라이너 없는 전복합 구형 크라이오탱크, 우주 추진제 저장용으로 설계

우주 발사체의 연료 저장 과제

우주 여행을 위한 발사체에는 막대한 양의 연료와 연료 저장 탱크가 필요합니다. 산소, 수소, 질소 같은 일반적인 로켓 추진제는 상온에서 기체 상태로 저장할 수 있지만, 기체는 밀도가 상대적으로 낮아 우주 발사에 필요한 충분한 양을 저장하려면 매우 큰 탱크가 필요해 우주선의 무게가 늘고 탑재량이 제한됩니다. 따라서 이 추진제들은 액체 상태로 저장해 더 작고 적은 탱크에 담는 것이 이상적이지만, 많은 추진제는 초저온(일반적으로 -150°C, -238°F 이하, 극저온이라 함)에서만 액체로 존재합니다.

Infinite Composites Technologies, 라이너 없는 전복합 구형 크라이오탱크 개발

2020년 4월, Infinite Composites Technologies(ICT, 미국 오클라호마 털사)는 로켓 추진 우주 발사체의 극저온 추진제 저장을 위한 구형, 라이너 없는 전복합 크라이오탱크(압력 용기) 개발을 발표했습니다.

라이너 없는(Type V) 압력 용기의 장점과 도전

라이너 없는(Type V) 압력 용기는 탄소섬유 복합 고압 저장 탱크 설계에서 오랫동안 추구해온 목표입니다. 기존 Type I~IV 압력 용기는 저장 기체/액체와 복합 외피 사이에 라이닝으로라도 금속을 최소한 포함해 왔습니다(Type IV). 금속 부품을 완전히 제거하면 탱크 무게가 크게 줄어들어, 우주선 연료 탱크의 경우 발사 비용 절감 또는 탑재량 증대로 이어집니다.

그러나 액체 질소나 액체 산소 같은 극저온 연료용 전복합 설계는 라미네이트 내 미세 균열(microcracking)이라는 난제를 안고 있습니다. 복합 라미네이트가 극저온으로 냉각되는 등 극한 온도에 노출되면, 각 플라이 간의 열팽창 계수(CTE) 차이로 인해 균열과 누출이 발생할 수 있습니다. 많은 수지 시스템도 극저온에서 취약해져 문제를 악화시킵니다. ICT의 CEO Matt Villarreal에 따르면, ICT는 미세 균열 문제를 해결한 라이너 없는 크라이오탱크를 개발했습니다.

우주 탐사의 핵심 기술로 주목받는 구형 전복합 크라이오탱크

Villarreal에 따르면, 전복합 극저온 저장 탱크, 특히 설치 면적이 작은 구형 탱크는 많은 전문가들이 장기 우주 탐사와 생존을 위한 핵심 기술로 꼽습니다. NASA 등 우주 기관이 개발 중인 다수의 달 착륙선에 구형 탱크 설계가 적용되고 있지만, 지금까지 구형 탱크는 모두 더 무겁고 연료 효율이 낮은 금속 구형체나 금속 라이너 복합 감압 용기(COPV)였습니다. ICT의 전복합 탱크 'CryoSphere'는 연료 저장을 위한 더 가볍고 연료 효율적인 대안을 제시합니다.

레이싱카에서 로켓으로: 창업 스토리

크라이오탱크 개발 전, Villarreal과 동업자 Michael Tate는 오클라호마 주립대학(미국 오클라호마 스틸워터) 재학 중 복합 압력 용기 설계 경력을 시작했습니다. 2008년 교내 Formula SAE 팀에 합류해 1/4 규모 포뮬러 원 스타일 차량을 설계해 국제 대회에 출전했습니다. 현지 천연가스 기업의 후원을 유치하기 위해 차량을 압축 천연가스(CNG) 연료로 개조했으나, 사용한 전금속 CNG 저장 탱크가 너무 무거워 연비에 악영향을 미쳐 24시간 내구 레이서 동안 여러 번 급유해야 했습니다.

"레이스 후 조사해 보니 탱크 질량 문제가 청정 운송 수단과 우주 탐사 모두의 핵심 기술임을 알게 되었습니다."라고 Villarreal은 회고합니다.

