인공위성용 추력기는 위성의 자세제어 및 궤도조정용 소형 액체추진기관으로서 개발기술은 인공위성 그 자체는 물론 위성 발사체와 유도 미사일의 추진기관에 이르기까지 다양하게 확장 적용할 수 있는 핵심 기반기술이다. 때문에 선진국으로부터의 기술 이전을 기대하기 힘든 품목으로, 자체 개발을 통해 위성이나 유도무기에 장착 운용시험을 하기에도 막대한 비용 때문에 회피되고 있는 실정이다. (주)한화는 정부에서 국책과제로 추진하고 있는 KOMPSAT 위성 개발사업에 참여하여 소형 액체 추진기관인 단일 추진제 추력기의 개발을 추진하였다 1994년 11월 사업착수 이래 미국 TRW사로부터 추력기 설계, 해석 및 제작 기술을 이전 받았으며, 추력기 제작/시험 시설을 완공하여 TRW사의 제품 품질 요구조건(product assurance requirements)에 의거 제작에 착수하였다. 현재 총 8세트의 이중 추력기 모듈(dual thruster module)을 제작 납품하였으며 또한 추력기 자체의 핵심 부품을 원부자재 가공으로부터 제작하고 이의 인증 시험을 성공적으로 완료하였다. 현재 국산화 추력기를 KOMPSAT 위성에 장착하기 위한 이중 추력기 모듈 제작이 진행 중에 있다.

미사일 수직발사 시스템은 공간을 작게 차지하고 간편하여 각국이 선호하고 있다. 그러나 수직발사 초기에는 매우 낮은 속도로 상승하므로 Fin의 공력이 발생하지 않기 때문에 추력방향을 직접제어하지 않으면 안된다. 추력방향 제어장치는 Gimbal, Jet Vane, Jet Tab, Secondary Injection 등 여러 방식이 있으나 Jet Vane Type의 추력 방향 제어장치는 응답이 빠르고 경량화가 가능하며 후방 Fin과의 연동 및 작동 후 분리가 가능하다는 장점으로 인해 수직발사 미사일의 초기 방향제어에 주로 사용한다. 이 장치는 Vane이 화염 속에서 직접 구동되므로 고내열성 재료의 기술이 필요하며 미사일의 전체 System에 요구되는 Side Force를 발생시키기 위한 Vane의 최대 받음각 및 회전속도를 결정해야 한다. 따라서 초음속 유동해석을 통해서 Vane의 받음각에 대한 Side Force와 Torque를 계산하며, 구조해석을 통해 Side Force가 가해지는 동안의 Housing의 굽힘, 비틀림 하중 등을 계산하였다. 또한 Controller는 기존의 유압방식보다도 소형이며 복잡하지 않고 가격이 싼 DC Motor와 감속기를 이용하여 빠른 응답성에 부합토록 설계하였다. 본론에서는 성능과 관련된 초기 요구조건에 대한 최적설계의 변수들을 해석하고. 그에 따른 개발사양, 개발 과정, 구조, 시험방법 등에 대해 고찰하고자 한다.

로켓 조종장치는 크게 추력방향 조종(TVC, Thrust Vector Control) 장치, 측면추력조종(Lateral Thrust Control) 장치 그리고 공기역학 조종면으로 분류할 수 있다. 조종장치의 공통된 특징은 모터가 작동하거나 유도탄이 비행할 때만 타의 효과가 발생한다는 점이다. 그러므로 조종장치를 개발하기 위해서는 이상류 초음속 유동이나 삼음속 이상의 자유유동(freestream)을 지상에서 효과적으로 모의할 수 있는 지상 시험장치가 필요하다. 이 시험장치에는 초음속 풍동과 유동 시험장치(cold-flow test stand), 그리고 6분력 트러스트 스텐드가 포함된다. 삼성항공은 우주용 추진기관의 성능을 지상에서 간단한 장치를 구현하여 시험할 수 있는 모의연소 시험장치, 노즐유동에 포함된 고체입자를 직접 수집할 수 있는 고체입자 포집장치 등 각종 시험장치를 제작하였다. 이를 바탕으로 차세대 전술유도탄의 핵심기술가운데 하나인 조종장치와 이를 효과적으로 개발하기 위한 지상 시험장치 확보에 착수하고 있다.

고체추진제에 대한 비선형 점탄성 구성모델이 제시되었다 추진제 손상의 원인으로서 바인더와 AP 충전제사이의 접착분리를 고려하였으며, 점탄성 드웨팅판별식이 개발되었다. 손상에 의한 추진제의 연화는 모듈러스 저하로서 취급되었으며, 모듈러스저하 계산시에 드웨팅에 의하여 야기된 미소진공구의 모듈러스는 유한 상수로서 간주되었다. 바인더와 AP 충전제사이의 접착에너지는 180$^{\circ}$ 접착박리시험으로 측정하였다. 반복하중시의 비선형성은 전단변형률 불변량의 함수로서 고려되었다. 이 구성모델은 여러 하중조건에 대한 시편실험과 비교되어 잘 일치하였으며, 복잡한 미시구조학적 역학기구 없이 간단하게 고체 추진제의 거동을 예측할 수 있게 한다.

