NCC, 전복합소재 타입 V 탱크로 우주 추진 경량화 새 표준 제시

영국 국립복합소재센터(NCC, 브리스톨)가 항공우주 제조사 탈레스 알레니아 스페이스(Thales Alenia Space, 프랑스 칸)의 업계 가이드 하에 스페이스탱크(SpaceTank) 프로젝트에서 전복합소재 라이너리스(타입 V) 탱크 데모스트레이터를 제작했습니다. 이 탱크는 발사체 및 위성 추진제 탱크에 대표적인 것으로, 현재 사용 중인 금속 추진제 탱크 대비 약 30%의 중량 절감 효과가 있는 것으로 추정됩니다. NCC는 이 쇼케이스 프로젝트를 통해 영국이 미래 우주 추진 수요를 위한 복합소재 탱크 제조에 관심을 갖도록 유도하고 있습니다. NCC에 따르면 이 프로젝트는 첨단 복합소재 기술이 탱크 구조 중량을 줄이고 위성 발사 비용을 낮춤으로써 미래 우주 추진 분야의 엔지니어링 구조물에서 중요한 역할을 할 수 있음을 보여줍니다(사례 연구 PDF 다운로드).

영국 내 극저온 압력 용기 제조 및 검사 R&D 도구 개발 목표

스페이스탱크 프로젝트의 전반적인 목표는 극저온 압력 용기의 제조 및 검사에 필요한 영국 기반 연구개발 도구를 개발하는 것이었습니다. 보다 구체적으로, 1년간의 프로젝트는 극저온 추진제를 보관하기 위한 탱크의 새로운 제조 솔루션 개발에 초점을 맞췄습니다.

글로벌 복합소재 탱크 개발 동향과 NCC의 역할

우주 산업은 우주 분야에서 복합소재의 중요한 역할을 인식하고 있으며, 일부 기업은 이미 우주 탱크 설계에 복합소재 사용을 모색하고 있습니다. 예를 들어, 버진 오빗(Virgin Orbit, 미국 캘리포니아주 롱비치)과 로켓랩(RocketLab, 뉴질랜드 오클랜드)은 각각 론처 원(Launcher One)과 일렉트론(Electron) 로켓에 금속 대체 복합소재 탱크를 개발 및 시연했습니다. 호주에서는 옴니 탱커(Omni Tanker, 스미턴 그레인지)와 파트너들이 복합소재 라이너리스 액체수소 탱크(LH₂) 개발 및 상용화를 추진 중이며, 유럽에서는 MT 에어로스페이스(아우크스부르크, 독일)가 신형 로켓 연료 탱크용 소재 및 제조 방법을 개발하고 시험 중입니다. NCC 스페이스탱크 프로젝트는 영국을 이 분야의 핵심 플레이어로 끌어올릴 것으로 기대됩니다.

데모스트레이터 사양: 750mm 길이, 450mm 직경, 96리터 용량

NCC가 제작한 스페이스탱크 데모스트레이터는 길이 750mm, 직경 450mm, 유체 저장 용량 96리터 이상입니다. 공칭 벽 두께 4.0~5.5mm로 설계·제작되어 85바의 가압 추진제를 견딜 수 있습니다. 탄소섬유 복합소재 주체는 8kg의 재료 질량을 가지지만, NCC에 따르면 모든 엔지니어링 구조물과 마찬가지로 스페이스탱크도 이 중량 감소를 더욱 최적화할 기회가 있습니다. 또한 더 높은 강도의 탄소섬유 사용과 복합소재 두께 증가를 통해 스페이스탱크의 내압 등급을 높일 수 있습니다. 반대로 훨씬 낮은 압력 용도에는 더 얇고 낮은 강성의 복합소재를 사용하여 중량과 비용에 최적화할 수도 있습니다.

혁신적 툴링: 금속 유체 밸브 포트 동시 결합, 수용성 코어 활용

스페이스탱크 프로젝트 동안 NCC 팀은 세척 가능한 툴에 금속 유체 밸브 포트를 포함하는 혁신적인 방법을 개발하여 최종 제품에 필요한 2차 조립 및 접착 작업을 없앴습니다. 이 유체 밸브 포트는 새로운 툴링에 고정되어 제조 공정 후기에 탄소섬유와 동시 결합(co-bonded)되도록 했습니다.

