목차
1. 서론
2. 신소재 복합재료의 개발 연혁 및 관련기술 현황
3. 항공기 복합재료 구조물
4. 인공위성 복합재료 구조물
5. 우주 왕복선과 발사체 복합재료 구조물
6. 맺음말
2. 신소재 복합재료의 개발 연혁 및 관련기술 현황
3. 항공기 복합재료 구조물
4. 인공위성 복합재료 구조물
5. 우주 왕복선과 발사체 복합재료 구조물
6. 맺음말
본문내용
m) 포물면 안테나 구조(직경 3.6m)
인공위성용 구조재는 크기 및 무게의 제한에 따른 경량화 요구 못지 않게, 운용되는 환경여건에 따른 요구특성을 충분히 고려하여 재료를 선정하여야 한다. 경량화요구에 부응하는 높은 비강도와 강성 외에 인공위성 구조재로서 요구되는 특성을 요약하면 다음과 같다.
① 정하중 및 발사 때의 동하중을 견딜 수 있는 고강성도/강도 및 진동감쇠
② 가혹한 온도환경(-160∼100 )에서의 치수 안정성을 위한 낮은 열팽창 계수
③ 고진공(∼10-13 torr)에서 중량 감소율 1%이하의 기화율(outgassing ratio)
④ 방사선, 자외선, 산소 원자 침식에 강한 저항성
⑤ 장기간 사용에 따른 우수한 크립(creep) 특성
인공위성의 구조재로서 과거에는 알루미늄, 티타늄 등의 금속 구조물이 경량 구조재로 많이 사용되어 왔으나 고강성/강도 탄소섬유와 케블라 섬유 복합재료가 개발되면서 매우 빠른 속도로 금속재료에서 복합재료로 대체되어 가고 있다. 복합재료는 앞에서 언급한 바와 같이 뛰어난 경량특성뿐만 아니라, 사용되는 탄소나 케블라 섬유는 미소량의 마이너스 열팽창계수를 지니고 있어서 섬유의 배열 구조를 합리적으로 설계하면 열팽창계수가 거의 제로에 가깝게 할 수 있어, 가혹한 우주 온도환경에서도 치수 안정성이 뛰어나다. 아울러, 복합재료가 기존 금속재에 비하여 갖는 장점들 중에는 하중방향에 따른 섬유방향의 조절로 인한 설계의 유연성 및 안테나 반사 구조물(reflector)등과 같이 높은 비강성이 요구되는 곳에는 고탄성 탄소섬유를, 연결부위처럼 높은 비강도가 요구되는 부품에는 고강도 탄소섬유를 선택할 수 있고, 이러한 설계구조의 일체 성형이 가능할 뿐만 아니라, 정밀한 곡면 제조가 용이한 편이다.
Ⅴ. 우주 왕복선과 발사체 복합재료 구조물
고성능 복합재료가 개발되어 가장 효과적으로 응용된 구조물이 바로 미국의 우주 왕복선 구조물이다. 하중을 주로 담당하는 주 구조물의 경우, 복합재료를 이용함으로써 알루미늄으로 설계된 초기 구조보다 무게면에서 1633kg이나 줄일 수 있었다. 탄소/에폭시 박판과 하니컴 심재로 구성된 샌드위치 구조와 보론섬유 강화 복합재료 프레임, 연료 및 호흡용으로 용기로 이용되는 30여개의 산소 및 수소 케블라/에폭시 극저온 이중벽 압력 탱크, 내열용 탄소/탄소 복합재료가 기능별로 적절하게 응용됨으로써 우주를 왕복할 수 있는 셔틀 구조물이 개발될 수 있었다.