연소불안정은 로켓엔진 연소실 내에서의 연소와 유동특성들이 커플링되어 발생한다. 이와 같은 커플링을 통하여 연소로부터 맥동에너지가 공급되며, 되먹임과정 및 소산에 의한 맥동에너지양의 변화에 따라 맥동은 증폭, 유지되거나 소멸된다. 액체추진제 로켓엔진에서 고주파 연소불안정을 특징짓는 이와 같은 맥동발생 매카니즘의 해석은 용이하지 않으며 적절한 모델링을 필요로 한다. 연소불안정의 해석은 연소실 설계에서 고려되어야 할 안정성 여유를 한정하며, 설계된 사양 및 작동조건에서의 안정성 여부를 확인하는 수단으로 사용된다. 연소불안정 해석방법들은 전통적인 음향 n, $\tau$로 대표되는 frequency-domain 방법을 비롯하여, Fourier time expansion, time-domain 방법 등으로 구분되며, 연소실의 단순 및 적극설계과정에 사용된다[1].

산업의 발달과 환경에 대한 관심이 높아짐에 따라 고효율, 저공해인 가스터빈의 응용범위가 넓어지고 있는 추세이다. 가스터빈 기관의 효율을 높이기 위해서는 터빈 입구온도를 높이는 것이 필수적인데 이는 재질에 의해 제한 받게 되고 이 때문에 효과적인 냉각방법의 필요성이 대두되었다 충돌제트는 국소적으로 높은 열/물질 전달 효과를 얻을 수 있어서 터빈 블레이드 냉각과 연소기 벽면 냉각에 효과적으로 응용 될 수 있다. 이러한 충돌제트의 냉각효과는 제트출구의 초기조건에 매우 민감한데 Kelvin-Helmholts 불안정은 불안정한 자유전단층에서 자연적인 와류생성(roll up)과 개개의 와류고리 형성의 원인이 되고 이 고리의 성장과 병합(pairing)은 제트의 유동특성에 상당히 영향을 미친다. 제트주위에 생성되는 이러한 와류에 의해 제트중심에서 속도와 난류강도가 변하게 된다. 이러한 제트초기의 불안정성은 하류에서의 와류성장에 영향을 끼치기 때문에 와류의 조절에 의한 충돌 면에의 열 전달 효과 상승을 기대할 수 있다. 이 조절방법은 크게 두 가지로 나눌 수 있는데 하나는 제트주의 환형관에 이차유동을 가하여 와류를 직접 제어함으로써 자유전단류(free shear layer flow)의 안정성 원리를 이용하여 열 전달을 촉진하는 것이고 다른 하나는 음향여기(acoustic exitation)를 사용하여 제트주위의 와류형성을 조절하는 것인데, 자연적으로 형성되는 와류의 주파수(와류의 고유주파수)나 부조화 주파수(subharmonic)로 음향여기 시키는 경우 제트 주위 와류는 더욱 증폭되고 그렇지 않은 경우 제트주위 와류의 형성이 억제되어 더 긴 제트코어의 길이 및 제트코어 주위에서 작은 크기의 와류들이 형성된다.

