지구 궤도에는 수많은 우주파편이 존재하며 날이 갈수록 개체수가 증가하고 있다. 이들은 초고속으로 궤도를 선회하고 있어 위성체와 충돌할 경우 심각한 손상을 입힐 수 있다. 실제로 이러한 사건이 발생하여 위성체가 임무를 중단한 사례가 있다. 이러한 위협을 벗어나기 위해 위성체를 보호하기 위한 방호 구조물을 사용하는 방법이 있다. 이 방법은 크기가 작아 추적이 어려운 우주파편에 대해 위성체를 보호하고자 하는 목적이다. 방호 구조물의 방탄 성능을 파악하는데 있어서 실험은 공간적 제약이 있으며 막대한 비용과 시간이 들기 때문에 수치해석이 요구된다.
운동에너지로 전차를 효과적으로 파괴하기 위해 길이 대 직경 비가 10∼20정도로 길며, 특수 합금이나 텅스텐 합금으로 된 고밀도 탄을 고속으로 발사한다. 이러한 고밀도 운동에너지탄이 전차에 명중되면 전차에 강한 충격을 주고 고속으로 침투하게 되어 내부 승무원이 살상되고, 전차가 파괴되고 말 것이다. 이에 대비하여 방호 구조물이 개발되고 있다. 방호 구조물의 방호 성능도 중요하지만 전차의 기동성을 위해 무게를 고려하지 않을 수 없다. 이를 만족시킬 수 있는 대표적인 재료들 중에는 세라믹이 있다. 세라믹은 가벼우면서도 압축강도가 좋다는 것이 특징이다. 이를 잘 활용하는 방법은 세라믹을 금속 내부에 삽입시키는 것이다.
본 연구에서는 우주 및 군수 분야에서 생존성을 위해 사용되는 Stuffed Whipple Shield에 대한 초고속 충돌(Hypervelocity Impact, HVI)해석과 세라믹 타일이 삽입된 금속판재에 대한 고속 충돌해석을 수행하였다. 우주파편이 초고속(3km/s 이상)으로 움직이기 때문에 대변형 해석에 적합한 입자완화 유체동역학(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH) 수치기법을 이용해 Stuffed Whipple Shield에 대한 초고속 충돌해석을 수행하였다. Stuffed Whipple Shield는 기존 2개의 알루미늄 판으로 된 Whipple Shield구조물 사이에 세라믹의 성질을 가지는 넥스텔과 복합재료인 케블라로 구성된 하나의 층이 추가된 구조물이다. 이전에 Whipple Shield에 대한 검증이 완료되었기 때문에 본 연구를 수행하려면 알루미늄 모델링을 제외한 넥스텔과 케블라 모델링이 요구된다. 넥스텔은 Porous 상태방정식, 케블라는 Polynomial 상태방정식과 Orthotropic 구성방정식(탄성 및 소성영역, 파괴모델 제외)을 적용하여 프로그램으로 구현하였다. 수치해석 검증을 위해 방탄한계곡선(Ballistic Limit Curve, BLC)을 획득하여 NASA의 경험식을 통해 그린 곡선과 비교하였다. 전차를 파괴할 때 사용하는 고밀도 운동에너지탄이 1∼1.5km/s의 고속으로 세라믹 타일이 삽입된 금속판재에 충돌시키는 수치해석을 유한요소법(FEM)을 이용해 수행하였다. 이를 하기에 앞서 연성과 취성재료에 대한 충돌 수치기법을 정립하기 위해 두 가지 반무한판 모델에 대하여 침투 깊이를 예측하고 문헌에 있는 실험값과 비교하는 검증 절차를 수행하였다. 검증이 완료된 후 앞서 언급한 판에 대해서 세라믹 타일의 두께와 삽입 위치를 다르게 하여 고속 충돌해석을 수행하였다. 여기서 금속판재의 두께는 고밀도 운동에너지탄이 타겟을 관통할 수 있을만한 두께로 정하고 고정시켰다. 세라믹 타일의 위치에 따라 구조물의 방호 성능(ballistic performance)이 어떠한 경향을 보이는지 알아보고 어느 부분에서 좋은 방호 성능을 나타내는지 판단하였다. 그리고 단순 금속판재 대비 세라믹 타일을 사용하는 경우의 질량 효율(mass efficiency)이 어떻게 되는지 확인해보았다.

In earth orbit, there are a great number of orbital debris which are increasing naturally every year. Since they move in extremely high velocity, it is possible to give a critical damage to the structure of satellites with impact. In order to escape these threats, there is way to use the protective structure to protect satellite. This is the purpose to reduce the damage on orbital debris of small size. According to identifying the ballistic performance of the space protective structure, the numerical analysis is required because of the disadvantage of the experiment(space constraint, enormous cost and time).
In order to effectively destroy military tanks using the kinetic energy of the penetrator, the penetrator which has length to diameter ratio of about 10∼20(long-rod), and high density such as special alloys, tungsten alloy is launched at high speed. If the penetrator hits the tank, it gives a strong impact on the tank and penetrate into the tank, crew members are killed and the tank is destroyed. In preparation for these threats, using the protective structure is required. When the structure is designed, we consider not only the ballistic performance of the structure but also the weight of the structure. There is ceramic which satisfies these conditions. Ceramic materials have the characteristic of low density and high compressive strength. The best way is to have the ceramic material confined by steel.
In this study, two numerical simulations of hypervelocity impact(HVI) onto stuffed whipple shield and high velocity impact onto ceramic tile inserted metallic plate are performed. HVI simulation is performed using in-house SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) code. We focused on the Stuffed Whipple Shield which has an intermediate shield composed of Nextel and Kevlar-epoxy between two metal shields(that so-called Whipple Shield). To do this, advanced material modeling have to be implemented into the code. In order to verify the numerical simulation a predicted BLC(Ballistic Limit Curve) is compared with a graph obtained from an empirical formula. Using the commercial program(LS-DYNA), Finite Element Method(FEM), the penetration of the long-rod penetrator which is used to destroy the tank at a nominal impact velocity of 1.5km/s into a plate composed of 4340-steel plate and each of the two kinds of confined ceramic(AD-90, B4C) tile. Prior to doing this, two validations concerning DOP(depth of penetration) have to be carried out in order to establish a impact numerical method. And then, the previously mentioned impact simulation is performed by varying the position of confined ceramic tile at three types of the thickness of ceramic tile. Based on this simulation, the trend of the ballistic performance of the structure is discovered. And mass efficiency is identified in order to know whether the ceramic tile inserted into the metallic plate has meaning. Finally, the evaluation of the optimum protective structure is conducted.