Composites in the Aircraft Industry/ko

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복합재료는 항공 산업에서 ^{널리 사용} 되며, 엔지니어들이 개별 재료를 사용할 때 직면했던 어려움을 극복할 수 있도록 해줍니다. 복합재료를 구성하는 재료들은 본래의 성질을 유지하며, 서로 완전히 용해되거나 융합되지 않습니다. 이러한 재료들이 결합하여 구조적 특성이 향상된 '하이브리드' 소재를 만들어냅니다.

경량 고온 내성 복합 소재의 개발은 차세대 고성능 경제 항공기 설계를 현실화할 것입니다. 이러한 소재를 사용하면 연료 소비를 줄이고 효율성을 향상시키며 항공기의 직접 운영 비용을 절감할 수 있습니다.

복합재료는 다양한 모양으로 만들 수 있고, 원하는 경우 섬유를 단단히 감아 강도를 높일 수 있습니다. 복합재료의 유용한 특징은 각 층의 섬유가 서로 다른 방향으로 배열되도록 층을 쌓을 수 있다는 것입니다. 이를 통해 엔지니어는 고유한 특성을 가진 구조물을 설계할 수 있습니다. 예를 들어, 구조물이 한 방향으로는 구부러지지만 다른 방향으로는 구부러지지 않도록 설계할 수 있습니다. ^{[ 2 ]}

기본 복합재료의 합성

기본적인 복합재료는 한 가지 재료가 지지 매트릭스 역할을 하고, 다른 재료가 이 기본 골격 위에 쌓여 전체 재료를 강화하는 구조로 구성됩니다. 이러한 재료를 만드는 과정은 비용이 많이 들고 복잡할 수 있습니다. 기본적으로, 기본 재료 매트릭스를 고온 고압 조건에서 금형에 성형합니다. 그런 다음 에폭시 또는 수지를 기본 재료 위에 부어 냉각시키면 강도가 높은 복합재료가 만들어집니다. 또한, 보조 재료의 섬유를 기본 매트릭스에 삽입하는 방식으로도 복합재료를 만들 수 있습니다.

복합재료는 우수한 인장 강도와 압축 저항성을 가지고 있어 항공기 부품 제조에 적합합니다. 이 재료의 인장 강도는 섬유 구조에서 비롯됩니다. 인장력이 가해지면 복합재료 내의 섬유들이 가해진 힘의 방향으로 배열되면서 인장 강도를 나타냅니다. 우수한 압축 저항성은 기저 매트릭스 시스템의 접착력과 강성 특성 덕분입니다. 수지는 섬유들이 곧은 기둥 형태를 유지하고 좌굴을 방지하는 역할을 합니다.

항공 및 복합재료

복합재료는 금속합금과 유사한 구조적 강도를 제공하면서도 무게는 더 가볍기 때문에 항공 산업에 중요합니다. 이는 항공기의 연료 효율과 성능을 향상시킵니다. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

항공 산업에서 복합재료의 역할

유리섬유는 가장 흔한 복합재료로, 수지 매트릭스에 유리섬유가 박혀 있는 구조입니다. 유리섬유는 1950년대에 선박과 자동차에 널리 사용되기 시작했습니다. 보잉 707 여객기에도 1950년대에 처음 사용되었는데, 당시 기체 구조의 약 2%를 차지했습니다. 보잉은 세대가 거듭될수록 신형 항공기에 복합재료 사용 비율을 높여왔으며, 787 드림라이너 에는 50%의 복합재료가 사용되었습니다 .

보잉 787 드림라이너 는 주요 구조 요소가 알루미늄 합금이 아닌 복합 재료로 만들어진 최초의 상용 항공기 중 하나입니다. ^{[ 1 ]} 이 항공기에서는 구식 유리 섬유 복합재에서 벗어나 고급 탄소 적층재 및 탄소 샌드위치 복합재로 전환되었습니다. 드림라이너의 날개 상자에서 문제가 발생했는데, 이는 부품 제작에 사용된 복합 재료의 강성이 부족했기 때문으로 지적되었습니다. ^{[ 1 ]} 이로 인해 항공기의 초기 인도일이 지연되었습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 보잉은 이미 제작된 날개 상자에 새로운 브래킷을 추가하여 날개 상자의 강성을 높였으며, 향후 항공기에 사용될 날개 상자도 수정했습니다. ^{[ 1 ]}

복합재료 시험

복합재료로 만든 부품의 성능을 컴퓨터 시뮬레이션으로 정확하게 모델링하는 것은 재료의 복잡한 특성 때문에 어려운 것으로 나타났습니다. 복합재료는 강도를 높이기 위해 종종 서로 겹쳐 쌓지만, 이로 인해 제조 전 테스트 단계가 복잡해집니다. 층이 서로 다른 방향으로 배열되어 테스트 시 어떻게 작동할지 예측하기 어렵기 때문입니다. ^{[ 1 ]}

부품에 대한 기계적 응력 테스트도 수행할 수 있습니다. 이러한 테스트는 소형 모형으로 시작하여 점차 구조물의 더 큰 부분으로 확장되고 최종적으로 전체 구조물에 대해 진행됩니다. 구조 부품은 유압 기계에 넣어 실제 비행에서 예상되는 최악의 조건을 훨씬 뛰어넘는 응력을 모사하도록 구부리고 비틀어집니다.

