IIAMS 윙 박스: 인증 로드맵

그림 7 "시제품 개조 인증 프로세스"로 FTB#2 아우터 윙 포함. 사진 제공: "Airbus Defense and Space as Clean Sky Partnership의 구조 레이더 연구" by 마누엘 이글레시아스 바예호(Manuel Iglesias Vallejo), 루벤 테헤리나 에르난스(Rubén Tejerina Hernanz), 안토니오 히메네스(Antonio Jiménez) 외, 에어버스 디펜스 앤 스페이스, 제8회 유럽 항공우주과학 컨퍼런스(EUCASS), 2019년 7월 1~4일.

에어버스 DS, FTB#2, 미래 터보프롭 항공기

에어버스 디펜스 앤 스페이스(Airbus DS, 스페인 카디스)는 EADS CASA로 클린 스카이 EU 연구기술 프로그램에 참여했습니다. 1923년 스페인 헤타페에서 콘스트루시오네스 아에로나우티카스 SA(Construcciones Aeronáuticas SA)로 설립된 CASA는 항공기 생산 오랜 역사를 가지며 에어버스 컨소시엄 창립 멤버 중 하나입니다. 제2 거점은 1926년 카디스에 설립됐으며, 22개 항공기 모델과 에어버스·유로파이터 군용기, 에어버스·보잉 상용 항공기용 부품을 생산해 왔습니다.

클린 스카이 1은 7개 프로젝트 영역 — 6개 통합 기술 시연자(ITD)와 기술 평가자 — 로 구성됩니다. 각 2개 산업체가 공동 리드하는 ITD들이 항공 수송 각 부문을 다룹니다.

클린 스카이 2는 9개 프로젝트 영역 — 3개 혁신 항공기 시연 플랫폼(IADP), 3개 ITD, 2개 횡단 활동, 기술 평가자 — 로 구성됩니다.

https://www.cleansky.eu/discover

 

에어버스 DS는 원조 클린 스카이 프로그램(2008~2017)에서 그린 리저널 에어크래프트(GRA) ITD 공동 리더에서, 후속 클린 스카이 2(2014~2024)에서 에어프레임 ITD 공동 리더이자 비행 시험대 2(FTB#2) 리더로, 리저널 통합 항공기 시연 플랫폼(IADP) 내에서 발전했습니다.

A.E. 히메네스 가헤테(A.E. Jiménez Gahete, 에어버스 DS 구조·설계·엔지니어링·기술 국)가 2020년 9월 Materiales Compuestos 기사 "건식 파이버 적층과 액체 수지 인퓨전으로 제조된 에어버스 디펜스 앤 스페이스 고통합 윙 박스 섹션"에서 FTB#2 개발을 설명합니다. 이 클린 스카이 2 에어버스 DS 작업은 미래 군용 수송기 또는 상용 리저널 터보프롭 항공기에 적용될 것입니다. 주요 목표 중 하나는 FTB#2 외부 윙 개발로, OOA 복합소재 1차 구조물인 통합 보강 열가소성 복합소재 상부 윙 박스 커버와 건식 파이버 테이프 AFP와 액체 수지 인퓨전으로 원피스 원샷 제작된 윙 박스를 포함합니다.

후자가 바로 MTorres가 클린 스카이 2 IIAMS 프로젝트에서 개발·생산한 구조물로, CompositesWorld 2020년 3월 기사 "OOA 인퓨전 윙 박스 발전"에 기술되어 있습니다. 특히 이 윙 박스는 하부 스킨, 전방·후방 스파를 통합하지만 상부 스킨은 포함하지 않습니다. 아래 로드맵 그림들에서 상부 스킨이 열가소성 복합소재임이 명확해집니다.

FTB#2 외부 윙 목표와 배경

"미래 항공기 설계는 전 생애주기에 더 많은 에코 효율성을 요구합니다." 가헤테가 말합니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

• 부품 생산 에너지 절감
• 1차 소재 스크랩 감소
• 제조 액체와 부자재 소비 감소
• 재활용성 증대

이런 개선점들이 FTB#2 외부 윙 구조 설계와 생산 공정 개발의 핵심 요소였으며, 중량 10% 감축, 제조비 절감, 생산 효율 증대 목표와 함께 추진되었습니다.

열가소성 복합소재 와 수지 인퓨전 둘 다 FTB#2 외부 윙에서 핵심 역할을 합니다. 인시츄 통합(ISC) 열가소성 복합소재(TPC)와 건식 파이버/수지 인퓨전으로 대형 1차 구조물을 OOA로 기존 오토클레이브 공정 대비 저비용 제조 가능. 열가소성 용접과 고통합 원샷 인퓨전 구조물로 조립, 기계적 패스너, 패스너용 가공, 검사 공정 영향도 저감.