<그림 5>의 화물 탑재칸 문(cargo bay door)은 줄무늬 부분은 탄소/에폭시 면재와 노맥스 하니컴 심재가 적용된 샌드위치 구조재와 프레임이 결합된 세미 모노코우크 구조로 한개의 길이가 18.3m나 된다. 탄소섬유 복합재료가 이용된 가장 주된 이유는 탄소/에폭시 복합재료의 비중이 1.5정도로 가볍고 적층판의 열팽창 계수가 거의 제로에 가깝게 설계/제작되어 태양빛이 비대칭으로 비출 때 뒤틀림을 방지할 수 있었기 때문이다.
<그림 5> 탄소/에폭시, 보론/알루미늄, 탄소/탄소 복합재료가 주 구조재로
이용된 우주 왕복선 구조 형상
탄소/탄소 복합재료는 고온에 강한 탄소 기지재료와 탄소섬유로 구성된 특수 내열 복합재료로 세라믹 재료보다 경량이며 대기권 재돌입 과정에서의 온도인 1482 에서도 버틸 수 있는 내열성과 내마모성 면에서 매우 우수하여, 우주왕복선의 노우즈 캡 (nose cap)과 날개의 압전(leading edge)에 이용되어 우주왕복선의 성공적인 재돌입을 가능하게 하였다.
현재의 우주왕복선에 이어 NASA가 개발하고 있는 소형 재사용 고공 발사 우주 왕복선 X-34에는 복합재료가 훨씬 더 많이 쓰여서 전체 구조물 중량의 80%이상이 탄소/에폭시 구조가 이용되었다. <그림 6>은 X-34 구조물의 형상으로 동체 및 날개 구조물의 대부분이 탄소/에폭시 구조로 이루어져 있다.
로켓이나 미사일의 구조에도 경량의 고강성도/강도 복합재료가 매우 효과적으로 사용되어 성능 개선에 커다란 효과를 내고 있다. 발사체 구조물의 형상은 주로 축대칭 구조로 필라멘트와인딩 공법을 이용하여 제조된 연료 저장 실린더형 탱크 구조나 모터 케이스 구조로 응용되고 있다. 내마모성과 내열성이 우수한 탄소/탄소 복합재료는 발사체의 노즐에도 이용되어 발사체의 경량화는 물론 성능향상에 크게 기여 하고 있다.
<그림 6> 탄소섬유 복합재료가 구조물의 80% 이상 사용된 고공발사
우주왕복선 X-34
Ⅵ. 맺음말
기존 금속재료에 비하여 무게비 강도와 강성도, 열안정성 등이 우수한 신소재 섬유강화 복합재료는 그 성능 효과가 탁월하여 최신 항공기, 발사체 및 인공위성 구조물에 활용되며 종래에는 구현할 수 없었던 설계 구조물들이 실제로 제작되어 운용되면서 인간의 활동범위를 확대하였고, 안전성과 신속함이 더욱 요구되는 현대 인류생활에 기여하고 있다.
특히 위성체 구조물의 중량은 총 발사중량의 5%이하이고 인공위성 전체 중량 중 구조물의 무게는 금속재료 구조의 경우 20%, 복합재료 구조의 경우 14% 정도임을 감안하면 복합재료를 위성체 구조물로 응용할 경우 발사 경비 절감 효과가 매우 큼을 알 수 있다. <표 3>은 1kg 경량화가 가져다주는 경제적 효과를 보여주고 있다.
항공우주구조물의 대형화와 고성능화에 따른 경량화의 필요성이 더욱 커지고, 복합재료에 관련된 기본 구성 재료, 설계 및 성형기술이 진보함에 따라 인공위성의 구조재료로써 복합재료의 응용은 더욱 다양하게 확대될 것이다.
