경량 구조 미사일을 안정적으로 연결하는 기술

아헨 공과대학 연구원들이 중거리 모형 미사일을 연구하였다. 이 글에서 소개하는 경량 구조 연결 기술이 우주 항공시스템에 적용될지는 몰랐다.

막스 슈바브(Max Schwab, M.Sc.): 아헨 공과대학 섬유 소재연구소(ITA) 복합 생산 연구원 및 TFP 프로세스 및 연결 기술 전문가.

쿠마르 조이스(Kumar Jois, M.Sc.): 멀티필라멘트 와인딩 전문가 및 Tubular Composite Reinforcements ebenda 연구원

핵심 내용

  • 미사일 개발에서 연료를 절감하고 비행 거리를 늘리기 위한 경량 구조를 위해 복합 구성 요소를 적용한 혼합 재료가 주로 사용되고 있다.
  • 혼합 재료는 까다로운 연결 기술을 요구하기 때문에 이에 대한 특별한 대안이 필요하다.
  • 복합 소재와 인서트에 대해 2가지 가공 방법을 결합하여 분리가 가능하지만 안정적인 연결 부위를 형성한다.

아헨 공과대학의 연구원들과 학부생들이 모형 미사일을 위해 분리가 가능한 고강도 연결 기술을 개발하였다. MFW (멀티필라멘트 와인딩)을 이용하여 사전에 함침(물체에 기체나 액체 상태의 물질을 투입하여 특성을 변화시킴) 한 섬유(Towpreg)를 감거나 TFP(Tailored Fibre Placement, 맞춤형 섬유 배열)을 이용하여 섬유에 힘 도입 요소를 통합하였다.

CFRP (탄소섬유강화플라스틱)은 우주 항공 분야에서 널리 사용되고 있는 소재이다. 이 소재는 소재의 특정 강도가 결정적인 역할을 하기 때문에, 중거리 미사일의 구성 요소 등 다양한 구성품에 적합하다. CFRP 미사일 구조의 경우, 미사일 본체에 핀을 연결해야 한다. 이를 위해 대부분 구멍을 뚫고 하중을 받는 섬유를 절단한다. 대안으로 구성 요소를 접착할 수도 있지만 그렇게 되면 핀을 분리할 수 없게 된다.

손실되는 재료가 없다

아헨 공과대학 섬유 기술 연구소(ITA) 과학자들은 미사일 본체에 핀을 고정하기 위해 분리 가능한 고강도 연결 방법을 연구하였다. 이 아이디어는 앞서 언급한 토우프레그 가공 기법을 기반으로 하고 있다. MFW 및 TFP 기법으로 강화 섬유를 재료 손실 없이 최종 형태에 맞추어 배향할 수 있다. 이 두 방법으로 섬유 면에 힘 도입 요소를 제조 프로세스에 통합하여 힘을 전달할 수 있다. MFW는 여러 가지 강화 섬유를 공급과 동시에 증착시켜 섬유의 기복을 줄인다. 그 덕분에 섬유가 큰 하중을 전달할 수 있다. MFW 공법에서 섬유 증착 각도는 0 ~ 90°이다. 아헨 공대 섬유 소재연구소(ITA)에 있는 시스템으로 다른 프로필(예를 들어 3D)을 시작할 수 있다. TFP 공법은 전통적인 바느질에서 파생한 것이다. 이를 이용하여 강화 섬유를 다양하고 축 방향으로 최종 윤곽에 맞게 증착하고, CFRP 구성품에 대한 섬유 효율성을 최대한 높일 수 있다. 힘 흐름에 적합한 섬유 증착을 통해 고정 요소를 통합하고 프리폼이 기능하도록 만들 수 있다.

그림 2: MFW로 와인딩한 플레이트에 통합된 메탈 인서트, b) TFP로 꽂은 플레이트, c) 제조한 플레이트에서 실시한 인열 시험 결과

인서트 홀딩 능력 개선

이 두 제조 프로세스에서 메탈 인서트(테이프드 부싱)를 통합하여 플레이트를 약 90mm × 90mm 크기로 제조한다(그림 2). 두 공법의 CFRP-메탈 연결은 강도 측면에서 인열 테스트(ASTM D 7332 의거)를 거쳤으며, 그 결과 TFP 공법으로 인서트를 통합하여 14% 높은 인발력을 기대할 수 있다. 또한 섬유 층의 박리로 인해 연성 파괴가 발생하고, 기계적 테스트를 바탕으로 TFP 공법으로 인서트를 통합한 프리폼 제조 컨셉트를 개발하였다. 그림 3은 TFP 공법을 이용한 제조 프로세스를 보여준 것이다. 그물 모양의 핀은 진공 상태로 열을 가해 최종 윤곽에 가까운 핀으로 강화하여 오토클레이브에 통합한다. 최종 조립에서 핀은 동그랗게 감긴 미사일 몸체에 꽂는 방식으로 체결하며, 미사일 몸체에 분리 가능한 적합한 방식으로 핀을 연결할 수 있다.

그림 3: a) TFP 공법으로 핀을 제조하고 b) 핀을 체결한 미사일 하부를 조립하는 모형 미사일 제조

이 프로젝트는 아헨 공과대학 섬유 소재연구소(ITA)와 아헨 스페이스 팀 간의 협력의 일환으로 진행되었다.