로켓 오링설계하기(Rocket O-Ring Design)

안녕하세요 엔지니어 여러분, 박랩입니다

오늘은 오링에 대해 공유해보고
 로켓 챔버 설계시 필요한 오링설계 방법을 공유드리도록 하겠습니다

오링의 중요성

여러분 예전에 나사의 우주왕복선 챌린저 호 폭발 사건을 아시나요?

NASA의 우주왕복선 챌린저호 폭발사고는 오링의 문제로 출발 후 폭발하고, 전원 사망한 사건이다.

기상이변으로 인해 오링이 수축하여 연료가 누수되어 연쇄반응으로 로켓이 폭발한 사건이 있었습니다.

그만큼 오링은 로켓 뿐만 아니라 산업 전반에 중요한 역할을 합니다.

오링 종류

다음은 간단하게 모델로켓에 사용하는 주요 오링을 설명드리겠습니다.

보통 사이트에 검색하면 나오듯, 여러가지 종류가 있습니다

저희는 내열성이 중요하기 때문에 바이톤 오링 혹은 실리콘 오링까지 고려해봐도 되지만

로켓에 맞는 오링은 강도까지 강한 바이톤 밖에 없다고 생각하시면 됩니다.

참고로 바이톤 오링은 검정색, 실리콘 오링은 투명 혹은 빨간색입니다

 

규격 선택

오링을 사려고 보면, 다양한 오링 종류가 있습니다.
AN 계열이 많은데, AN은 미항공우주국 표준 규격으로 인치 계열 오링입니다 범용적으로 많이 쓰입니다.
오링 구매 가이드에 따라, 저희는 운동용 실린더가 아닌 압력 실린더이기 때문에 V계열을 사용하셔도 됩니다.

경도선택

보통 70~90 사이로 있는데, 숫자가 클수록 딱딱하다는 느낌이 들지만 높은 압력을 버틸 수 있습니다.
그렇다고 로켓 분야가 초고압은 아닌, 60Bar 정도 이기 때문에 70을 쓰셔도 무방할듯합니다.

사이즈 선택

오링이 압축되어야 하기 때문에 오링 외경이 챔버 내경보다 약간 커야합니다.
오링이 헐렁하게 장착되지 않게 오링 홈이 오링 내경보다 같거나 커야합니다.
자신의 챔버 내경에 맞는 사이즈의 오링으로 선택하시면 됩니다.

백업링 선택

백업링이란, 압력이 강할 경우, 누수를 방지하기 위해 오링을 두개 다는것입니다.
압력이 50Bar 이상, 챔버 내경이 50mm이상인 경우 백업링을 사용하시면 됩니다.

오링 칼큘레이터

O-Ring_Calculator_2021_v1.0.xlsx

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다음은 오링 계산기를 만들어보고 여러분께 공유드립니다. 동영상 글에 다운로드 링크를 공유하도록 하겠습니다.
이 정보는 블로그를 통해 간단히 알아낼 수 있었으며, 그 블로그 자료를 토대로 엑셀 계산기를 만들었습니다.
각 하단마다 시트가 존재하고, 첫번째 시트에서 간단한 설명을 볼 수 있습니다.
두번째 시트부터, 본격적으로 오링 계산기가 나옵니다.
우선 우측의 그림이 챔버에 오링이 끼워져있는 벌크헤드나 노즐를 끼워넣는 형상입니다.

각 파라미터마다 계산됨에 따라 자동적으로 수치가 반영됩니다.
파란색 박스가 여러분이 입력해야할 칸인데요.

파라미터 인풋 란에 챔버 내경과 오링 두께, 오링 내경, 경도 등을 기입하고
하단에 엔지니어링 타겟 파라미터를 입력하면
자동으로 다양한 수치가 계산이 되고, 그에 따라 설계 참고수치들이 계산이 됩니다.
만약 수치가 이상하게 기입되어있을 경우, 아래의 엔지니어링 체크 란이 빨갛게 변하니
메모란을 참고하시어 수치를 기입하시길 바랍니다.


다음 시트는 오링 사이즈 체커입니다. 자동적으로 계산하기 싫으신분들이 직접 수치를 기입하고, 엔지니어링 체크를 할 수 있는 시트입니다
간단하죠?

 

실습

이렇게 오링설계가 끝났으면, 제가 가지고 있는 오링으로 설계를 해보도록 하겠습니다.

우선 저는 이미 가지고 있는 실리콘 오링으로 해보도록 하겠습니다
저는 AN계열이기 때문에 내경 18.77mm, 두께 1.78mm 로 수치가 인치사이즈라 지저분합니다
이렇게 계산된 오링 외경이 22.33mm이기때문에 이보다는 챔버 크기가 작아야 오링이 압축이 되겠죠?
따라서 챔버 내경을 22mm로 하겠습니다
만약 21mm로 한다면, 껴보신분들은 알겠지만 망치로 때려도 안들어갑니다
경도까지 선택하고, 아래에 있는 Engineering Parameter의 Target은 옆의 메모에 따라 입력하시면 됩니다 
그냥 안건드셔도 되요

그러면 아름답게 다른 수치들이 계산되고, 수치에 따라 3D프린터로 뽑아봤습니다

그러면 이런식의 챔버와 벌크헤드가 나옵니다. 보통 머리쪽에 위치한걸 벌크헤드라 합니다
저는 크기가 작기 때문에 백업링을 굳이 하진 않았습니다

그리고 이렇게 끼우고 볼트를 체결하면 잘 되죠?

여기서 설계 팁 하나 드립니다

보통 이런식으로 볼트 구멍을 내놓고 끼운 후 조립하는데,

챔버가 금속일 경우, 이러면 오링 끼울때 볼트구멍에 오링이 다 찢어집니다

 

[꿀팁]

오링이 너무 딱딱해 홈에 끼우기 힘들경우 뜨거운물에 잠시 담궈도 됩니다.

또한 오링을 끼울때, 오링 그리스를 얇게 발라주면 더 잘 들어가기도 하고, 추가적인 보호를 해줄 수 있습니다.

오링 그리스는 포털 사이트에서 쉽게 찾아보실 수 있습니다.

 

[꿀팁2]

오링을 사용했을때 제가 했던 문제가 있었는데요, 우선 끼울때 단차를 주지 않아

끼는 도중 구멍을 지나게 되면 오링이 찢어지는 문제가 있었습니다.

그래서 이런식으로 단차를 주면 볼트 구멍에 오링이 닿지 않아 오링이 손상되지 않을 것입니다

이상 오늘은 오링에 대해 설명드렸습니다

감사합니다