파이로 충격(Pyroshock)
파이로 충격은 구조물에 폭발이나 순간적인 충격이 발생할 때 발생하는 동적인 현태의 충격을 말한다. Harris' Shock and Vibration Handbook에서는 파이로충격을 다음과 같이 설명한다. "파이로쇼크는 수천 헤르츠까지 이를 수 있는 고주파나 높은 규모의 응력파동에 대한 구조물의 반응이다. 다단 로켓의 두 단을 분리하기 위한 폭발 폭약과 같은 폭발 사건(예를 들면)의 결과로 구조물 전체에 전파된다." 방위 및 항공 우주 산업에서 여러 가지 상황에서 폭발 장치를 사용하는 많은 장치 및 부품 등에서 파이로 충격은 상당히 중요할 수 있다. 예를 들어 로켓의 단계 분리, 미사일 배치 및 발사, 조종사 방출, 자동차 에어백 작동 등을 들 수 있다. 이와 같은 장치들에서 중요한 것은 폭발 장치가 활성화 된 후에도 장치나 부품들이 임무를 완수 할 수 있도록 신뢰성을 보증하는 일이다. 파이로 충격은 컴퓨터 장치 등 각종 부품에 영향을 미치기 때문에 우주 로켓의 임무 실패, 전투기 등의 추락, 무기의 고장 등과 같은 다양한 고장을 유발할 수 있다. 또한 파이로 쇼크에 의해 유도된 공진(Resonance) 주파수와 일치하거나 비슷한 공진 주파수를 가진 작은 부품일 경우 심각한 타격을 받을 수 있다.(공진(Resonance : 소리(음파)를 이용하여 유리병이 깨지는 동영상이 자주 있으며, 이와같이 특정 물건에 공진이 되는 주파수를 가하면 해당 물건을 파괴하거나 지대한 충격을 줄 수 있다.)
그림. 파이로충격이 발생하는 다양한 상황
파이로 충격은 1960년대 후반 항공우주 산업에서 처음 주목되기 시작하였으며, 폭발성 장치(예: 폭발 볼트, 핀, 커터 등)의 작동으로 인해 장비가 손상되는 사례를 통해 그 중요성이 인식되기 시작하였다. 이후 금속 간 충돌이나 응력 에너지 해방 등 다른 환경에서도 유사한 현상이 발생함이 밝혀졌다.
과거에는 파이로충격의 고주파 성분이 무해하다고 여겨졌으나, 부품의 소형화로 인해 전기·광학 부품의 기계적 공진(Resonance) 주파수가 증가하면서 이로 인한 손상 가능성이 커졌다.
파이로충격은 발생 위치에 따라 근거리(Near-field)와 원거리(Far-field)로 나뉜다. 근거리 파이로충격은 폭발력에 직접 노출된 패널(금속판 등) 중심에서 물리적인 1차원 변형이 일어나는 짧은 시간의 반응을 의미하며, 해당 파이로충격은 12μs 이내에 반응이 종료된다. 이에 반해 원거리 파이로쇼크는 구조물의 끝부분에서 다차원 변형, 조인트, 재료 경계 및 반사파 등이 복합적으로 작용해 더 길고 복잡한 반응을 보이며, 이는 다양한 형태를 가지기 때문에 많은 검토가 필요하다.
파이로 충격의 주파수에 따라 아래와 같이 구별되며 부품 등에 다음과 같이 영향을 줄 수 있다.
저주파 : 0 ~ 1,000 Hz 구조물 전체의 느린 응답 (주로 무시됨)
중주파 : 1,000 ~ 10,000 (1~10 kHz) 일부 부품과 공진을 일으켜서 영향을 줄 수 있다.
고주파 : 10,000 ~ 100,000 (10~100 kHz) 전자기기, 센서, 커넥터, 나사 등에 영향을 줄 수 있다.
초고주파 : 100,000 ~ 수백 kHz극한 조건에서만 관측되며, 초소형 부품이나 세밀한 구조에 영향을 줄 수 있다.
파이로충격 테스트 및 측정
파이로충격은 순간적으로 발생하기 때문에 테스트와 측정이 매우 어렵다. 실제와 유사한 충실도 높은 사전 실행부터 실제 비행 중 데이터, 테스트 실험실에서의 이벤트 시뮬레이션에 이르기까지 계측, 신호 컨디셔닝, 증폭, 여과, 데이터 수집, 데이터 샘플링 및 분석 등에서 많은 어려움이 있을 수 있다. 파이로충격을 모사하기 위해 실기폭(live pyrotechnic)에 입각한 시험이 있을 수 있다. 해당 방법은 실제 환경과 가장 유사하나 위험성이 높고 반복성이 낮다는 단점이 있다. 일반적으로 파이로 충격의 경우 기계적인 시험장치를 많이 이용한다. 시험체에 파이로 충격을 가하는 방법은 스프링을 이용하는 방법, 해머 등의 낙하운동을 가하는 방법이 있으며, 해당 방법은 반복과 제어가 용이하다는 단점이 있으나 상대적으로 고주파를 가하기 어렵다는 단점이 있다. 또한 전기역학식 셰이커와 Resonant Plate를 이용하는 방법, 인공적으로 폭발 환경을 모딜링한 디지털 펄스 생성기를 사용하는 다양한 방법이 존재한다.
파이로 충격은 충격 응답 스펙트럼(SRS, Shock Resonance Spectrum) 분석이 가장 많이 이용되는데, 이는 여러 주파수에 따른 충격의 가속도를 측정하여 파이로 충격의 크기를 나타내는 것이다.
다양한 파이로충격 측정 (출처 : www.researchgate.net, www.labaratuar.com)