고체 추진제를 사용하는 추진 시스템을 개발하는데 가장 커다란 문제로 인식되고 있는 것은 추진제의 연소 특성을 이해하는 일이다. 그 중에서도 연소실의 압력 진동과 추진제 벽면으로 흡수되는 복사 열전달에 의한 연소율(burning rate)의 변화로 인하여 발생하는 연소 불안정에 대한 이해는 아직도 완전히 규명되지 않고 있다. 고체 추진제의 연소 불안정에 대한 이론적 해석은 준-정상 1차원 해석(Quasi-Steady Homogeneous One-Dimension) 방법에 의하여 단순화된 지배방정식을 해석하는 것이 일반적으로 잘 알려져 있는 방법이다. 이 가정은 고체 추진제가 연수되는 영역을 두께가 매우 얇은 영역의 표면반응영역(surface reaction layer)과 화학반응이 없는 응축상태영역(condensed phase zone) 그리고 기체상태의 연료와 화염이 존재하는 기체상태영역(gas phase zone) 등의 3영역으로 구분하며, 기체상태영역에서 발생하는 교란에 대한 응축상태영역의 반응시간 크기(response time scale)가 매우 크기 때문에 응축상태영역의 반응은 준 정상적으로 일어난다고 가정하는 것이다.그러나, 연소실의 온도가 $3000^{\circ}K$ 정도의 높은 온도이어서 복사 열전달에 의한 고체 추진제의 가열이 중요한 열전달 방법으로 작용하게 되므로 이를 무시한 이론적 해석은 물리적인 중요성이 약하여질 수밖에 없다. 본 연구에서는 기체영역으로부터 전달되는 복사 열전달은 투명(transparent)한 표면반응영역을 통과하여 응축상태영역에서 모두 흡수되며 추진제 표면에서의 복사열방출(emission)을 고려하였다. 또한 연소불안정 현상을 해석하기 위하여 표면반응영역에서의 경계조건은 선형교란량으로 대치하는 Zn(Zeldovich-Novozhilov) 방법을 사용하였다. 이 방법은 기체상태영역에 대한 구체적인 해석없이도 연소불안정 현상을 해석할 수 있는 장점이 잇다. 즉 응축상태영역에서의 연소율과 표면온도는 각각 기체영역으로부터 전달되는 온도구배와 연소압력, 그리고 복사 열전달의 함수관계이므로 선형교란에 의한 추진제표면에서의 교란경계조건을 얻을 수 잇으며, 응축영역의 교란지배방정식과 함께 사용하여 압력교란과 복사 열전달의 교란에 대한 연소율의 교란 증감 여부를 판단하여 연소 불안정 현상을 해석할 수 있다.

여러 가지 형태의 연소 불안정성 중에서 50-500Hz 사이에서 발생되며 길이방향 모드(longitudinal mode)로 특징이 있는 저주파수 불안정성이 램제트 혹은 재연소기(Afterburner)의 연소 불안정성에서 가장 중요한 것이라고 여겨진다. 본 논문에서는 램제트 흑은 재연소기에서 일어날 수 있는 길이 방향의 연소 불안정성을 Modal 해석법을 사용하여 수학적인 모델로 만들었다. 특히 이 모델의 선형형태는 어떤 형태든지 선형 속도에 민감한 Burning rate 모델을 사용할 수가 있어서 보다 포괄적인 형태로 만들어져 있으며, 이 모델을 이용하여 여러 가지 연소 형상과 불완전 연소 응답 등을 연구할 수 있다. 본 논문에서는 실제 연소 형상과 유사한 삼각형 모양의 연소 형상을 사용하여 기존의 다른 모델들과 비교 분석하였다.

1980년대 후반 미국 China Lake의 Naval Weapon Center에서 개발된 hexanitrohexa-azaisowurzitane(HNIW;CL-20)은 nitro group의 배향에 따라 $\alpha$, $\beta$,$\gamma$,$\varepsilon$형으로 불리우는 네 가지의 분리가능 한 polymorph가 존재하는 것으로 알려져 있다. 이중에서 $\varepsilon$형은 다른 polymorph보다 더 안정한 상으로서 고체추진제의 산화제로 사용하기에 적당한 구형에 가까운 결정모양을 가지고 있으며 밀도가 가장 크다. 제조된 HNIW 결정 중에는 소량의 $\beta$형을 함유할 수 있으므로 이의 함량을 측정하는 일은 매우 중요한 것이라 할 수 있다. 본 연구에서는 FT-IR을 이용하여 $\beta$형과 $\varepsilon$형을 가장 명확하게 구분할 수 있는 영역을 선택하고 $\varepsilon$함량에 따라 변화하는 흡광도를 plotting하여 검정곡선을 작성한 후 상호 관계를 수식으로 나타내어 HNIW 결정중의 $\varepsilon$형 함량을 결정할 수 있는 방법을 개발하였다.

추진제의 노화 못지 않게 점화제의 노화도 추진 기관 성능에 큰 영향을 미칠 것으로 예측된다. 따라서 10년 이상 경과된 활성 모터에서 점화기를 분해하여 노화에 의한 점화제의 성능 변화를 알아보았다. 분석에 사용한 점화제는 II-D Bi-Convex형상의 B-KNO$_3$ 펠렛으로 열량, 자동 점화온도, 기계적 물성의 변화를 관찰하였고, 밀폐 용기(Closed bomb)에서 연소시험을 통하여 노화에 따른 점화알약의 압력변화를 측정하고 이론 값과 비교하였다. 또한 비활성 모타를 이용한 연소시험으로 점화기의 점화지연시간, 최대 압력, 최대 압력 도달시간 등을 측정하고 이론식과 비교하여 노화에 의한 변화를 관찰하였다.

