Experimental Investigation of Drilling Performance under Simulated Space Thermal-Vacuum Conditions

키워드

확장요약문

본 연구에서는 달 환경을 열·진공 챔버를 통해 모사하고 온도 및 진공 환경에 따른 달토양 (Lunar Soil)의 드릴링 성능을 평가하였다. 실험 시료로는 달 토양 모사토 (Regolith Simulant, KLS-1)을 이용했으며, 선행연구를 통해 가장 높은 압축강도를 나타내는 18wt%의 수분비율로 모사토를 제작하였다. 해당 시료는 – 40 ℃ ~ 20 ℃에서의 특성을 분석한 후, 드릴링을 위해 - 30 ℃의 컨테이너 환경에서 24 시간 동안 동결되어 진공 챔버 내부에서 드릴링 테스트에 사용되었다.

실험 환경은 냉각기가 설치된 대형 컨테이너 내부에 진공 챔버를 배치하였으며, 진공펌프(MVP-60)를 이용하여 압력 10 torr, 온도는 - 30 ℃로 제어된 열·진공 상태를 구현하였다. 최종적인 드릴링 시스템은 500 RPM, 2900 BPM, 7 J/blow 의 충격에너지(Impact power) 사양을 가지며, 리니어레일을 통해 1 mm/s 의 이송 속도로 구동되었다. 총 5 차례의 드릴링 테스트를 진행한 결과, 천공 깊이는 1.523 ~ 2.274 cm 범위를 기록하였으며 평균 1.88 cm 에 달했다. 드릴링 시스템이 정지한 원인은 드릴 비트와 시료 홀 벽면 사이의 재밍(Jamming) 현상으로 확인되었다. 재밍 현상의 주요 발생원인으로는 천공 깊이가 깊어질수록 접촉 면적이 증가하여 마찰력이 커지고, 드릴링 과정에서 발생한 마찰열로 녹은 수분의 재결빙 및 수분으로 인한 슬립 (Slip) 현상이 복합적으로 작용한 결과로 분석되었다.

본 연구 결과는 향후 우주 극한 환경에서의 안정적인 시추 장비 설계를 위한 기초 연구로 활용될 수 있으며, 나아가 재밍 현상을 효과적으로 극복하기 위해 펙 드릴링(Peck drilling) 기법을 적용한 후속 연구를 수행할 예정이다.