Type V 라이너 없는 탱크 개발로 이어진 연구

더 가벼운 CNG 탱크 기술을 연구하던 중, Villarreal과 Tate는 업계에서 '성배'라 불리는 Type V 라이너 없는 복합 탱크 개념을 구상하기 시작했습니다. 2008년 말 CleanNG LLC를 설립해 천연가스 저장용 고압 탱크 개발에 착수했습니다. 2013년부터 자사의 원통형 전탄소섬유 복합 infiniteCPV 압력 용기가 지상 및 산업용으로 압축 천연가스, 크립톤, 질소, 헬륨 가스 저장에 사용되고 있습니다.

압력 용기 설계를 지속하던 중 우주선 제조사들이 R&D 자금을 지원하며 자사 탱크를 우주선에 적용할 버전 개발을 요청해 왔습니다. "어느 순간 우주 분야가 더 매력적인 비즈니스 케이스가 되었습니다."라고 Villarreal은 말합니다.

2016년 사명을 Infinite Composites Technologies로 변경하고 상업용 우주 프로젝트에 주력해 왔으며, 방산 분야(로켓 모터 케이싱, 군용 항공기, 무인기)도 병행합니다. 원통형 infiniteCPV 탱크 설계는 2020년 비행 예정인 여러 발사체에 통합되었습니다. CryoSphere는 이 original infiniteCPV 탱크의 진화형입니다.

CryoSphere 개발 과정

ICT의 초점이 우주선 수요로 옮겨가면서 Villarreal은 "복합 크라이오탱크 제작이 진짜 과제임을 깨달았습니다."라고 말합니다. 크라이오탱크는 고압뿐 아니라 극저온(액체 질소, 산소, 메탄 등 우주 발사체 연료/산화제 저장용 -200°F 이하)도 견뎌야 하는 특수 압력 용기입니다.

오클라호마 주정부로부터 2013년 Center for the Advancement of Science and Technology(OCAST)로부터 3년간 30만 달러 지원금을 받아 크라이오탱크 개념의 소재 특성 분석 및 소재 수준 테스트를 수행했습니다. "중간 정도의 성공이었습니다. 좋은 소재 후보를 찾았고 개념을 발전시킬 수 있다는 확신을 얻어 추가 지원을 신청할 수 있었습니다."

2018년 NASA 존슨 우주센터(미국 텍사스 휴스턴)에 크라이오탱크 개념을 제안했고, 이후 달 착륙선 시연 차량용 복합 크라이오탱크 쾌속 개발 프로젝트를 시작했습니다. 이 차량은 NASA의 이전 'Morpheus' 수직 이착륙(VTVL) 시험 차량과 유사했습니다. 성능 요구사항: 액체 질소(LN2) 100psi에서 10회 열 사이클 견딜 것(온도 -290°F까지 하강 후 상온 복귀), 각 사이클 간 30분 헬륨 체크 시 압력 강하 10psi 이하, 사이클 후 극저온 버스트 1,000psi(±100psi) 견딜 것.

원통형 크라이오탱크 1차 테스트는 부분적 성공에 그쳐 5회 극저온 사이클만 견뎠습니다. "프로젝트를 가속해 약 8주 만에 설계를 변경했습니다. 광란의 질주였죠. 몇 번의 열 사이클은 버텼지만 누출이 시작됐습니다." 문제는 라미네이트의 미세 균열이었습니다. 테스트를 마친 후 "백지 상태로 돌아갔습니다."

핵심은 소재: 그래핀 강화 에폭시 수지

"핵심 기술은 소재에 있습니다."라고 ICT 엔지니어링 매니저 Efren Luevano는 말합니다. CryoSphere는 Toray(일본 도쿄) T800 탄소섬유와 에폭시 수지로 필라멘트 와인딩 방식으로 제조되며, 실온 경화 후 ICT 털사 공장의 산업용 오븐에서 후경화(오토클레이브 미사용)됩니다.

미세 균열 해결을 위해 ICT는 독자적인 화학적 내구성 강화 에폭시 수지 매트릭스 내 다양한 첨가제를 여러 농도로 반복 테스트했습니다. 그 결과 두 가지 첨가제 조합이 열적 요구사항을 충족함을 발견했습니다. 그중 하나가 그래핀입니다.

"이 경우 그래핀을 나노스케일 기계적 보강재로 사용합니다."라고 Villarreal은 설명합니다. Applied Graphene Materials(영국 클리블랜드) 공급 그래핀 플레이크가 섬유 사이 공간을 가로질러 라미네이트 내 균열 형성을 방해하는 장애물 역할을 합니다. 또한 층간 결합 강도도 향상시킵니다.

