복합 소재가 우주 탐사를 어떻게 형성했는가

2019년 7월 20일은 최초 아폴로 달 착륙 50주년이었다. 아폴로 캡슐 제작 당시 복합재 산업은 아직 유아기였고 소재가 널리 사용되지 않았지만, 아폴로 캡슐은 에이브코트(Avcoat) 형태의 초기 복합 기술을 사용했다. 이는 실리카 섬유가 포함된 에폭시 노볼락 수지를 유리 섬유-페놀 허니컴 매트릭스에 사용한 소멸성 열 차폐체였다. 유리 섬유 허니컴이 1차 구조에 접착되고 페이스트형 소재가 각 셀에 개별 주입되었다. 아폴로 이후 첨단 복합재는 비약적으로 발전했으며 발사체, 우주 왕복선, 위성, 우주 망원경, 국제 우주 정거장 등 우주 프로그램에서 중요한 역할을 해왔다.

오늘날 인류는 우주 탐사에서 흥미진진한 새로운 단계에 직면해 있다. 현 행정부는 2024년까지 미국 우주비행사 달 복귀를 요구하고 NASA(미국 워싱턴 DC) 인간 우주 탐사 프로그램에 2021년 예산 250억 달러 이상 발표. NASA 행정관 짐 브라이든스타인은 이 예산이 "NASA 역사상 가장 강력한 예산 중 하나"라고 말했다.

또 다른 달 탐사 외에도 NASA는 태양에서 최외곽 행성 얼음 위성까지 태양계 연구를 위한 현재 및 향후 미션 수행 중. 태양 탐사 미션 진행 중: 작성 시점 파커 솔라 프로브가 태양 대류권 모니터링 중, 솔라 오비터 성공적 발사. 외계 행성 및 먼 은하 탐사를 위해 트랜시팅 외계 행성 탐사 위성(TESS) 미션과 제임스 웹 우주 망원경 노력 중, 후자는 작년 발사 준비에 큰 진전.

국가/국제 우주 기관 간 협력 증가와 상업 기업으로 신규 우주선 및 프로그램도 최근 탄생. 예: 스페이스X(미국 캘리포니아주 호손) 크루 드래곤 우주선, 보잉 스페이스 앤 런치(미국 버지니아주 알링턴) 스타라이너 우주선이 2011년 7월 우주 왕복선 프로그램 중단 후 최초 미국 유인 우주 비행 경쟁 중. 두 회사 NASA와 시험 비행 수행 중, 2021년 유인 미션 희망.

NASA 우주 프로그램 지원 증가부터 상업 우주 폭발적 성장까지 인류는 진정한 다음 위대한 우주 시대 직면에 있는 듯. 복합재와 첨단 소재는 이 모든 탐사를 가능하게 하는 발사체, 우주선, 기기 제조에서 점점 더 큰 역할 담당.

달

인간 달 복귀 거대 프로그램은 그리스 달과 사냥의 여신, 아폴로의 쌍둥이 자매 아르테미스에서 명명 - 프로그램 범위 방대. 아르테미스는 달 궤도 기지 구축하여 우주비행사들이 달 추가 탐사뿐만 아니라 화성 최종 미션 전초 기지로 달 활용 가능하게 함. 여러 프로젝트가 아르테미스 프로그램 구성: 신형 대형 발사 시스템 스페이스 론치 시스템(SLS), 오리온 유인 우주선, 달 궤도 우주 정거장 게이트웨이, 달 착륙선. 첨단 복합재가 이 모든 구성 요소에 어떤 방식으로든 적용.

대형 발사체

SLS 로켓 단계 선적 준비 중. 출처 | NASA

스페이스 론치 시스템(SLS)

NASA 신형 대형 발사체는 지구 궤도 너머 탐사 목표. 2015년 NASA 전기임팩트(미국 워싱턴주 무킬테오) 자동 섬유 배치(AFP) 머신 투자, 탄소 섬유 스킨에 알루미늄 허니컴 코어 샌드위치 구조로 직경 8m 이상 대형 로켓 부품 제조. AFP 헤드는 최대 16개 탄소 섬유 스풀 보유, 정밀 패턴으로 툴링 표면에 섬유 배치해 다양한 형상/크기 구조물 형성하는 21피트 로봇 팔 끝에 위치.

유사 샌드위치 구조는 RUAG 스페이스(미국 앨라배마주 디케이터)가 수동 적층 공정으로 제작. 다이나믹스(미국 앨라배마주 헌츠빌)와 SLS 상단 단계를 오리온 유인 모듈과 연결할 유니버설 스테이지 어댑터(USA) 협업. RUAG 스페이스는 어댑터 8.4m 직경 셸 제조, 4개 복합 허니컴 코어 쿼터 패널 핫 본딩으로 결합(자세히 알아보기).