탱크 주체는 SHD 컴포지트(SHD Composites, 미국 노스캐롤라이나주 무어스빌)가 공급한 MTC510 에폭시 탄소섬유 프리프레그를 300mm 테이프 폭으로 사용했습니다. MTC510은 80°C~120°C에서 경화하도록 특별히 설계된 에폭시 수지 시스템으로, 내손상성을 높이기 위해 터프닝(toughened) 처리되었습니다.

이 소재는 바인데텍스(Bindatex, 영국 볼턴)가 스페이스탱크 제조 공정을 위해 준비했으며, NCC의 코리올리스(Coriolis, 프랑스 케벤) 자동 섬유 배치(AFP) 제조 셀에서 사용하기 위해 6.35mm 폭으로 정밀 슬리팅하여 약 22,000미터(약 72,178피트)를 NCC 요구사항에 맞게 준비했습니다.

슬릿 테이프는 코리올리스 AFP 시스템의 장력 필라멘트 와인딩 작업을 사용하여 세척 가능한 툴링에 적층되었습니다. NCC 엔지니어들이 머티리얼즈 캐드윈드(Material's Cadwind, 벨기에 브뤼셀) 필라멘트 와인딩 소프트웨어를 사용하여 설계한 헬리컬(helical) 및 후프(hoop) 와인딩 조합으로 24층 이상을 공칭 5.5mm 두께로 적층했습니다. 여기서 사용된 두께와 와인딩 방향/각도는 시연용일 뿐이며, NCC는 특정 압력이나 하중 요구사항에 맞게 복합소재 벽 두께를 늘리거나 줄이고 와인딩 각도와 적층 구조를 변경하여 탱크를 완전히 최적화할 수 있습니다.

소재 적층 직후 NCC 스페이스탱크는 결함과 두께 변이에 대해 검사되었습니다. 이후 100°C에서 오토클레이브 경화하고 경화 후 재검사했습니다. 초음파 C-스캐닝과 열화상 비파괴 시험(NDT) 기법을 경화 후 사용하여 향후 탱크의 박리 및 기공 같은 결함 검사에 대한 적합성을 비교·대조했습니다. 마지막으로 NDT 품질 평가를 완료한 후 내부 툴링 코어를 가압 냉수로 세척하여 내부 탱크 캐비티를 비웠습니다.

수용성 코어 툴링 기술 개발: 에어로컨설턴츠와 협력

NCC에 따르면 라이너리스 스페이스탱크용 툴링 기술이 어려워 에어로컨설턴츠(AeroConsultants, 영국 헌팅던)와 협력하여 아쿠아(Aqua) 수용성 코어 소재를 사용한 주조 공정을 개발했습니다. 완성된 툴은 공칭 30mm 벽 두께의 중앙 메일 코어를 가지며 두 부분으로 주조된 후 접합되었습니다. 툴에는 자동 복합소재 적층 시 예상되는 비틀림 하중과 오토클레이브 경화 시 가해지는 압력을 견디도록 설계·제작된 3개의 (세척 가능한) 내부 보강 링이 있습니다.

NCC의 이 시연은 영국 내 미래 추진제 탱크 개발을 위한 연구 기반을 제공하며, 복합소재 탱크 제조를 위한 최첨단 부품 및 장비의 새로운 영국 공급망을 지원하는 데 기여합니다.

영국 우주 경제 5% 점유율 확대 목표, 일자리 창출 효과도

이 분야의 향후 연구 활동도 영국의 글로벌 우주 경제 5% 점유율 증대를 지원할 것으로 보입니다. 2021년 5월 영국 정부 보고서에 따르면 영국의 우주 산업 수입은 2016/2017년 148억 파운드에서 2018/2019년 164억 파운드로 증가했습니다. 영국 우주국 요약 보고서는 지난 2년(2019~2021) 동안 영국 우주 부문에서 3,000개 이상의 일자리가 창출되었음을 강조했습니다.