응용분야
절감액(천원/kg)
로켓, 인공위성
50,000
미사일
1,400
헬리콥터
350∼1,400
항공기
70∼350
선박 및 기타 상선
35
자동차
3.5이하
<표 3> 무게 1kg 감소에 따른 경제적 효과
[참고문헌]
전 의진외 3인(1995), 『최신 복합재료』 교학사
윤 광준외 3인(1994), 「항공우주 복합재료 구조물에 대한 관련기술 현황」, 『한국 항공우주학회지』, 제22권 4호, pp130-149
윤 광준, 「인공위성과 발사체 구조물에 응용된 복합재료」, 『기계저널』 제 39권 2호. pp.43-46
김 태욱·홍 성혁, 「항공기용 복합재료」, 『기계저널』 제 39권 2호. pp.37-42
인공위성용 구조재는 크기 및 무게의 제한에 따른 경량화 요구 못지 않게, 운용되는 환경여건에 따른 요구특성을 충분히 고려하여 재료를 선정하여야 한다. 경량화요구에 부응하는 높은 비강도와 강성 외에 인공위성 구조재로서 요구되는 특성을 요약하면 다음과 같다.
① 정하중 및 발사 때의 동하중을 견딜 수 있는 고강성도/강도 및 진동감쇠
② 가혹한 온도환경(-160∼100 )에서의 치수 안정성을 위한 낮은 열팽창 계수
③ 고진공(∼10-13 torr)에서 중량 감소율 1%이하의 기화율(outgassing ratio)
④ 방사선, 자외선, 산소 원자 침식에 강한 저항성
⑤ 장기간 사용에 따른 우수한 크립(creep) 특성
인공위성의 구조재로서 과거에는 알루미늄, 티타늄 등의 금속 구조물이 경량 구조재로 많이 사용되어 왔으나 고강성/강도 탄소섬유와 케블라 섬유 복합재료가 개발되면서 매우 빠른 속도로 금속재료에서 복합재료로 대체되어 가고 있다. 복합재료는 앞에서 언급한 바와 같이 뛰어난 경량특성뿐만 아니라, 사용되는 탄소나 케블라 섬유는 미소량의 마이너스 열팽창계수를 지니고 있어서 섬유의 배열 구조를 합리적으로 설계하면 열팽창계수가 거의 제로에 가깝게 할 수 있어, 가혹한 우주 온도환경에서도 치수 안정성이 뛰어나다. 아울러, 복합재료가 기존 금속재에 비하여 갖는 장점들 중에는 하중방향에 따른 섬유방향의 조절로 인한 설계의 유연성 및 안테나 반사 구조물(reflector)등과 같이 높은 비강성이 요구되는 곳에는 고탄성 탄소섬유를, 연결부위처럼 높은 비강도가 요구되는 부품에는 고강도 탄소섬유를 선택할 수 있고, 이러한 설계구조의 일체 성형이 가능할 뿐만 아니라, 정밀한 곡면 제조가 용이한 편이다.
Ⅴ. 우주 왕복선과 발사체 복합재료 구조물
고성능 복합재료가 개발되어 가장 효과적으로 응용된 구조물이 바로 미국의 우주 왕복선 구조물이다. 하중을 주로 담당하는 주 구조물의 경우, 복합재료를 이용함으로써 알루미늄으로 설계된 초기 구조보다 무게면에서 1633kg이나 줄일 수 있었다. 탄소/에폭시 박판과 하니컴 심재로 구성된 샌드위치 구조와 보론섬유 강화 복합재료 프레임, 연료 및 호흡용으로 용기로 이용되는 30여개의 산소 및 수소 케블라/에폭시 극저온 이중벽 압력 탱크, 내열용 탄소/탄소 복합재료가 기능별로 적절하게 응용됨으로써 우주를 왕복할 수 있는 셔틀 구조물이 개발될 수 있었다.
<그림 5>의 화물 탑재칸 문(cargo bay door)은 줄무늬 부분은 탄소/에폭시 면재와 노맥스 하니컴 심재가 적용된 샌드위치 구조재와 프레임이 결합된 세미 모노코우크 구조로 한개의 길이가 18.3m나 된다. 탄소섬유 복합재료가 이용된 가장 주된 이유는 탄소/에폭시 복합재료의 비중이 1.5정도로 가볍고 적층판의 열팽창 계수가 거의 제로에 가깝게 설계/제작되어 태양빛이 비대칭으로 비출 때 뒤틀림을 방지할 수 있었기 때문이다.
