궤도 관광 모듈의 도킹 중 발생한 치명적인 압력 누출로 여러 민간인의 생명이 위험에 처했습니다. 이 사고는 해치의 실리콘 씰에서 발생한 탄성 변형으로 인한 것으로, 태양에 노출된 면(섭씨 120도)과 깊은 그림자 영역(섭씨 -150도) 사이의 극심한 열 구배에 의해 촉발되었습니다. 이 기사에서는 컴퓨터 지원 엔지니어링 도구와 광학 계측법을 사용하여 고장을 모델링, 시뮬레이션 및 검증하는 데 사용된 기술 작업 흐름을 분석합니다.
Catia 모델링 및 Star-CCM+ 다물리 시뮬레이션 🛰️
첫 번째 단계는 Catia V5에서 실리콘 O-링과 그 하우징을 재구성하고 비선형 접촉이 있는 유한 요소 메쉬를 정의하는 것이었습니다. 그런 다음 모델을 Siemens Star-CCM+로 내보내 복사 및 전도에 의한 열 전달 시뮬레이션을 구조 해석과 결합했습니다. 외부 표면에 표면 온도 경계 조건이 적용되어 씰의 양 끝 사이에 270켈빈의 열 델타가 기록되었습니다. 결과는 차등 팽창으로 인해 조인트 단면에 0.8밀리미터의 탄성 변형이 발생하여 누출 미세 채널을 생성하기에 충분함을 보여주었습니다. 응력-변형률 그래프는 재료가 영률의 상한선에서 작동하지만 소성 항복에는 도달하지 않았지만 기밀 접촉 손실이 발생했음을 보여주었습니다.
계측 검증 및 궤도 설계를 위한 교훈 🔬
모델을 검증하기 위해 GOM Control X 청색광 스캐너를 사용하여 실험실에서 가속 열 사이클을 거친 씰을 스캔했습니다. 획득한 포인트 클라우드를 Star-CCM+에서 예측한 변형 형상과 비교한 결과 평균 편차가 12마이크론에 불과했습니다. 이 일치는 순환 열 피로가 고장의 주요 메커니즘임을 확인시켜 주었습니다. 설계 권장 사항으로 조인트 하우징에 다층 단열재를 통합하고 열팽창 계수를 줄이기 위해 세라믹 충전재가 포함된 실리콘 복합재로 전환하여 향후 유인 임무에서 기밀성을 보장할 것을 제안합니다.
결합된 열-기계적 피로를 사용한 유한 요소 해석을 통해 궤도 열 사이클을 받는 엘라스토머 씰의 초기 균열 위치를 정확하게 예측하는 것이 가능합니까, 아니면 접촉의 기하학적 복잡성으로 인해 사전 물리적 테스트 없이는 정확한 시뮬레이션이 불가능합니까?
(추신: 재료 피로는 10시간 시뮬레이션 후의 당신의 상태와 같습니다.)