복합재료 사용 요인

복합재료 사용의 가장 큰 장점은 경량화이며, 이는 복합재료 선택 시 핵심 요소 중 하나입니다. 그 외에도 높은 내식성과 피로 손상 저항성을 자랑합니다. 이러한 요소들은 장기적으로 항공기 운영 비용을 절감하고 효율성을 향상시키는 데 기여합니다. 복합재료는 성형 공정을 통해 거의 모든 형태로 가공할 수 있다는 장점이 있지만, 이는 이미 어려운 모델링 문제를 더욱 복잡하게 만듭니다.

복합재료 사용의 주요 단점은 비교적 새로운 소재이기 때문에 비용이 높다는 점입니다. 높은 비용은 노동 집약적이고 복잡한 제조 공정에도 기인합니다. 복합재료는 결함 검사가 어렵고, 일부는 수분을 흡수하기도 합니다.

알루미늄은 무게는 더 무겁지만 제조 및 수리가 용이합니다. 찌그러지거나 구멍이 나도 형태를 유지할 수 있습니다. 반면 복합재료는 그렇지 않습니다. 손상될 경우 즉시 수리해야 하는데, 이는 어렵고 비용도 많이 듭니다.

무게 감소로 인한 연료 절감 효과

연료 소비량은 건조 항공기 중량, 탑재 중량, 항공기 연식, 연료 품질, 비행 속도, 날씨 등 여러 변수에 따라 달라집니다. 복합 재료로 만들어진 항공기 부품의 무게는 787 드림라이너의 경우처럼 약 20% 감소합니다. ^{[ 4 ]}

아래에서는 에어버스 A340-300 항공기의 공허중량을 20% 감소시켰을 때 총 연료 절감량을 계산하는 예시를 보여 드리겠습니다.

이 사례 연구의 초기 샘플 값은 외부 소스에서 얻었습니다. ^{[ 5 ]}

주어진:

• 운항공허중량(OEW): 129,300kg
• 최대 무연료 중량(MZFW): 178,000kg
• 최대 이륙 중량(MTOW): 275,000kg
• 최대 적재량 기준 최대 주행 가능 거리: 10,458km

위의 수치를 이용하여 다른 양들도 계산할 수 있습니다.

• 최대 화물 중량 = MZFW - OEW = 48,700kg
• 최대 연료 중량 = 최대 이륙 중량(MTOW) - 최대 연료 중량(MZFW) = 97,000kg

따라서 최대 연료 중량과 최대 주행 가능 거리를 기준으로 연료 소비량을 kg/km 단위로 계산할 수 있습니다. 즉, 97,000kg/10,458km = 9.275kg/km 입니다.

다음은 20% 중량 감소로 예상되는 연료 절감량 계산 결과이며, 이는 총중량(OEW) 값을 20%만 감소시킵니다.

• OEW(신형) = 129,300kg * 0.8 = 103,440kg이며, 이는 25,860kg의 무게 절감 효과에 해당합니다.

화물과 연료의 무게가 일정하다고 가정할 때:

• MZFW(신규) = MZFW - 25,680kg = 152,320kg
• 최대이륙중량(신형) = 최대이륙중량 - 25,680kg = 249,320kg

97,000kg의 연료 질량은 최대 이륙 중량(MTOW)을 줄여주므로, 최대 중량과 최대 항속 거리는 반비례 관계이기 때문에 항속 거리가 증가합니다.

간단한 비례식을 이용하여 새로운 범위를 계산합니다.

249,320케이g275,000케이g=10,458케이중엑스케이중

X에 대해 풀면 다음과 같은 새로운 범위가 나옵니다.

• X = 11,535.18km

이를 통해 무게 감소에 따른 새로운 연료 소비량 값은 97,000kg/11,535.18km = 8.409kg/km 가 됩니다.

이를 이해하기 쉽게 설명하자면, 10,000km 주행 시 공차 중량이 20% 감소하면 약8,660kg 의 연료를 절약할 수 있습니다 .

환경 영향

친환경 엔지니어링 에 대한 관심이 점점 더 두드러지게 나타나고 있습니다 . 오늘날 사회는 환경에 대한 생각과 관심을 더욱 높이고 있으며, 이는 복합재료 제조 분야에도 마찬가지입니다.