본 연구는 전방점화 방식(the head-end ignition)을 채택하고 있는 composite 고체 추진기관(구룡 1모타)을 이용하여 후방점화 방식(the after-end ignition)에 의한 점화 가능성을 검토하였으며, 점화 방식 차이에 따른 추진기관의 초기 연소거동의 차이점을 고찰하고자 한 실험 연구로서, 후방 점화장치를 설계·제작하여 지상연소시험을 수행하였다. 점화장치는 착화장치(initiation system)와 에너지 방출장치(energy release system), 구조물(Hardware)로 구성되는데, 착화장치는 기존의 K2 squib를 사용하였고, 에너지 방출장치는 FRP튜브에 MTV pellet 점화제를 사용하였으며, 점화기를 후방에 부착시키는 방법으로는 flexible finger 형태의 locking sleeve를 설계하여 노즐목에 고정하였다.

다련장로켓은 기습적 대량화력의 집중, 기동성, 사거리의 손쉬운 증대가능성의 장점을 가지고 있어 제2차 세계대전에서 처음 등장한 이후 대부분의 국가에서 야전 포병의 기본 무기체계로서 발전되어 왔다. 전세계 40개국 이상에서 사용하고 있는 다련장로켓은 유도방법, 탑재차량, 전자자동제어 분야의 발달로 점차 대구경화하여 사거리가 증대되고 있으며 탄두의 위력도 증대 다양화되고 있다. 현재까지 개발된 다련장로켓 중에서 가장 우수한 무기체계중의 하나로 알려진 MLRS는 미국을 비롯한 세계 13개국에서 채택하고 있으며 우리나라에서도 장비도입을 진행 중에 있다.현재 구룡을 생산하고있는 (주)한화에서는 이 MLRS가 차기 주력제품이 될것으로 판단하여 미제 사거리연장형(ER-MLRS)와 유사한 한국형 대구경 다련장로켓을 거룡이라고 명명하고 '93년부터 기초연구를 진행해 왓다. '94년 7월 첫 지상연소시험을 수행한 이후 현재까지 8기의 지상연소시험을 마쳤고, 지난 9월에는 비행용로켓 2발을 제작 비행 시험을 실시한 바 있다.본 논문에서는 미제 MLRS의 구성,제원,특성을 추진기관 중심으로 알아보고,자체 연구개발중에 있는 거룡 로켓의 추진기관 개발 현황을 지상연소시험을 중심으로 간단히 요약하고 미제와 성능을 비교해 보았다.향후 지속적으로 추진기관의 성능 개량을 추진할 계획으로 있으나 현재까지의 진행결과로 볼 때 추진기관의 개발은 문제가 없고, 대구경 다련장로켓탄 전체도 국내기술로 충분히 개발이 가능한것으로 판단된다.

극초음속 여객기와 군사용 항공기에 대한 수요가 증가함에 따라서 새로운 개념의 다양한 추진기관이 연구가 진행되고 개발되어 왔다. 초음속 항공기의 속도 영역은 마하 10-20 정도가 되는데 이 속도 한계를 극복하기 위하여 초음속 연소 램제트 엔진(SCRamjet; Supersonic Combustion Ramjet)이 제안되었다. 스크램 제트를 개발하기 위해서는 연료와 산화제의 혼합 효율 문제, 화염의 안정화 문제, 벽면의 냉각에 관한 문제 등 몇 가지 기본적인 문제들을 해결해야 한다. Univ of Michigan에서 실험한 연소기를 모델로 본 연구에서는 연료와 공기의 혼합에 관한 수치 연구를 수행하였다. 다원 혼합기체에 관한 축대칭 Navier-Stokes 방정식을 지배 방정식을 이용하였고 비평형 화학반응식을 고려하였다. 공간 차분에는 유한 체적법을 이용하였다. 대류 플럭스 항은 Roe의 Upwind FDS 기법을 사용하여 차분하였고 점성항에는 중심 차분법을 이용하였다. 시간 적분법으로는 근사 자코비안과 LU분할 기법을 이용한 완전 내재적 방법이 쓰였다. 난류 모델로는 Mentor에 의해 제안된 2 방정식 k-$\varepsilon$/k-$\omega$ 혼합모델을 사용하였다. 유동장이 실험에서의 찍은 사진과 유사한 모습의 충격파 간섭을 수치 모사하였고 수소가 확산되는 모습과 함께 노즐 lip 주위의 재순환 영역에 대해서 살펴볼 수 있었다.

미국, 스웨덴, 이스라엘을 비롯 일부 국가에서는 재래식 155mm 곡사포탄에 항력감소장치(일종의 가스발생기)를 부착하여 탄의 비행 중에 형성되는 탄저부 항력(Base Drag)을 감소시켜 사거리를 연장한 무기체계가 실용화되어 있다. 국과연은 155mm HE탄에 적용되는 항력감소장치를 개발하여 약 35% 정도 사거리를 연장한 것으로 보고되고 있다. 당사는 '96년 11월 미제 155mm M864(DPICM)와 동등한 성능을 갖는 항력감소장치 개발에 착수, 발사시험을 통해 미제 M864와 동등한 성능의 항력감소제를 개발하였다. 본 논문에서는 항력감소장치의 사거리 연장 원리와 본 항력감소제 개발내용 및 시험결과를 기술하였다.

