항공기에 복합재를 써야 하는 이유


아래 내용은 ‘Aerospace & Defense’에 실린 시뮬레이션 관련 글입니다.

저자: Dr. Robert Yancey (알테어 우주항공 솔루션 분야 부사장)

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최근 우주항공산업에는 개발 초기부터 많은 시뮬레이션 툴들이 사용되고 있지만, 중요한 시험은 여전이 시험에 의존하고 있습니다. 보다 효과적인 개발을 위해 복합재 항공 구조물의 개발 단계에서 시뮬레이션 툴과 해석 방법에 대한 신뢰성을 좀 더 높여야 할 필요가 있습니다. 항공기 설계자들은 복합재의 잠재성에 대해서는 잘 알고 있지만, 복합재를 적용하는데 있어서는 아직도 해결해야 할 난제들이 많이 있습니다. 본 문은 최근의 시뮬레이션 소프트웨어가 이 문제를 어떻게 다루고 있는가라는 주제에 대해 다루어 보았습니다.

복합재의 이점

항공기 설계자들은 복합재를 많이 선택하고 있는데, 그 이유는 무게 대비 강성비가 아주 높기 때문입니다. 강성이 높은 탄소섬유(carbon fiber)와 플라스틱 접착제를 사용한 매트릭스 구조는 기존 재료보다 월등한 경량화가 가능합니다. 탄소 복합재는 기존 재료보다 강성과 강도 성능이 동등하거나 높지만 밀도는 알루미늄보다 낮습니다. 이런 점들이 항공기 중량을 줄이고 연료효율을 높일 수 있는 이유가 됩니다.

aerospace_defense2▲ 복합재 최적화를 위한 3가지 단계: 알테어 옵티스트럭트 사용

복합재는 피로성능에 있어서 굉장한 효과를 보여줍니다. 매트릭스에서 균열이 발생하더라도 재빨리 섬유로 흡수되어 균열이 더 이상 진전되지 않게 합니다. 또한 다양한 재료가공 공정을 통해서 균열 발생의 원인이 되는 매트릭스 내의 빈 공간들을 컨트롤 할 수 있어서 구조물의 파손 위험도를 낮출 수 있습니다. 물론 복합재에서도 파손이 일어날 수는 있지만, 구조물에 균열을 발생시키는 힘이 작용하게 되면 이 힘은 변형을 일으키지 않고 복합재의 섬유-매트릭스 접착의 분리로 연결되게 되는데, 이는 작용 에너지의 대부분이 재료로 흡수된다는 것을 의미합니다.

항공기 엔지니어들은 복합재 사용을 통해서 설계 유연성도 확보할 수 있습니다. 복합재는 기존 재료보다 강성에 대해 더 높은 방향성을 가지고 있습니다. 그래서 여러 층의 복합재를 중첩하고 그 방향성을 조절하여 구조물이 요구하는 최대의 강성치를 확보할 수 있습니다. 엔지니어는 하중 조건에 따라 복합재 구조물의 형상을 손쉽게 변경할 수도 있으며, 이런 특징으로 인해 항공기 날개를 공기역학적으로 좀 더 효율적인 형상으로 제작할 수 있습니다.

aerospace_defense3▲ 보다 상세하게 설명된 옵티스트럭트를 통한 복합재 최적화 과정

복합재 구조물 만이 가지는 또 다른 특징은 센서를 항공기 표면에 심을 수 있다는 것인데, 이를 통해서 조종사는 항공기에 미치는 손상도를 실시간으로 모니터링 할 수 있습니다. 작은 파손이 큰 파손으로 진행하기 전에 센서를 통해서 인지하고 방지할 수 있습니다.