인퓨전 기술 개발은 클린 스카이 2에서 GRA, ECO-DESIGN, APOLO, CERTERIN 같은 이전 클린 스카이 프로젝트들에서 시작되었습니다. 한편 ISC TPC는 ICARO, TARGET, ECO-DESIGN, 그린 리저널 에어크래프트-경량화(GRA-LW) 같은 클린 스카이 프로젝트들에서 성숙되어 클린 스카이 2 FTB#2 비행 시연기에 포함될 수 있게 되었습니다.

그림 10. 시험 피라미드. 사진 제공: "건식 파이버 적층과 액체 수지 인퓨전으로 제조된 에어버스 디펜스 앤 스페이스 고통합 윙 박스 섹션," A.E. 히메네스 가헤테, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, 2020년 9월.

FTB#2 외부 윙 인증

가헤테 설명대로 "에어버스 DS는 쿠폰부터 아우터 윙 풀스케일 구조 시험까지 에어프레임 구조 시험 피라미드 전 단계를 단계별로 밟고 있습니다." 헥셀 하이테이프(Hexcel HiTape), UD 210g/m², 12.7mm 폭, 양면 열가소성 베일 V800E(면당 베일 중량 4g/m²), 헥셀 헥스플로(Hexcel HexFlow) RTM6 180°C 경화 에폭시 수지 인퓨전으로 소재 특성 완전 평가 완료. 단방향·다각도 물성 포함. 시험 결과 이 소재는 강성 면에서 잘 수행하나 헥셀 헥스플라이(HexPly) M21E 에폭시 프레프레그(헥셀 헥스토 IMA 중간 탄소섬유 사용, 에어버스 A350 윙 스킨·스파·센터 윙 박스 제조용) 대비 강도 면에서는 덜 우수. 준등방 라미네이트는 동등 기준 대비 양호한 결과.

가헤테는 소재 특성용 쿠폰 외에 설계 허용치 확보용 디테일·패널 서브컴포넌트 시험에 앞서, 제조 시연기로 "선택된 제조 공정으로 어떤 설계 특징을 구현할 수 있는지 검증"했다고 설명합니다. 데모1(DEMO1)은 가변 두께 스킨 섹션, 리브 보강재 있는 J-스파, 스킨과 J-스파 플랜지에 통합된 2개 스트링거 포함. 데모2(DEMO2) — 3m 길이 × 0.86m 폭 × 3.44m 높이 — 는 FTB#2 아우터 윙 박스 전체 치수 시뮬레이션, 5개 스트링거 포함. 가헤테는 몇 차례 반복 공정 조정을 거쳐 구조 부품 시험에서 성공적 결과 도출했다고 언급.

그림 9. FTB#2 아우터 윙 개발 시험 매트릭스. 사진 제공: 가헤테, Materiales Compuestos Vol. 4, No. 4, pp. 19-26, 2020년 9월.

설계 디테일 시험 매트릭스도 완료, 낙뢰, 스트링거 런아웃, 스트링거 크리플링 시험(좌굴·파단 평가) 포함. 서브컴포넌트 패널 시험도 긍정적 결과로 완료. 가헤테에 따르면 쿠폰부터 서브컴포넌트까지 시험 피라미드 전 단계 성공적 완료로, 이제 아우터 윙 풀스케일 정적·기능 시험만 남아 FTB#2 비행 자격 획득 예정. 이 시험들은 2021년 말까지 완료 계획.

FTB#2의 더 큰 범위 기술 개발 일환

외부 윙 박스는 에어버스 DS가 FTB#2에 공급하는 한 부분일 뿐입니다. 2019년 논문 "에어버스 디펜스 앤 스페이스의 구조 레이더 연구, 클린 스카이 파트너십"에서 설명한 다른 구조 시연기들 — 에어버스 DS 작성, 유럽 항공우주과학 컨퍼런스(EUCASS) 2019 출판 — 에는 MT1/MT2 콕핏(아래 이미지 참조, 고구조 통합으로 중량·비용 절감), 모핑 기능 윙 전연, 윙렛과 모핑 플랩 포함 풀 외부 윙이 포함됩니다. (후자는 CIRA-이탈리아 항공우주연구센터의 에어 그린 2 프로젝트로 발전 중.)

아래 그림은 클린 스카이(CS1)와 클린 스카이 2(CS2) 내 다양한 에어버스 DS 연구들을 광범위한 기술 포트폴리오 일환으로 보여줍니다.