휴대용 미사일의 1단과 2단 추진기관은 체결부품에 의하여 연결되어 발사관 내에서 운반되어지며, 발사 시 1단 추진기관이 분리되게 된다. 이때에 분리력은 1단 추진기관의 압력에 의하여 제공되고 체결부품인 4-팁 와셔는 어느 압력 이상을 받으면 추진기관의 1단과 2단을 분리한다. 정적시험을 하여 구한 결과를 해석치 와 비교했으며 실제상황에 유사한 동적 시험을 하여 필요한 안전계수를 구하였다.

고강도 알루미늄 대형 링롤재를 급냉할 때 발생하는 잔류응력을 2차원 및 3차원 유한 요소 해석하였고, 3단계 절단법에 의해 측정된 변형율과 ABAQUS의 요소제거 기능을 이용한 해석 값을 직접 비교하였다. 급냉후 잔류응력 해석결과는 2단과시효 후 측정값과 비슷한 경향을 보였으나 그 절대값의 차이가 크게 나타났다 이는 시편 링의 높이가 작아 실험 값이 부정확하였기 때문이며 링의 높이를 증가시켜 높이방향으로 균일한 응력분포를 갖도록 하면 그 차이가 감소될 것으로 판단된다. 잔류응력을 측정하는 3단계 절단 과정을 모사한 3차원 해석결과와 측정된 변형율을 직접 비교함으로써 실험과 해석의 정확성을 향상시킬 수 있도록 하였다. 이로부터 잔류응력이 존재하는 일반적인 알루미늄 구조물의 기계가공에 의한 변형을 정확히 예측할 수 있는 기반을 마련하였으며 구조해석 시 잔류응력의 영향을 고려할 수 있게 되었다.

인공위성용 추진제 탱크를 개발하기 위해 여러 설계인자를 설정하여 각 인자가 탱크벽면에 미치는 응력분포 영향을 구하고, 또한 최적의 인자 값을 구하기 위해 각 인자의 변화에 따라서 구조해석을 수행하였다. 탱크 지지부 위치와 탱크 벽면 두께 변화에 따른 탱크 벽면에 미치는 응력분포 영향을 고찰하기 위해 1/4 모델을 설정하였고, 연료배출구의 위치변화(경사각돈)에 따른 응력분포는 1/2 모델을 설정하여 해석을 하였다. 탱크에 작용하는 하중은 연료압력에 의해 발생하는 정하중(350 psi)을 가하며 또한, 발사 시 발사체로부터 전달되는 최대동하중(llg)을 고려하였다. 그리고, 탱크가 인공위성에 장착될 때에 발생하는 다양한 장착조건에 대해서 구조해석을 수행하였고, 추진제 배출구 각도가 $0^{\circ}$ 에서 $25^{\circ}C$까지 변화할 때 탱크 벽면에 미치는 응력분포 영향을 구했다. 그래서 각 조건에서 구한 상당응력분포와 인자의 최적 값은 추진제 탱크를 설계하기 위한 기초적인 자료로 활용하고자 한다.

무공해 에너지원은 화석에너지의 고갈과 환경오염의 심각한 문제로 인하여 절실히 요구되고 있는 실정이다. 그중 풍력발전 시스템은 타 에너지원에 비해 여러 가지 측면에서 유리한 점을 가치고 있다. 본 연구에서는 500Kw급 풍력발전 시스템을 개발함에 있어, 적합한 공력 성능 및 구조성능을 가지는 회전날개 설계과정을 수행하였다. 공력설계는 운용지역의 풍황을 고려하여 회전날개의 외형을 결정하였고 이를 바탕으로 공력성능해석이 수행되었으며, 구조설계는 복합재료를 사용하여 쉘-스파 구조를 갖도록 설계하여 굽힘 및 비틀림 그리고 피로수명에 대한 구조해석이 수행되었다. 그 결과 4m/s의 미풍에서도 운용가능하며, 12m/s에서는 정격출력 550Kw를 생산할 수 있는 형상이 설계되었고, 또한 20년 이상의 피로수명이 확보되었으며, 공질 등의 동적인 문제도 발생하지 않음을 확인하였다.