오리온 다목적 유인 우주선

록히드 마틴(미국 메릴랜드주 베데스다) 제조 커맨드 모듈과 유럽 우주국(ESA, 프랑스 파리) 제공, 에어버스 디펜스 앤 스페이스(독일 오토브룬) 제조 서비스 모듈로 구성, 오리온은 아르테미스 프로그램 핵심으로 우주비행사 우주 수송, 우주 여행 중 탐사 차량 역할, 승무원 지구 귀환 담당.

오리온 추진 시스템에는 에어로제트 로켓다인(미국 캘리포니아주 새크라멘토) 제조 다수 구성 요소 포함: 자사 R-4D 엔진 패밀리 기반 8개 110파운드 추력 바이프로펠런트 보조 엔진. 에어로제트 로켓다인은 발사 중단 시스템(LAS) 제트슨 모터와 우주선용 복합 오버랩 압력 용기도 제공. 2020년 초 에어로제트 로켓다인 탄소 섬유 와인딩 머신 설치로 고체 로켓 모터 케이스 생산(자세히 알아보기).

재진입용 오리온은 록히드 마틴 제조 5m 직경 탄소 섬유 열 차폐체 사용, 탄소 섬유 스킨과 티타늄 허니컴 코어 샌드위치 구조. 열 차폐체는 아폴로 미션에 사용된 동일 소멸성 소재 에이브코트 패널로 덮임(자세히 알아보기).

티타늄 볼트로 열 차폐체에 부착된 4개 소멸성 소재 압축 패드(커맨드 모듈-서비스 모듈 연결 지점). 압축 패드는 발사 및 상승 중 구조 하중, 분리 시 파이로 쇼크(폭발 볼트) 저항 필요. 재진입 고온 저항 및 소멸 요건도 충족해야. 최초 오리온 시험 비행체에는 탄소 섬유/페놀 패드 사용했으나 비행 후 층간 크랙 증거 보여 3D 직조 솔루션 3D 다기능 소멸 TPS(3D-MAT)로 교체. 발리 리본 밀스(미국 펜실베이니아주 발리) 3D 직조 석영 소재와 토레이 첨단 복합재 시아네이트 에스테르 수지 시스템 사용(자세히 알아보기).

달 궤도 플랫폼-게이트웨이(LOP-G)

게이트웨이는 러시아, 캐나다, 일본, 유럽 우주국 등 국제 파트너들과 NASA가 개발 중인 달 궤도 우주 정거장. 게이트웨이 역할은 달 탐사 지원 및 화성 최종 미션 전초 기지 역할. 다양한 스테이션 모듈 개발 중, 어떤 방식으로든 복합 소재 활용 예상.

공군 연구소(AFRL, 미국 오하이오주 데이턴)와 디플로야블 스페이스 시스템즈가 고변형 복합재(HSC) 사용 롤아웃 솔라 어레이(ROSA) 개발, 게이트웨이 프로그램 사용 예정. HSC는 얇고 가벼운 복합 소재로 소형 패키지에 들어가 전개 시 펼쳐짐. ROSA 시스템은 두 탄소 섬유 HSC 붐으로 대형 솔라 어레이 블랭크 롤아웃 및 텐션(자세히 알아보기).

게이트웨이 또 다른 잠재 기여는 캐나다암-3. 캐나다 우주국(캐나다 퀘벡 롱게일) 제안, 탄소 섬유 복합재로 제작된 8.5m 로봇 팔. 이전 캐나다암 시스템은 우주 왕복선과 국제 우주 정거장(ISS)에서 사용.

달 착륙선

수많은 기업이 아르테미스용 달 착륙 시스템 컨셉 작업 중, 모두 복합 소재 잠재력 포함. 예: 블루 오리진(미국 워싱턴주 켄트)이 록히드 마틴, 노스롭 그루만(미국 버지니아주 폴스 처치), 드레이퍼(미국 매사추세츠주 케임브리지)와 3단계 달 착륙 시스템 제안: 블루 오리진 블루 문 달 착륙선, 노스롭 그루만 제공 '전달 요소' 차량으로 착륙 시스템 달 궤도 위치, 록히드 마틴 제공 '상승 요소' 차량으로 우주비행사 달 표면에서 달 궤도 복귀. 드레이퍼가 하강 유도 시스템과 비행 항공전자 제공. 보잉, 다이나믹스, 스페이스X, 시에라 네바다 코퍼레이션(미국 콜로라도주 루이빌, 위스콘신주 매디슨) 등 여러 기업도 달 착륙선 컨셉 작업 중.

유인 달 착륙선 외에도 NASA는 다양한 과학 조사와 대형 기술 시연 탑재체 위해 소형 및 중형 달 착륙선 필요 예상.