EUCASS 논문에서 설명하듯 이 연구 프로젝트들은 복합소재 기술 발전뿐 아니라 금속 신기술, 적층 제조, 툴링, 수리 분야 신개발도 이끌었습니다:

• 고통합 1차 구조
  • 원샷 공동 경화 보강 다기능 이중곡면 솔리드 라미네이트
  • 액체 수지 인퓨전(LRI)으로 벌크 프레임 고통합
    • 솔리드 라미네이트(하부 포머 FR-9)
    • 보강 샌드위치(전방 압력 격벽 FR-1)
    • FTB#2 윙 박스 하부 스킨과 스파
  • 열가소성 인시츄 통합(ISC)으로 고통합
    • 저곡률(MT1/MT2 FR-4; FTB#2 외부 윙 박스 상부 스킨)
    • 열가소성 연속 성형(스트링거)
    • 고/이중 곡률(전연, 카울링)
  • 핫 스탬핑 경량 합금 시트로 동체 프레임/윙 리브 제작
• 2차 구조: 저비용 TPC와 ALM(적층 제조) 창문 프레임
• 툴링 기술: 저비용 복합소재와 ALM
• 수리·정비
  • 고통합 곡면 보강 스킨 표준 수리(프레프레그)
  • 열가소성 ISC 공동 압착·용접
  • RTM-LRI 구조 아이템
    • 프레프레그 패치 적용
    • 드라이 소재 패치 + 수지 주입
  • 외부 다기능 레이어 고정용 수지 주입

지그리스(Jig-less) 조립도 반복 강조되었으며, EUCASS 논문에 나열된 다음과 같은 신규 4.0 디지털 시스템과 시험 기술 성숙도 추진:

• 간섭계(DIC)
  • 다중 임팩트 중에너지 시험
  • 진동 시험
• 열화상
  • NDT 적용
  • 고온 환경 구조 거동
• SHM 센서와 계측 기술
  • 광섬유 FBG(파이버 브래그 그레이팅)
  • OBR(광 후방산란 반사계)
  • MEMS(단일 칩에 전기·기계 부품 결합 마이크로 전기기계 시스템)
• p-U 음향(압력-속도 기반 인시츄 흡수 측정법)

인증을 위한 협력적 EU 프레임워크

EUCASS와 가헤테 논문의 마지막 주석은 NLR(네덜란드 항공우주센터), 에어본(Airborne, 네덜란드 헤이그), 아플러스 래버러토리스(Applus+ Laboratories, 스페인 바르셀로나), MTorres(스페인 토레스 데 엘로르츠), FIDAMC(스페인 헤타페) 등 주요 에어버스 DS 파트너들의 긴밀한 협력과 성과에 공을 돌립니다. FIDAMC는 "복합소재 기술과 제조 공정 개발에 모든 면에서 상당히 관여해 왔다"고 설명됩니다.

저는 헤타페 에어버스 엔지니어들의 활동과 출판물을 주시해 왔고 FIDAMC 등의 ISC TPC 작업에 대해 써왔습니다. CW도 클린 스카이 프로젝트 기사들에서 에어버스 DS 리더십을 다뤘습니다. 하지만 지금까지 에어버스 DS 전략이 얼마나 장기적이고 계획적인지, 클린 스카이 프로그램 참여와 기여를 얼마나 극대화해 왔는지 이해하지 못했습니다. 새로운 콕핏과 윙 시연기 개발 과정에서 인증 기반을 다지는 접근은 완벽하게 타당합니다. CW는 클린 스카이 2 다기능 동체 시연기(MFFD)에서 토픽 리더 에어버스 독일이 같은 접근을 추구하는 것도 다뤘습니다. 그 경우 저융점 폴리아릴에테르케톤(LM PAEK) 용접부의 완전 특성화가 서브프로젝트 메카테스터(MECATESTERS) 내에서 달성될 예정입니다.

이 리포트에 나온 에어버스 DS 로드맵들과 구조 기술 레이더 그림은 유럽 항공·항공복합소재 산업이 미래를 위해 어떻게 협력해 준비하고 있는지 보여주는 또 다른 사례입니다. 클린 스카이 2는 유럽 항공·항공복합소재 산업에 야심찬 비전과 명확한 목표 달성을 위한 자금 지원 프레임워크를 제공하며 계속 성공하고 있습니다. 이 작업은 산업이 전기화, 수소, 대체 연료로 기후변화 극복을 향해 피벗하는 데도 도움이 될 것이며, 항공과 복합소재 둘 다 핵심 역할을 할 것입니다.