다목적으로 활용할 수 있는 분리축 방식의 터보축 엔진 개발을 위한 정상상태 해석 프로그램의 개발과 함께 동일 형식의 가스터빈엔진 시험장치를 이용한 실험을 통해 프로그램의 해석결과와 비교, 그 타당성을 입증하였다. 실험에 이용된 시험장치는 1단 원심형 압축기, Can형 연소기, 1단 Radial형 압축기 터빈 및 동력터빈으로 구성되어 있으며 출력은 3상 교류발전기를 통해 획득된다. 해석에 사용된 주요 구성품의 성능곡선은 시험장치 제작자로부터 획득된 자료를 이용하였으며, 경우에 따라 시험장치를 이용한 실험을 통하여 보정하였다. 시험장치를 이용한 실험결과를 프로그램 해석결과와 비교한 결과, 시험장치의 운용제한에 의해 실제 자동영역이 제한되기는 했으나, 압력비, 출력 등 주요 변수들에서 10% 미만의 오차를 보였다.

최근 미사일 추진기관 및 기체 구조재로 사용되는 알루미늄 7175 합금의 형상의 변화와 제조공정 변화에 따른 미세조직 변화에 대하여 고찰하였다. 구조체는 사용처에 따라 Flange Type 또는 Ring Type 등으로 형상이 다양하므로 단조 조건과 제품의 위치에 따라 균일한 물성을 획득하기는 매우 어려운 숙제이다. 본 연구에서는 균일한 물성을 얻기 위한 여러 가지 제조 공정의 변화를 모색하였으며, 제조된 단조재의 미세조직을 통하여 물성과의 연관성을 검토하였다. 적용된 공정은 통상의 열간 단조공정, 아 결정립 미세화공정, 재 결정립 미세화 공정 등이며 단조재의 형상과 동일 부품에서도 부위에 따라 변형량이 다르므로 미세조직의 변화가 다르게 나타났다. 아결정립과 재결정립 미세화 공정은 제품의 형상에 따라 내·외부 결정립이 크기가 크게 변화되었다. 이는 내·외부에 재료에 축적되는 에너지의 양과 외적으로 가해지는 기계적 에너지 및 열적 에너지가 다르기 때문이며, 변형량이 큰 부분의 미세 석출물의 크기가 변형량이 적은 부분의 석출물보다 크게 감소됨은 준안정상이 기계적 에너지가 변형열에 의한 열에너지로 변환됨에 따라 상석출에 영향을 미친 것으로 판단된다. 이와 같은 결과는 미세 조직 제어가 알루미늄합금 단조재의 공정설계의 중요한 인자임을 재 확인시켜 주는 것으로 재료의 신뢰성이 필수적으로 요구되는 추진기관의 중요 부품에 적극 고려해야 할 요소라 할 수 있다.

복합재료 부품을 설계할 때 필연적으로 한 부품이 두 가지 역할을 해야 하는 경우, 적용할 소재의 특성이 두 가지 필요조건을 만족하는 경우는 문제없으나 그렇지 않으면 단일 부품을 두 가지 소재로 설계/제조하여야 한다. 이때 계면의 강도를 최대로 할 수 있는 방법중의 하나가 involute construction 공정이며, 이 공정을 적용하는데 필요한 패턴설계와 적층 공정 및 두 소재사이의 계면 위치 등에 관하여 연구하였다. 계면의 형상을 톱니형으로 하기 위하여 패턴 설계는 1부품에 4가지 설계가 필요하고 적층 공정은 적층 치구를 이용하여야 한다. 계면의 위치는 적층 오차, 성형 중 수축 등을 고려하여 설계하여야 원하는 치수로 부품을 제작할 수 있다는 결론을 얻을 수 있었다. 적층 오차와 성형 중 수축에 의한 양을 분석하여 재 설계하였으며 그 결과 원하는 부분에 정확히 계면을 위치하게 할 수 있는 방법을 개발하였다. 2질 일체형 부품을 이러한 방법으로 제작하면 fabric prepreg를 이용하는 어떤 방법 보다도 정확한 부품을 제작할 수 있을 것으로 생각된다.

각광 받는 구조재료인 섬유강화 복합적층재에 대한 기계적 체결 거동은 본질적인 재료의 이방성에 의해서 파단강도가 파단 모우드와 매우 밀접한 관련을 갖는 것으로 알려져 있다. 따라서, 복합적층판 체결부의 정밀 구조 설계에서는 단순화에 따른 오차를 줄이고 정밀해에 의한 설계 및 해석이 요청된다. 특히, 층간응력 성분을 무시할 수 없는 두께를 갖는 복합적층 판의 기계적 체결부 해석이나 실제 구조물의 체결부에서 발생하는 굽힘이나 비틀림과 같은 하중 상태를 묘사하기 위해서도 정밀한 3차원 응력 해석은 필요하다. 하지만, 지금까지 기계적 체결부의 거동에 관한 연구는 층간응력 성분들을 어느정도 무시할 수 있는 얇은 평판에 대한 2차원 응력해석에 주로 국한되어 왔으며, 일부 수행된 체결부에 대한 3차원 응력 해석의 경우 여러 단점을 갖는 3차원 연속체 요소에 의한 유한요소 해석이 수행되었을 뿐이다.본 연구는 층간응력 성분들을 무시할 수 없는 두께를 갖는 복합적층판의 기계적 체결부 해석에 지금까지 사용되어온 3차원 연속체 요소에 의한 유한요소 방법이 갖는 단점들을 개선한 Layerwise 유한요소법을 이용하여 3차원 응력해석을 수행하였다. 특히, 선형상보성원리에 근거한 최적설계 기법을 응용하여, 기계적 체결시 핀과 적층판의 홀 사이에 발생하는 하중 전달 과정을 모사하고, 접촉력에 의한 홀 주위의 복잡하고 국부적인 응력 집중현상을 규명하여본다.