아르테미스 우주복

2019년 10월 NASA 새로운 우주복 디자인 2종 공개 - 새로운 탐사 외부 활동 이동 유닛(xEMU)과 오리온 승무원 생존 시스템(OCSS) 슈트 - 둘 다 아르테미스 프로그램 달 미션 사용 예정.

xEMU 슈트는 현재 외부 활동(EVA)용 슈트 대비 크게 개선된 이동 범위 제공한다고 보고됨. NASA 우주복 제조 오랜 관계사 ILC 도버(미국 델라웨어주 프레데리카)에 따르면 xEMU 슈트는 2016년 NASA 납품된 Z-2로 알려진 선진 보행 슈트 업데이트.

"2016년부터 ILC 도버는 보행 슈트뿐만 아니라 무중력 슈트와 발사 진입 슈트 설계 지속 개선해왔다"고 ILC 도버 제품 마케팅 댄 클롭은 말한다.

Z-2 우주복 프로토타입은 디자인에 탄소/에폭시 토르소와 힙 요소 특징(자세히 알아보기: "화성에서, 그저 그런 슈트로는 안 된다"에서 복합재 우주복 사용 참조).

NASA OCSS 우주복은 오리온 승무원용 가압 발사 및 진입 슈트로 설계. NASA가 새 디자인 소재 세부 사항 미공개지만 상당량 복합재 관여 확실. 왕복선 시대 발사/진입 슈트 외부 층에 듀폰(미국 버지니아주 리치먼드) 난연 메타-아라미드 노멕스 사용. 이전 외부 활동 이동 유닛(EMU)들은 노멕스, 듀폰 개발 파라-아라미드 케블라, W.L. 고어 어소시에이츠(미국 델라웨어주 뉴어크) 제조 방수 투습 직물 멤브레인 고어텍스 조합 사용(자세히 알아보기).

화성

아르테미스 이니셔티브 큰 부분은 인간 화성 송출 무대 설정. 한편 NASA는 올 여름 무인 화성 미션도 작업 중, 새로운 로봇 로버와 로봇 탐사 헬리콥터 레드 플래닛에 구축.

캡슐형 에어로셸이 화성 2020 로버 화성 대기 진입 및 착륙 중 보호. 에어로셸은 탄소 섬유 스킨에 알루미늄 허니컴. 열 차폐체는 타일형 페놀 함침 카본 에이블레이터(PICA) 열 보호 시스템 사용.

화성 2020 로버 자체 약 10피트 길이, 9피트 폭, 7피트 높이(3m×2.7m×2.2m). NASA 로버 제작 소재 세부 사항 미공개지만 어드밴스드 복합재 트레이닝(ACT, 캐나다 온타리오주 런던)이 NASA 제트 추진 연구소(JPL, 미국 캘리포니아주 패서디나) 로버 제작용 복합 소재 사용 자문 역할 수행(자세히 알아보기).

2,314파운드(1,050kg) 무게로 평균 소형차보다 가벼움. 레드 플래닛 여정 위해 가볍고 내구성 있어야 하며 카메라, 과학 기기, 화성 헬리콥터(또 다른 복합재 집약적 기체) 탑재 위해 충분히 강해야 함.

화성 헬리콥터는 1,500개 이상 개별 탄소 섬유, 비행 등급 알루미늄, 실리콘, 구리, 포일, 폼 조각으로 구성, 무게 4파운드(1.8kg) 이하(자세히 알아보기).

태양

태양 이해 향상과 궁극적으로 지상 전기 시스템, 위성 통신, GPS 영향 태양 폭풍 예측 목표로 두 미션 진행 중.

파커 솔라 프로브

파커 솔라 프로브 2018년 8월 발사, 태양 코로나와 태양풍 연구 위해 현장 측정 및 이미징 수행. 이 영역 극한 온도 견디기 위해 4.5인치 두께 경량 반사 차폐체 사용. 이 열 보호 시스템(TPS)은 두 탄소 라미네이트 사이 탄소 섬유 복합 폼 샌드위치, 태양 면 백색 세라믹 페인트 코팅. 차폐체 존스 홉킨스 응용 물리학 연구소(미국 메릴랜드주 로렐) 설계, 카본-카본 어드밴스드 테크놀로지스(미국 텍사스주 케네데일) 제작.

프로브 대부분 기기 차폐체 뒤에 숨겨지고 열 차폐체 에지 센서가 우주선 정확한 위치 유지. 태양광 어레이는 차폐체 그림자로 수축 가능 보호. 간단한 냉각 시스템(약 1갤런 물 순환)으로 태양광 어레이와 기기 냉각.

2019년 1월 NASA 보고: 파커 솔라 프로브 4번째 태양 근접 접근(페리헬리온) 후 설계대로 작동. 차폐체 TPS 신기록 온도 1,134°F(612°C) 도달, 이 보호 열 차폐체 뒤 우주선과 기기는 약 85°F(30°C) 유지. 2024-25년 우주선 가장 가까운 3개 페리헬리온에서 TPS 약 2,500°F(1,370°C) 온도 예상.

