STUNNING 프로젝트, 8.5m 열가소성 동체 스킨 달성으로 지속 가능한 항공기 설계 진전

EU 클린 스카이 2(Clean Sky 2) 이니셔티브의 일환으로 항공우주 산업은 알루미늄에서 탄소 섬유 강화 복합소재로의 전환을 통해 항공기 구조를 개선하고 배출량을 크게 줄이는 등 지속 가능성으로의 비행 경로를 모색하고 있다. 2017년 시작된 클린 스카이 2 다기능 동체 데몬스트레이터(MFFD)는 이러한 프로그램 중 하나로, 수십 개의 개별 프로젝트와 작업 패키지로 구성된다(자세한 내용은 "MFFD용 LM PAEK 용접 검증" 참조). 특히, STUNNING(SmarT mUlti-fuNctionNal and INtegrated thermoplastic fuselaGe) 프로젝트는 MFFD의 하부 동체 섹션 개발을 목표로 하며, 최근 자동화된 섬유 배치(AFP)를 통해 열가소성 소재로 만든 8.5미터 길이의 동체 스킨을 제작했다(아래 동영상 참조).

STUNNING은 GKN 포커(GKN Fokker, 네덜란드 파펜드레흐트)가 주도하며 주요 파트너로 디엘 에비에이션(Diehl Aviation, 독일 라우프하임), 네덜란드 항공우주 센터(NLR, 네덜란드 암스테르담), 델프트 공과대학(TU Delft, 네덜란드 델프트)이 참여한다. 이 프로젝트는 자동화된 조립 공정, 열가소성 제조 및 용접 기술, 통합 설계 및 제조 개발, 첨단 전기 시스템 아키텍처의 성숙도를 더욱 높이는 것을 목표로 한다.

"유럽 항공우주 산업의 약 절반이 MFFD 프로젝트에 참여하고 있을 것입니다. 우리는 지속 가능성을 염두에 두고 다양한 제조 기술과 소재를 깊이 연구하고 있습니다."라고 NLR 선임 R&D 복합소재 엔지니어 요아힘 드 크루익(Joachim de Kruijk)은 설명한다. "다양한 제조 옵션과 소재를 연구하면서, 우리는 차세대 열가소성 소재를 활용하는 것이 더 지속 가능한 동체 구조를 달성하는 최선의 방법이라고 믿습니다. 이러한 소재가 제조 접근 방식과 설계 기술의 변화를 가능하게 하여 훨씬 더 가벼운 항공기를 만들 수 있으며, 이는 연료 소비 감소와 CO₂ 및 NOₓ 배출 저감을 의미하면서 기존 알루미늄 항공기에서 기대하는 강도와 안전성을 유지할 수 있습니다."

에어버스 A350 XWB와 보잉 787 드림라이너 같은 많은 현대 항공기가 이미 부품, 브라켓, 심지어 동체 스킨 제작에 열경화성 복합소재를 사용하고 있다고 클린 스카이는 지적한다. 그러나 STUNNING 프로젝트에서는 GKN 포커와 NLR 전문가들이 항공기 대형 구조 부품의 고생산 속도를 위한 제조 설계(DFM) 임무를 맡았다.

"열가소성 소재가 제조 및 조립 공정에서 제공하는 진정한 개선점 중 하나는, 열경화성 수지와 달리 이 소재를 여러 번 가열하고 재가열하여 균일성과 접착을 보장할 수 있다는 점입니다."라고 드 크루익은 설명한다. "STUNNING에서 우리의 목표 중 하나는 다양한 공정을 결합하여 구조적 및 비구조적 부품을 완전 통합하여 제작하는 방법을 보여주는 것이었습니다. 이를 위해 우리는 동체 전체 하단 절반을 제작하여 항공기 스킨 제조 가능성뿐만 아니라 스킨 아래 보강재(스트링거), 플로어 빔 같은 다른 구조 부품, 객실 부품, 시스템, 화물 도어까지 통찰력을 얻고자 했습니다."