또 다른 복합재의 이점은 부식에 아주 강하다는 것입니다. 복합재는 금속물질을 포함하고 있지 않으므로 전기부식이 일어나지 않습니다. 부식은 항공기를 정기적으로 검사해야 하는 주요 원인이 되며, 부식을 막기 위해 구조물에 작용하는 습기는 엄밀하게 관리되어야 합니다. 부식은 시간이 흐름에 따라 항공기의 심각한 파손을 유발하며, 부식으로 인해 비행 중인 항공기 동체에 부분적으로 문제가 발생하고 동체가 찢겨져 나가는 사례는 보도를 통해서 어렵지 않게 접할 수 있습니다. 항공기의 운항 환경은 부식이 잘 발생하는 조건이므로 금속재료를 사용한 항공기는 부식손상을 방지하기 위하여 주기적으로 자주 검사를 해야 합니다. 그러나 복합재를 사용하면 검사 주기를 줄일 수 있고, 이로 인해 많은 비용을 절감할 수 있습니다.

비용과 성능 측면에서도 많은 이점이 있습니다. 복합재 구조는 승객에게 좀 더 안락하고 편안한 비행을 가능하게 해 줍니다. 복합재 동체를 사용하면 항공기 내/외부의 기압 차이 그리고 반복되는 기압 변화로 인한 피로 문제 측면에서 금속재료보다 훨씬 안전하며 이는 항공기 동체의 피로파손 가능성을 줄일 수 있습니다. 그리고 항공기 내의 기압을 높여도 동체가 견딜 수 있으며, 항공기가 착륙할 때 발생하는 귀가 먹먹해 지는 현상도 줄일 수 있습니다. 뿐만 아니라 복합재 동체는 항공기 승객실 내의 습도를 높여도 문제가 없으며, 이러한 높은 습도가 부식으로 연결되지도 않습니다. 높은 습도를 유지하여 비행기 내에서 두통과 입이 마르는 현상을 방지할 수 있습니다. 또 다른 이점은 복합재 항공기는 강성이 높아서 창문을 좀 더 크게 만들 수 있다는 것입니다.

복합재로 인해 발생하는 문제

복합재는 금속구조에 비교하여 많은 문제들을 해결할 수 있지만, 문제도 있습니다. 중요한 문제 중의 하나는 여러 겹의 섬유를 중첩하여 제작이 되기 때문에 사용 과정에서 가장 약한 방향으로 이 층들이 분리될 수 있다는 것입니다.

층이 분리되는 현상은 하중이 복합재 표면의 수직으로 작용하거나 전단 하중이 작용할 때 일어날 수 있습니다. 복합재 내에 작용하는 하중 조건은 대단히 복잡하고 또 서로 조합하여 작용하므로 층이 분리될 가능성이 있습니다.

이러한 층 분리와 버클링 문제를 해결하기 위해 복합재 구조 설계자는 구조물에 작용하는 하중 조건에 대해 정확하게 파악해야 하며, 재료의 강도 차이를 유발하는 방향성도 엄밀하게 고려되어야 합니다.

aerospace_defense4하이퍼메시에서 제조 공정을 위해 층 형상을 정의하는 과정

설계자는 구조물에 작용하는 많은 잠재적 하중 경로를 철저히 파악해야 하며, 이를 바탕으로 층이 분리되는 현상을 방지해야 합니다. 이것이 바로 컴퓨터 시뮬레이션이 필요한 이유입니다.

엔지니어가 직면하는 또 다른 문제는, 금속재료와 달리 복합재는 재료가 약화되거나 내부 손상이 일어나는 것을 검사할 방법이 없다는 것입니다. 층이 분리되거나 균열이 발생하면 이는 재료 내부에 내포되어 있어 육안으로는 관찰할 수가 없습니다. 복합재 표면이나 내부에 심겨져 있는 센서로 이러한 결함을 감지할 수 있지만, 이는 항공 산업에서 새로운 과제이며 제작 공정을 개선하지 않으면 안됩니다.