<그림 5> 탄소/에폭시, 보론/알루미늄, 탄소/탄소 복합재료가 주 구조재로
이용된 우주 왕복선 구조 형상
탄소/탄소 복합재료는 고온에 강한 탄소 기지재료와 탄소섬유로 구성된 특수 내열 복합재료로 세라믹 재료보다 경량이며 대기권 재돌입 과정에서의 온도인 1482 에서도 버틸 수 있는 내열성과 내마모성 면에서 매우 우수하여, 우주왕복선의 노우즈 캡 (nose cap)과 날개의 압전(leading edge)에 이용되어 우주왕복선의 성공적인 재돌입을 가능하게 하였다.
현재의 우주왕복선에 이어 NASA가 개발하고 있는 소형 재사용 고공 발사 우주 왕복선 X-34에는 복합재료가 훨씬 더 많이 쓰여서 전체 구조물 중량의 80%이상이 탄소/에폭시 구조가 이용되었다. <그림 6>은 X-34 구조물의 형상으로 동체 및 날개 구조물의 대부분이 탄소/에폭시 구조로 이루어져 있다.
로켓이나 미사일의 구조에도 경량의 고강성도/강도 복합재료가 매우 효과적으로 사용되어 성능 개선에 커다란 효과를 내고 있다. 발사체 구조물의 형상은 주로 축대칭 구조로 필라멘트와인딩 공법을 이용하여 제조된 연료 저장 실린더형 탱크 구조나 모터 케이스 구조로 응용되고 있다. 내마모성과 내열성이 우수한 탄소/탄소 복합재료는 발사체의 노즐에도 이용되어 발사체의 경량화는 물론 성능향상에 크게 기여 하고 있다.
<그림 6> 탄소섬유 복합재료가 구조물의 80% 이상 사용된 고공발사
우주왕복선 X-34
Ⅵ. 맺음말
기존 금속재료에 비하여 무게비 강도와 강성도, 열안정성 등이 우수한 신소재 섬유강화 복합재료는 그 성능 효과가 탁월하여 최신 항공기, 발사체 및 인공위성 구조물에 활용되며 종래에는 구현할 수 없었던 설계 구조물들이 실제로 제작되어 운용되면서 인간의 활동범위를 확대하였고, 안전성과 신속함이 더욱 요구되는 현대 인류생활에 기여하고 있다.
특히 위성체 구조물의 중량은 총 발사중량의 5%이하이고 인공위성 전체 중량 중 구조물의 무게는 금속재료 구조의 경우 20%, 복합재료 구조의 경우 14% 정도임을 감안하면 복합재료를 위성체 구조물로 응용할 경우 발사 경비 절감 효과가 매우 큼을 알 수 있다. <표 3>은 1kg 경량화가 가져다주는 경제적 효과를 보여주고 있다.
항공우주구조물의 대형화와 고성능화에 따른 경량화의 필요성이 더욱 커지고, 복합재료에 관련된 기본 구성 재료, 설계 및 성형기술이 진보함에 따라 인공위성의 구조재료로써 복합재료의 응용은 더욱 다양하게 확대될 것이다.
응용분야
절감액(천원/kg)
로켓, 인공위성
50,000
미사일
1,400
헬리콥터
350∼1,400
항공기
70∼350
선박 및 기타 상선
35
자동차
3.5이하
<표 3> 무게 1kg 감소에 따른 경제적 효과
[참고문헌]
전 의진외 3인(1995), 『최신 복합재료』 교학사
윤 광준외 3인(1994), 「항공우주 복합재료 구조물에 대한 관련기술 현황」, 『한국 항공우주학회지』, 제22권 4호, pp130-149
윤 광준, 「인공위성과 발사체 구조물에 응용된 복합재료」, 『기계저널』 제 39권 2호. pp.43-46
김 태욱·홍 성혁, 「항공기용 복합재료」, 『기계저널』 제 39권 2호. pp.37-42
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