 포함한 압축 해석이 이론적으로 불가하다. 이에 섬유 모델만을 사용한 압축해석 및 공기영역을 포함한 정상상태 열전달 해석방법과 절차를 제안하였으며, 섬유 간 접촉 증가가 유효 열전도도 상승으로 이어지는 미시적 거동을 규명하고 실험과 비교분석 하였다.
검증된 물성을 바탕으로 유연 표면 단열재의 실제 적용을 고려하기 위하여 FEI 패널 시편을 제작하고, 열 보호 성능을 정량적으로 계측함으로써 온도 조건 및 시편 형상 변화에 따른 열 차폐 특성을 분석하고, 이를 해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 이를 위하여 FEI 패널을 450℃와 650℃ 고온 환경에 대한 열 보호 성능 계측실험을 수행하여 관측면의 중심점 온도와 평균온도를 도출하였다. 이를 기반으로 FEI 패널의 열 보호 성능을 정량적으로 평가하고자 열 차폐 지수(Heat Shielding Index, HSI)를 산출하고, 동일 조건을 반영한 열전달 유한요소해석을 통해 패널 단위 열적 거동을 검증하였다. 추가적으로 초기에 제작한 유연 표면 단열재의 단점을 재봉 강도와 크기를 조절하여 보완하고 25mm, 50mm, 100mm의 유닛 크기를 갖는 세 종류의 패널 시편을 제작하여 열 보호 성능을 평가하였으며, 패널의 재사용성을 확인하기 위해 하나의 패널을 10회 반복 가열하여 관측면의 평균온도가 감소하지 않는 것을 관측하였고 유연 표면 단열재의 재사용성을 검증하였다.
본 연구 결과는 유연 표면 단열재의 재사용 발사체 적용 가능성을 열적 물성, 미세구조 해석, 패널 단위 열 보호 성능 측면에서 정량적으로 입증한 것으로, 향후 고온 재진입 환경을 고려한 유연 열 보호 구조 설계에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

To protect reusable launch vehicles from severe aerodynamic heating during atmospheric reentry, a reliable thermal protection system (TPS) is essential. In this study, the thermal behavior of a silica-based flexible external insulation (FEI-650) was systematically investigated through thermal conductivity measurements, microstructure-based representative volume element (RVE) analysis, and FEI panel heat shielding performance measurement experiments. The effective thermal conductivity was obtained using the comparative axial cut-bar method based on ASTM E1225 and ASTM C177-19, and the intrinsic thermal properties were derived by separating the thermal contact resistance using the two-thickness method.
An RVE model was constructed based on Micro-CT and SEM analyses using Python-based ABAQUS/CAE scripts to investigate the load-dependent variation of thermal conductivity under the same conditions as the experiments. Based on the validated thermal properties, FEI panel specimens were fabricated and tested at high temperatures of 450℃ and 650℃. The thermal protection performance was quantitatively evaluated using the heat shielding index, and the experimental results were verified by finite element heat transfer analysis. Three panel unit sizes (25mm, 50mm, and 100mm) were investigated, and cyclic heating tests confirmed the reusability of the FEI panels.
The results demonstrate the applicability of FEI to reusable launch vehicles and provide fundamental data for the design and performance evaluation of flexible thermal protection structures under high-temperature reentry environments.

목차 (Table of Contents)

• 표목차 ⅲ
• 그림목차 ⅳ
• 국문초록 ⅶ
• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 1
• 제2절 연구목적 4
• 제2장 연구방법 6
• 제1절 시편 설계 및 제작 6
• 1. 유연 표면 단열재의 소재 선정 6
• 2. 유연 표면 단열재의 두께 선정 7
• 3. 유연 표면 단열재의 기공률 및 밀도 측정 11
• 4. 유연 표면 단열재의 내부구조 관찰 13
• 제2절 유연 표면 단열재의 열전도도 계측 14
• 1. 유연 표면 단열재 열전도도 계측 시험 시편 14
• 2. 시험 장치 구성 15
• 3. 이론적 배경 19
• 제3절 대표 체적요소 모델을 통한 열전도도 측정모델 개발 24
• 1. 대표 체적요소 모델링 24
• 2. 해석방법 및 경계조건 27
• 제4절 유연 표면 단열재 패널 열 보호 성능 계측 31
• 1. 유연 표면 단열재 패널 시편 31
• 2. 실험 장치 구성 34
• 3. 실험 방법 36
• 제3장 결과 및 분석 37
• 제1절 실험 결과 37
• 1. 유연 표면 단열재 열전도도 계측 시험 결과 37
• 2. 유연 표면 단열재 패널 열 보호 성능 계측 시험 결과 39
• 제2절 유한요소해석 결과 43
• 1. 유연 표면 단열재 열전도도 계측 시험 결과 43
• 2. 대표체적 요소 모델링을 이용한 열전도도 계측 결과 46
• 3. 유연 표면 단열재 패널 열 보호 성능 계측 시험 결과 50
• 제4장 결론 55
• 참고문헌 57
• 부록 63
• ABSTRACT 76