이러한 높은 목표를 염두에 두고 협력자들은 동체에 통합될 수많은 부품과 구조물을 제작하기 위해 다양한 제조 기술을 테스트했다. NLR에게 이는 자체 보유한 최첨단 AFP 머신으로 가장 큰 부품인 동체 구조물 하부 제작 능력을 테스트하는 것을 의미했다. NLR은 목표를 달성했다고 보고했는데, 동체 스킨 하단 절반(단일 부품, 길이 8.5미터, 직경 4미터)을 제작했으며, 이는 지금까지 제작된 가장 큰 단일 열가소성 부품으로 알려졌다.

이는 작은 성과가 아니라고 클린 스카이는 말한다. 열경화성 복합소재가 항공기 제작에 점점 더 사용되고 있지만, 대형 열가소성 부품은 이 분야에 비교적 새롭기 때문에 비용이 조금 더 들 수 있다. 하지만 드 크루익에 따르면 이는 표면적 가치일 뿐, 이점이 가격을 훨씬 상회한다.

"열가소성은 열경화성 수지보다 약간 비쌉니다. 신소재이고 그 특성 때문입니다. 하지만 새로운 소재 사용을 가치 있게 만드는 여러 차별화 요소가 있습니다. 예를 들어, 열가소성은 더 강한 매트릭스 소재이고 충격 손상에 대한 내성이 더 좋아 조금 더 가볍습니다. 이는 중요합니다."라고 드 크루익은 설명한다. "그 이상으로, 이 소재가 제조에 사용되는 방식이 있습니다. 열가소성 다양한 부품이나 조각을 연결하려면 소재를 가열하여 용접하기만 하면 됩니다. 이는 기존 항공기를 결합하는 수십만 개의 패스너를 없애는 것을 의미하며, 이는 의심할 여지 없이 무게에서 극적인 절감으로 이어질 것입니다."

NLR이 연구 임무를 맡은 또 다른 주제는 열가소성으로 제작된 항공기의 검사, 유지보수, 수리 방법이다. 현재 항공기 대형 복합소재 부품 사용이 다소 제한적이어서 검사, 유지보수, 수리 가능성에 대한 데이터와 관행이 훨씬 적다.

"현재 우리는 열화상과 전단학(shearography) 같은 여러 비파괴 검사(NDI) 기술 개발에 힘쓰고 있지만, 이 기술은 아직 성숙 중입니다. 현재는 초음파 검사를 사용하여 결함과 문제를 확인하지만, 이는 시간이 오래 걸리는 과정일 수 있습니다."라고 드 크루익은 제안한다. "하지만 기존 항공기의 현재 검사와 유지보수도 느립니다. 열가소성은 재가열과 용접이 가능하기 때문에 기존 항공기보다 유지보수를 훨씬 더 빠르게 할 수 있습니다. 전체 구조의 모든 리벳을 개별적으로 수작업으로 확인하지 않아도 되는 시간을 상상해 보세요."

최종 스킨 크기 때문에 두 세그먼트로 제작되었다. 두 번째 90도 하부 동체 스킨 세그먼트 적층이 완료됨에 따라 다음 단계는 두 90도 세그먼트를 통합하고 180도 동체 스킨 세그먼트로 결합하는 것이다. 이를 위해서는 과대형 부품을 장착하고 가열하여 결합할 수 있는 매우 큰 오토클레이브가 필요하다고 보고되었다. 네덜란드에 그런 오토클레이브가 없어 두 절반은 독일로 가서 통합된다. 이 공정은 6월 말 예정이었다.

"6월에 이 두 동체 조각 연결을 추진할 수 있다고 가정하면, 여름까지 통합된 스킨이 NLR로 돌아와 상세 NDI 공정을 시작하여 성공을 검증하고 완전한 하부 동체 스킨의 품질을 철저히 확립할 수 있을 것으로 기대합니다."라고 드 크루익은 설명한다. "그 후 GKN 포커 파트너들에게 보내 STUNNING 프로젝트에서 개발된 다양한 부품을 완전히 조립하고 통합할 것입니다."

MFFD 프로젝트 전체 요약은 "다기능 동체 데몬스트레이터(MFFD) 전진" 참조. 유도 용접에 대한 자세한 내용은 GKN 포커가 발표한 웨비나 참조.

이 프로젝트는 EU의 호라이즌 2020 연구 및 혁신 프로그램과 클린 스카이 2 JU 회원들의 지원으로 클린 스카이 2 공동 수행 기구(JU)의 보조금 협정 번호 945583에 따라 자금을 지원받았습니다.