국내에서는 시도되지 않았던 조립식 맨드렐 및 prepreg 제작 방식을 적용하여 filament winding machine으로 압력 용기(STEB)를 제작, 음향 방출 측정 장비 및 strain gage 등을 부착한 수압 시험으로 압력용기의 구조적 건전성 예측 및 파열 압력을 측정하여 성능을 분석하였다. 동일한 winding pattern 및 조건하에 prepreg winding과 wet winding 방식을 적용하여 제작한 압력 용기의 성능을 비교하였고, prepreg winding의 설계 조건, 공정 변화를 통해 제작한 압력 용기의 파열 압력 및 형태를 분석하였다. 이러한 winding 조건들에 따라 제작된 압력용기는 최종적으로 PR(Performance ratio) 값을 산출하고, 이를 통하여 prepreg 제작 방식의 장단점, 제작에 필요한 설계 조건 및 기초 자료 등을 고찰하여 보았다.

우수한 비강성과 비강도를 지닌 복합재료를 이용한 자동차용 추진축(Propeller Shaft)의 사용은 자동차의 구조정량화, 소음/진동 감소, 승차감 향상 측면에서 개선된 효과를 기대할 수 있다. 본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 필라멘트 와인딩(Filament Winding) 공빔을 적용한 복합재료 튜브와 금속재 플랜지 그리고 유니버셜 조인트로 구성된 상용 차의 추진축 개발과정 중 축의 진동특성에 대한 적합한 형상과 물성을 찾기 위해 유한요소법을 적용한 자유진동 해석과 FFT 해석장비를 이용한 진동실험 그리고 축을 운용속도까지 회전시켜 공진(Resonance) 현상 발생 유무를 소음량의 측정으로 판단하는 시험이 수행되었다. 그 결과 요구조건에 적합한 진동특성을 나타내는 추진축의 형상을 결정할 수 있었다.

복합재 연소관의 구조적 건전성 평가 방법을 개발하기 위하여 표준 평가용 시편의 수압 시험 중, 연소관으로부터 방출되는 음향방출(acoustic emission: AE) 신호를 측정 장비를 이용하여 신호 처리함으로써 시편이 파괴되기 전, 대략적인 시편의 파열 위치 및 일정 압력 유지상태에서 hit rate 양상에 의한 건전성 평가 방법을 제시하였다. 데이터의 분석 기법 향상을 위하여 음향방출 데이터를 시간 및 센서별로 분류하는 프로그램을 개발하였다. 수압 시험을 낮은 압력 단계부터 높은 압력 단계까지 일정 압력 유지 상태(load-hold)에서 발생한 hit 수와 1분간 유지한 후 발생되는 hit rate(hit/sec)의 값의 크고 작음이 복합재 압력 용기의 결함수의 증감으로 나타났으며, 이로부터 복합재 압력 용기의 파열 압력과의 상관관계 및 건전성을 예측할 수 있었다. 복합재 압력 용기의 파열 위치는 energy rate(energy/sec) 측정값을 분석하여 예측하였으며, 파열 압력의 30∼50%에서 가능하였다.