또 다른 문제는 복합재 구조물과 주변의 금속구조물을 연결해야 하는 것입니다. 복합재 구조물은 강성이 높아서 제작 과정에서 다른 금속구조물과 연결할 때 연결부에 발생하는 높은 응력을 어떻게 다루어야 하는가에 대한 문제가 있습니다. 이 과정에서 금속재료 사용 부분이 증가할 수 있으며, 이로 인해 중량이 증가하게 됩니다. 이렇게 강성 측면의 불균형이 결합부의 파손을 유발 할 수도 있습니다.

aerospace_defense5▲ 중첩되는 층들의 각도가 표시된, 복합재 층의 시각화

이런 난제들은 부품의 형상을 단순하게 하거나 여러 부품을 하나의 복합재 구조물로 제작하면 어렵지 않게 해결할 수 있습니다. 여기서 또 다른 문제가 발생하게 되는데, 두 개의 복합재 부품은 패스트너(fastner)로 결합시킬 수 있지만, 결합 과정에서 구멍을 뚫어야 하거나 형상에 따른 응력집중이 발생할 수 있게 됩니다.

이러한 문제는 여러 복합재 구조물을 하나로 만들어서 해결할 수 있습니다. 항공기 개발자들은 이런 제조 방법에 대해서 이미 많은 진전을 이루고 있습니다.

시뮬레이션 솔루션

복합재를 항공기에 채택하고자 하는 엔지니어, 설계자 그리고 생산자들이 여러 관점에서 고찰과 시험을 해봐야 한다는 것은 명백한 사실입니다. 하지만 컴퓨터 시뮬레이션에 대한 의존도가 점점 높아지고 있으며, 복합재 구조물에 영향을 미치는 여러 요인들에 대한 해석적인 평가가 많이 이루어지고 있습니다.

다른 산업 분야와 마찬가지로, 시제품을 제작하는 단계 이전에 컴퓨터를 이용한 복합재 구조물의 설계와 평가가 먼저 이루어지고 있습니다. 하지만 시뮬레이션 기법은 아주 복잡하게 되었습니다. 금속재나 플라스틱과 달리 복합재는 그 구성과 구조가 균일하지 않습니다. 방향을 가지는 여러 층으로 이루어지며 하중에 대한 반응도 방향에 따라 달라지므로 설계에서 고려해야 할 사항도 증가하게 됩니다. 결과적으로 복합재를 채용할 경우, 항공기 파손을 방지하기 위하여 고려해야 할 잠재적인 인자들이 많아지게 된 것입니다.

그러나 오늘날에는 복합재 구조 해석을 위한 시뮬레이션 소프트웨어 툴도 많아지고, 해석 결과의 신뢰성 그리고 체계적인 결과 산출이 가능해 짐에 따라 복합재 구조물의 최적화에 대한 부담도 많이 경감되고 있습니다. 이 소프트웨어를 통해서 위치에 따른 복합재의 층 수를 결정할 수 있으며 효과적인 제작 방법도 찾아낼 수 있게 되었습니다. 컴퓨터를 통해서 수 백 가지 하중 조건, 많은 변수에 대한 해석을 동시에 수행할 수 있으며, 계산 결과도 자동적으로 산출되어 최적의 복합재 구조물을 제작할 수 있게 되었습니다.

aerospace_defense6▲ 실패와 층간 분리 이론을 포함한 라디오스의 조류충돌 해석

이와 같은 시뮬레이션 소프트웨어의 발전에 따라, 엔지니어는 손쉽게 복합재 형상, 구조, 인자를 해석을 통해서 결정할 수 있게 되었습니다. 시뮬레이션을 통해서 시험이 불가능한 영역도 평가할 수 있게 되었으며, 설계에 대한 영감과 잠재적인 문제 정보도 얻을 수 있게 되었습니다. 예를 들어, 시뮬레이션을 통해서 눈으로 볼 수 없는 층 내부의 응력 조건도 계산해낼 수 있는데, 이는 시험으로는 측정이 불가능한 것입니다. 그리고 최적화 기법을 통해서 응력을 최소화 하는 구조를 도출하여 수직하중 조건으로 인한 층 분리를 방지할 수도 있습니다.

이제 시뮬레이션은 안전하고 편안하면서 연비가 높은 차세대 복합재 항공기를 개발함에 있어서 아주 중요한 프로세스가 되어가고 있습니다. 또한 앞으로 더 많은 복합재가 다양한 구조물에 사용될 것입니다.

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