앞서 언급했듯이 복합재료는 더 무거운 재료와 유사한 강도 값을 가지면서 무게는 더 가볍습니다. 가벼운 복합재료를 운송하거나 운송 용도로 사용하면 무거운 재료에 비해 환경 부담이 적습니다. 또한 복합재료는 금속 기반 재료보다 내식성이 뛰어나 부품의 수명이 더 길어집니다. ^{[ 7 ]} 이러한 요소들이 결합되어 복합재료는 환경적인 관점에서 우수한 대체 재료가 됩니다.

기존에 생산되는 복합재료는 석유계 섬유와 수지로 만들어지며 본질적으로 생분해되지 않습니다. ^{[ 8 ]} 이는 대부분의 복합재료가 수명이 다하면 매립지로 보내지기 때문에 심각한 문제를 야기합니다. ^{[ 8 ]} 천연 섬유로 만들어진 생분해성 복합재료에 대한 연구가 활발히 진행되고 있습니다. ^{[ 9 ]} 대량 생산이 용이하고 기존 복합재료와 유사한 특성을 지닌 생분해성 복합재료의 발견은 항공 산업을 비롯한 여러 산업에 혁명을 일으킬 것입니다.

환경적 노력을 지원하기 위한 대안은 폐기된 항공기에서 사용된 부품을 재활용하는 것입니다. 항공기의 '비엔지니어링'은 복잡하고 비용이 많이 드는 프로세스이지만, 새 부품을 구매하는 데 드는 높은 비용 때문에 회사의 비용을 절감할 수 있습니다. ^{[ 6 ]}

미래 복합 소재

세라믹 매트릭스 복합재료

미국 항공우주국(NASA) 에서는 항공기 부품에 사용하기 위해 경량 고온 복합재료 개발에 상당한 노력을 기울이고 있습니다 . 예비 계산에 따르면 개념 엔진의 터빈 흡입구는 최대 1650°C의 고온에 노출될 것으로 예상됩니다. ^{[ 3 ]} 이러한 고온을 견딜 수 있는 재료에는 세라믹 매트릭스 복합재료(CMC)가 필요합니다. 첨단 엔진에 CMC를 사용하면 엔진 작동 온도를 높일 수 있어 생산량 증가로 이어집니다. ^{[ 10 ]} CMC는 유망한 구조 재료이지만, 적합한 보강재의 부족, 가공의 어려움, 수명 및 비용 문제로 인해 적용이 제한적입니다.

거미줄 섬유

거미줄은 복합재료로 사용될 수 있는 또 다른 유망한 소재입니다. 거미줄은 높은 연성을 보여 섬유를 정상 길이의 최대 140%까지 늘릴 수 있습니다. ^{[ 11 ]} 또한 거미줄은 -40°C의 저온에서도 강도를 유지합니다. ^{[ 11 ]} 이러한 특성 덕분에 거미줄은 비정상적인 온도에서도 강도를 유지하는 연성 복합재료 생산에 이상적인 섬유 소재입니다. 연성 복합재료는 항공기에서 날개와 동체의 접합부처럼 다양한 응력을 받는 부품에 유용할 것입니다. 이러한 복합재료의 향상된 강도, 인성 및 연성은 부품이나 접합부에 가해지는 응력이 파괴되기 전에 더 커질 수 있도록 해줍니다. 합성 거미줄 기반 복합재료는 섬유가 생분해된다는 장점도 있습니다.

실험실에서 거미줄을 재현하려는 시도는 여러 번 실패했지만 완벽한 재합성은 아직 이루어지지 않았습니다. ^{[ 12 ]}

하이브리드 복합 강판

또 다른 유망한 소재로는 복합재료와 나노섬유, 합판에서 영감을 얻어 제작한 스테인리스강이 있습니다. 이 강판은 기존 강철과 동일한 재질로 만들어지며, 가공 및 성형 방식도 동일합니다. 하지만 동일한 강도를 유지하면서 무게는 몇 퍼센트 더 가볍습니다. 이는 특히 자동차 제조 분야에서 매우 유용합니다. 스웨덴 기업 라메라(Lamera)는 볼보 인더스트리(Volvo Industries)의 연구에서 분사하여 이 기술을 개발 중이며, 현재 특허 출원 단계에 있습니다.

결론

복합재료는 무게 대비 강도가 높아 기존 금속재료에 비해 여러 장점을 가지고 있지만, 현재로서는 제조 비용이 매우 높습니다. 초기 생산 비용을 절감하고 기존 복합재료의 생분해성 문제를 해결할 수 있는 기술이 개발되기 전까지는, 이 비교적 새로운 소재가 전통적인 금속 합금을 완전히 대체하기는 어려울 것입니다.

참고 자료