장비나 부품이 비행 또는 수송 등 실제상황에서 겪게되는 진동환경에 얼마만큼 견디는지 여부를 확인하고, 예상되는 동적 하중에 의한 성능저하나 오 동작이 일어나지 알는지 확인하기 위해 환경진동시험(environmental vibration test)이 수행된다. 이러한 환경진동시험의 경우에는 대형(대용량)의 진동시험기(shaker 또는 exciter)가 이용되며 진동시험기로부터 에너지를 시험물에 기계적으로 전달시켜줄 수 있는 진동 시험치구(이하, "치구(fixture)")가 필요하게 된다. 따라서 치구의 설계문제가 대두되며, 환경진동시험의 성공여부를 좌우하는데 대단히 중요한 역할을 하게 된다. 치구의 설계시 가장 중요한 점은 시험규격에 정해진 기준스펙트럼(specified reference spectrum)이 치구 위에 설치될 여러 시험물부착점들에 그대로 전달될 수 있는 강체치구(rigid fixture)를 설계하는 것이 가장 이상적이지만 치구의 공진 및 반공진 특성으로 인해 시험물부착점들 마다 스펙트럼이 달라지게 된다. 따라서 시험물은 과대시험(overtest) 또는/그리고 과소시험(undertest)를 겪게된다.최근의 진동시험제어 기법으로서는 다채널시스템을 이용한 여러 시험부착점들에서의 진동레벨의 평균을 제어하는 평균제어기법(average control technique)이 이용되므로서 시험주파수 범위에서 공진진동수(resonance frequency)들은 기준스펙트럼과 동일하게 제어가 가능하나 반공진 진동수(antiresonance frequency)들에서는 반공진 진동수들이 갖는 물리적 특성으로 인해 기준스펙트럼과 동일하게 제어가 이루어지지 않으므로시험규격에 정해진 정확한 진동시험이 수행되지 못하게된다.본 연구에서는 치구의 설계단계에서 치구 위의 여러 시험물 부착점들- 평균제어점(average control points)- 에서의 반공진 진동수들을 고려하여 그 감도를 게산하고, 치구의 구조변경을 수행하여 시험물 부착점들에서의 반공진 진동수를 일치시키므로서 종래의 진동시험제어시 나타나는 반공진진동수에서의 문제점을 제거할 수 있고, 그 결과 시험물 부착점들에서의 스펙트럼이 시험규격에 정해진 스펙트럼대로 진동시험이 수행될 수 있게 하는데 있다.

복합재는 강도가 높고 가볍기 때문에 최근 로켓의 연소관으로 널리 사용되고 있다. 그런데 이 복합재 로켓 연소관은 제조 후 대기 환경에 장기적으로 노출되어 있기 때문에 금속 연소관과는 달리 온도 또는 습도 등의 환경에 대한 영향을 고려해야 한다. 더구나 연소관은 내부에 추진제가 충전되어 있으므로 추진제의 기계적 특성이 습도에 민감함을 생각할 때 강도뿐만 아니라 습기의 투과도 또한 매우 중요한 고려 요소가 된다. 그러나 온/습도 변화에 따른 복합재 자체의 재료 특성 변화에 대한 연구는 많이 보고되었으나 습기의 투과 정도에 관한 연구는 자료가 미흡한 실정이다. 한편, 포화 함수율은 복합재에 따라서 차이가 있으나 T300/5208의 경우 문헌을 참조하면 20-$50^{\circ}C$에서 복합재 무게의 약 1.5% 정도이며 포화에 걸리는 시간은 약 100일 정도로 나타나 있다.본 연구에서는 수분이 복합재를 통하여 투과되는 정도를 고찰하기 위하여 $20^{\circ}C$,95%RH의 온/습도를 유지하는 수조를 제작하였고, 이 수조내에 보관한 복합재 연소관의 실린더 벽면으로 투과되는 습기를 측정하기 위하여 연소관 내에 습도 센서를 투입하여 상대습도를 직접 측정하였다. 복합재 연소관이 로켓에 사용될 때는 연소관 외부에 페인트로 피막 처리하고 연소관 내부에도 추진제와의 사이에 라이너가 접착되어 있어서 수분 침투 및 온도 등의 외부 환경조건에 견디기에 더 양호한 조건이나 본 연구에서는 복합재 자체의 특성을 고찰하기 위하여 섬유를 에폭시에 함침시켜 winding한 상태 그대로의 복합재 연소관 시료를 사용하였다. 습기의 투과는 내부에 라이너/인슐레이션이 피복되거나 또는 추진제가 충전된 경우 많은 감소효과를 보였다. 순수 복합재 연소관의 경우 수조에 넣고 평형에 도달한 후로부터 약 8개월의 습기 투과 상태를 볼대 벽면을 통하여 들어가는 water vapor flux는 $20^{\circ}C$,95%RH 에서 평균적으로 9.3163$\times$$10^{-8}$g/$m^2$sec로 나타났다. 이때 습기가 투과되는 연소관이 국지점을 평판으로 가정하고 Fick's law를 이용하여 구한 습기에 대한 복합재의 확산계수는 D=2.5$\times$$10^{-6}$$mm^2$sec였으며, 이는 다른 graphite/epixy 복합재의 확산계수와 유사한 값을 나타내고 있다. 또한 추진제가 충전된 연소관을 절단하여 밀폐한 후 95%RH 습도 조건에 보관함으로써 연소관 내부의 추진제 기계적 특성에 미치는 침투된 습기의 영향도 함께 고찰하였다. 추진제에 따라 차이는 있겠으나 추진제가 충전된 연소관은 순수 복합재 연소관에 비해 습기의 투과 정도가 작으며, 본 연소관에 충전된 RDX/AP계 추진제의 경우 추진제의 습기투과에 의한 추진제 물성 변화는 미미한 것으로 나타났다.