화공품의 동작 원리

1) 분리 볼트

2개의 금속 물체를 결합하는 가장 단순한 방법은 ‘볼트’와 ‘너트’를 사용하는 것으로, 그 결합을 해제하고 분리할 때 볼트를 절단하거나 너트를 해제한다. 크게 나누어 3종류의 분리 볼트가 있다.

① 볼트 안에 내장된 화약을 폭발시키는 폭발 볼트

② 노치 플랜지 브래킷 볼트

③ 볼트 커터 방식 분리 볼트

분리 볼트는 구조가 단순하다는 이점이 있지만, 대형 구조물의 분리에 사용하는 경우는 적다. 특히 폭발 볼트가 대형이라면 화약량이 증가하고, 분리할 때에 충격이 커지면서 비산하는 파편의 양도 많아지기 때문이다.

2) 분리 너트

처음에 볼트와 3개나 4개로 나눠진 너트로 결합하고, 너트의 바깥쪽은 홀더(holder)로 구속한다. 화약이 작동하면 바깥쪽의 구속 너트가 잘려서 결합이 해제된다. 그다음 피스톤이 볼트를 밀어내면서 2개의 물체가 분리된다. 분리 너트를 이용한 분리는 절단이 아닌 결합 해제이므로 큰 결합력을 확보할 수 있고, 분리할 때의 충격이 작다는 장점이 있다. 그래서 분리 너트는 로켓 기체뿐만 아니라 위성 분리에도 자주 사용한다.

 

분리 너트의 작동 원리

3) V형 성형폭파선

대형 로켓은 분리 장치도 대형이므로 경량화를 목적으로 분리 부분을 직접 절단, 분리하는 V형 성형폭파선(Linear Shaped Charge: LSC)을 이용한다. 이것은 단면 형상이 V자형의 화공품이 작동하면 폭굉 에너지가 한쪽으로 집중하는 먼로·노이만 효과(Munroe·Neumann effect)를 응용한 것이다. 기폭으로 금속 피복이 폭파되면서 고압가스와 함께 금속 미립자가 V자형 중심선의 바로 밑에 있는 금속 파면의 절단선에 집중하고 충돌함으로써 금속판을 자른다. 절단은 매우 짧은 시간에 용단과 균열 파단의 2단계로 진행된다.

 

LSC는 작동할 때 분리 너트보다 충격이 크고, 파편이 발생하므로 부착 장소를 제대로 선택하고, 파편 대책을 고려할 필요가 있다. 하지만 경량이면서, 정확하고, 신뢰성이 높아서 많이 사용한다. 로켓의 이상 비행이 확인되었을 때 비행 안전을 위해 로켓 기체를 파괴할 때도 이용한다.

 

V형 성형폭파선 (먼로 · 노이만 효과에 의한 금속 구조 부재의 절단 원리)

 

[우주로켓] 로켓과 발사대의 분리