This paper predicted the ablation properties of materials with the reactive molecular dynamics under LEO and sub-LEO environment, the extreme environment. AO and N2 which are the atmospheric particles under LEO and sub-LEO environment were considered, and evaluated the ablation behavior of kapton and kapton-CNT composite under 3 kinds of particle bombardment (AO, AO+N2, N2) considering the 200 km attitude. The AO and N2 had different ablation mechanism, and N2 also affected on the ablation of materials as much as AO. Additionally, AO and N2 independently maintained their own ablation mechanism under mixed environment. Also, this paper predicted that adding the CNT to kapton can decreased the heating ratio and damage of materials by particles collision, and checked the validity of the ablation properties prediction method under LEO and sub-LEO environment through comparison with the experiment results from NASA.

본 연구에서는 극한 환경인 지구 저궤도/준저궤도 환경에 노출된 열보호 복합재료의 삭마특성을 반응적 분자동역학을 적용한 입자 충돌 전산모사를 통해 예측하였다. 지구 저궤도와 준저궤도에 분포하는 대기 입자 중 원자 산소와 질소 분자를 고려하였으며, 고도 200 km 근방에서의 대기 구성비를 참조하여 총 세가지의 입자 충돌 상황(원자 산소, 질소 분자, 원자 산소와 질소 분자 혼합)에서의 Kapton 폴리이미드와 Kapton-탄소나노튜브 복합재의 삭마 거동을 모사하였다. 원자 산소와 질소 분자는 서로 다른 삭마 메커니즘을 보이는 것으로 나타났고, 특히 질소 분자의 경우 원자 산소에 못지않는 심각한 표면 침식을 유발하였다. 또한, 질소 분자와 원자 산소가 서로 혼합되어 충돌하는 경우에도 각 입자에 의한 독자적인 삭마 메커니즘이 유지되면서 표면 손상이 진행되는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 Kapton 내에 첨가된 탄소나노튜브가 저궤도 환경에서의 입자 충돌 시 열보호 소재의 온도 상승과 손상을 유의미하게 저하시키는 역할을 하는 것을 알 수 있었으며, 실제 NASA에서 수행된 우주환경 실험결과와의 비교를 통해 본 연구에서 수행된 지구 저궤도 및 준저궤도 환경에서의 삭마특성 예측법의 유효성 또한 확인하였다.

Keywords: 탄소나노튜브(Carbon nano tube), 삭마(Ablation), 원자 산소(AO), 지구저궤도(Low Earth Orbit)