솔라 오비터

솔라 오비터, 유럽 우주국(ESA)과 NASA 협력 미션, 2020년 2월 발사. 오비터는 독특한 궤적으로 기기 포괄적 세트가 태양 극 최초 이미지 제공 예정.

우주선은 다양한 기기용 개구부 있는 탄소 섬유 복합재/티타늄 층 태양 차폐체로 보호. 324파운드 열 차폐체 최대 970°F(521°C) 견디며 0.05mm 두께 티타늄 포일로 열 반사. 차폐체는 2.94×2.56m 지지 패널로 지지, 약 5cm 두께 경량 알루미늄 허니컴에 고열전도도 탄소 섬유 스킨 2개. 다층 단열재로 추가 보호, 572°F(300°C) 견딤. 솔라 오비터 열 차폐체는 얇은 검은 칼슘 인산염 층 코팅.

태양계 너머

2019년 8월 노스롭 그루만 레돈도 비치(미국 캘리포니아주) 시설 엔지니어들, 제임스 웹 우주 망원경(JWST) 광학 망원경 요소(거울과 과학 기기 포함)와 우주선 요소(JWST 선실드와 우주선 결합)가 처음으로 기계적 결합. 두 망원경 구성 요소 개별 테스트되었으나 두 절반이 단일 관측소로 결합된 최초 이정표. 웹이 2021년 계획 발사 향해 인치 전진 중 중요 이정표.

JWST는 역대 가장 강력하고 복잡한 우주 망원경 - 허블 망원경 100배 강력. 적외선 빛으로 우주 탐사 설계, 천문학자들 우주 가장 먼 천체 관측 가능, 먼 별, 외계 행성, 최초 형성 은하 이미지 제공. 망원경은 복합재가 위성과 우주선을 어떻게 가능하게 하는지 흥미진진한 예시.

망원경 플랫폼은 3대 주요 구성 요소 - 광학 망원경 요소(OTE), 통합 과학 기기 모듈(ISIM), 우주선 요소(SCE)(우주선 버스와 테니스 코트 크기 선실드 포함).

JWST는 망원경 거울, 기기, 기타 요소 - 총 2,400kg 이상(2.5톤) 하드웨어 지지용 탄소 섬유 백플레인 사용. 구조는 장시간 광 수집 중 망원경 안정 유지 책임. 백플레인은 -406°F~ -343°F(-243°C~ -208°C) 극한 온도에도 38나노미터 초과 변형 불가.

백플레인은 토레이 첨단 복합재 제공 탄소 섬유와 헥셀(미국 코네티컷주 스탬포드) 시아네이트 에스테르 수지 프리프레그로 제작. 구조는 10,000개 이상 경량 탄소 섬유 복합 부품 포함. 전체 백플레인 구조는 센터 섹션, 윙 어셈블리, 백플레인 지지 고정구(BSF) 포함, 완전 전개 시 약 24피트 높이×19.5피트 폭×11피트 이상 깊이(7.3×5.9×3.4m). 무게 2,180파운드(989kg)지만 7,300파운드(3,311kg) 이상 기기 지지 - 자체 무게 300% 이상 탑재량.

주 거울과 백플레인 구조 외 JWST OTE에는 전개 타워 어셈블리(DTA), 보조 거울 지지 구조, 망원경 과학 기기 및 냉각 시스템 하우징 ISIM 프레임워크 포함. 이 구조들은 토레이 첨단 복합재 초고모듈러스 탄소 섬유와 시아네이트 에스테르 수지 프리프레그로 제작.

"이 소재들은 매우 좋은 광학 벤치 소재다"며 토레이 제품 매니저 숀 존슨은 말한다. "UHM 섬유 높은 강성이 매우 안정적 구조 제공, 일정 감쇠 제공. JWST가 겪을 저온에서 매우 좋다."

SCE(우주선 버스)도 토레이 탄소 섬유 복합재로 제작, 우주선 추진, 관측소 지원 시스템, 태양광, 능동 냉각 시스템, 통신 하우징. 버스는 발사 중 관측소 지지하며 45톤 힘에 해당하는 힘 동시에 견뎌야 함.

2019년 10월 JWST 선실드 전개 테스트 성공적 통과, 현재 2021년 발사 예정(자세히 알아보기).

거대한 도약

향후 몇 년이 우주 탐사 완전히 새로운 시대 무대 설정. 이 새로운 황금 시대에 필요한 우주선과 시스템 계속 진화함에 따라 복합재 공급업체와 제조업체들은 소재와 기술을 새로운 한계로 끊임없이 도전받을 것.