니들 펀칭 C/SiC 복합재료의 재진입 환경 모사 시험 및 내열 특성 분석 = Re-entry Environment Test and Thermal Characteristics Analysis of Needle Punching C/SiC Composites

국문 초록 (Abstract)

임무 수행 후 대기권을 통해 극초음속으로 재진입하는 재사용 우주비행기의 안전성과 재사용성을 확보하기 위해 열보호 시스템의 적용은 필수적이다. 본 연구에서는 NP-C/SiC(Needle Punching-Carbon/Silicon Carbide) 세라믹 복합재료의 내열성을 평가하고, 열보호 시스템으로서의 적용 가능성을 확인하고자 하였다. 이를 위해 0.4 MW 아크 가열 풍동(Arc-heated Wind Tunnel, AWT)을 활용하여 재진입 환경을 모사한 시험을 수행하였으며, 시편의 질량 손실, 고온 저항성, 그리고 온도 변화와 같은 내열 특성을 종합적으로 분석하였다. 시험 결과, 질량 손실은 1~1.5%로 나타났으며, 시편의 표면 온도는 최대 1,894℃까지 상승하였다. 특히, 내열 특성 및 열보호 시스템의 안전성과 재사용성에 큰 영향을 미치는 기공도 분석을 수행하여, 시험 전후 시편 내부의 상태 변화를 평가하였다. 분석 결과, 시험 환경에 따라 시편 표면 근처의기공도가 최대 8.67% 증가하는 경향을 확인하였으며, 이는 열보호 재료의 성능에 중요한 영향을 미칠 수있는 요소로 판단된다. 본 연구를 통해 확보한 데이터는 재사용 우주비행기의 열보호 시스템 개발을 위한세라믹 복합재료의 내열 특성을 평가하는 중요한 자료로 활용될 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The application of thermal protection systems(TPS) is essential to ensure the safety and reusability of reusable space vehicles, which re-enter the atmosphere at hypersonic speeds after completing missions.
This study focuses on evaluating the thermal resistance of NP-C/SiC(Needle Punching-Carbon/Silicon Carbide) ceramic composites to assess their applicability as TPS for reusable space vehicles. Re-entry environment tests were conducted using a 0.4 MW Arc-heated Wind Tunnel(AWT), where the mass loss, high-temperature resistance, and thermal behavior of the specimens were comprehensively analyzed. The results showed a mass loss of 1–1.5% and a maximum surface temperature of 1894°C.
Additionally, a detailed porosity analysis was performed using Micro-CT to evaluate the internal conditions of the specimens before and after testing, as porosity is a critical factor influencing the thermal protection performance and reusability of TPS. The porosity increased by up to 8.67% near the surface of the specimens, indicating the impact of the test conditions. The data obtained from this study provide essential insights into the thermal characteristics of ceramic composite materials, contributing to the development of effective thermal protection systems for reusable space vehicles.