"탱크에 압력을 가해 하중이 걸리면 섬유가 제자리에 머물도록 하는 것이 목표입니다." 저온에서 수지가 취약해져 균열이 생기고, 압력이 가해지면 섬유가 서로 미끄러지며 화학 결합이 끊어지는데, 그래핀 플레이크가 섬유 층 사이 기계적 보강재 역할을 해 이동과 파손 가능성을 줄여줍니다.

또 다른 독자적 첨가제도 매트릭스에 포함돼 저온에서 라미네이트를 더 연성 있게 만들고 단열 특성을 부여합니다. "단열도 이 크라이오탱크의 과제 중 하나입니다." 테스트에서 그래핀 강화 수지를 적용한 신형 CryoSphere는 액체 질소를 채운 후 "거의 1시간이 지나야 외부 냉각 징후가 나타났습니다." 이전 탱크들은 액체 질소 충전 10분 내 외부 표면에 서리가 생겼습니다.

구형 설계의 제조 난제와 의외의 이점

Luevano는 구형 설계 자체가 도전이었다고 덧붙입니다. Villarreal에 따르면 구형은 달 착륙선처럼 공간 제약이 있는 용도에 포장 효율이 높습니다. 하지만 구면에서 제조 시 섬유 미끄러짐 가능성이 원통면보다 컸는데, 이는 필요한 와인딩 각도와 맨드렐 표면 마감이 젖은 함침 섬유를 고정할 만큼 마찰력을 내지 못했기 때문입니다. 또한 패턴 설계 소프트웨어가 원통에 최적화돼 있어 일반 워크플로로는 구형 패턴 생성이 불가능해 "창의적인 우회로를 찾아야 했습니다."

구형 설계는 미세 균열 문제에도 의외의 도움을 주었습니다. 초기 설계 반복에서 탱크 상하부 간 약 150°F 온도 차가 발생함을 발견했습니다. 액체 질소 충전 1시간 동안 하반부는 -290°F 액체 질소에 잠기지만 상반부는 -140°F 기체 질소만 채워져 생기는 현상입니다. "라미네이트 내 이렇게 급격한 온도 구배가 생기면 한 부분은 다른 속도로 수축하려 해 파손을 일으킬 수 있습니다." 구형은 크기가 작아 상하부 온도 격차를 줄여줍니다.

NASA 계약 수주 및 비행 인증 향해

최적화 설계를 확보한 ICT는 2019년 말 NASA 케네디 우주센터(미국 플로리다 케이프커내버럴)와 원통형 Morpheus 착륙선 탱크 절반 크기의 구형 크라이오탱크 2기 납품 계약을 체결했습니다. "우리 CryoSphere들은 헬륨 체크를 병행한 모든 열 사이클 테스트를 통과했습니다. 미세 균열이 발생하지 않았음을 확인했습니다." 당시 경쟁사 3곳도 입찰했지만, ICT 테스트 완료 시점까지 어떤 업체도 첫 프로토타입을 만들지 못했다고 합니다.

우주 비행 인증을 위한 다음 단계

테스트는 계속됩니다. NASA MISSE 프로그램 지원도 받아 국제우주정거장(ISS)에 소재를 보내 실험합니다. 지름 2.5인치 구형체들을 제작해 2020년 2월 NASA 랭글리 첨단연구센터(미국 버지니아 햄턴)에 5개 납품했습니다. ISS 발사는 2020년 8월 예정이었다가 11월로 연기됐습니다. ISS 외부에서 약 6개월간 방사선 센서를 부착해 궤도상 열·직사광선 노출 시 소재 내구성을 검증합니다. 성공 시 회수해 추가 극저온 테스트와 방사선 영향 평가를 진행하며, 주된 우려는 수지 화학 결합 영향입니다.

이후 비행 인증 단계로 넘어갑니다. 미국 항공우주학회(AIAA) S-081B 표준 변형 버전으로 인증 테스트의 약 절반을 완료했으며, 2020년 3분기 말까지 나머지 완료 예상입니다.

탱크 크기를 지름 48인치(NASA 개발 상업용 달 착륙선 사양)까지 확대할 계획이며, CryoSphere의 달 착륙선 탑재를 위한 파트너십도 추진 중입니다.

"우리 팀은 전복합 탱크의 가능성 한계를 넓히고 있습니다. 이 기술은 우주 탐사와 지속 가능한 운송에 혁명을 일으킬 잠재력이 있습니다."라고 Villarreal은 결론 내립니다.