반 혼 에비에이션, 복합재 항공우주 분야서 틈새 개척

복합재 부품 및 구조물을 제조하는 많은 기업들과 마찬가지로, 반 혼 에비에이션(VHA, 미국 애리조나주 템페)은 복합재에 대한 경험과 지식은 거의 없었지만, 고객 문제 해결을 돕고자 하는 본능적 열망, 배우고자 하는 의지, 회사를 발전시키고자 하는 욕구로 이 소재에 뛰어들었습니다. 아이러니하게도 반 혼 에비에이션의 시작은 프로펠러, 더 정확히 말하면 로터 블레이드였습니다.

짐 반 혼이 2000년 템페에서 회사를 설립했을 때, 그의 사업 계획은 단순했습니다: 여전히 운용 중이지만 더 이상 생산되지 않는 헬리콥터용 교체용 금속 로터 블레이드(테일 및 메인)를 설계하고 제작하는 것이었습니다. 이는 좋은 아이디어처럼 보였습니다. 예를 들어 세계에서 가장 많이 팔린 헬리콥터 중 하나인 벨(미국 텍사스주 포트워스)의 UH-1 휴이는 더 이상 생산되지 않지만, 여전히 수천 대가 운용 중이었습니다. VHA는 이 항공기의 테일 로터 블레이드를 보고 교체품을 설계할 뿐만 아니라 더 나은 교체품을 만들 수 있는 수익성 있는 기회로 보았습니다. 그러나 VHA가 로터 블레이드 설계에 더 많은 시간을 쏟을수록, 진정한 최적의 블레이드 설계에는 복합재 소재 사용이 필요하다는 것이 점점 더 분명해졌습니다.

18년 전 문 연 직후 회사에 합류한 VHA 사장 딘 로젠로프는 "우리는 복합재 경험이 제로였습니다. 우리의 운명을 통제하기 위해 이 역량을 내부화해야 한다는 것을 알았습니다. 설계에 책임을 지는 만큼, 제작에도 책임을 져야 합니다"라고 말합니다.

제작 현장에서

VHA의 사업 전략과 입지를 검토한 후, 로젠로프는 CW를 회사의 생산 현장으로 안내합니다. 이곳에서 회사 직원 28명 중 대부분이 근무합니다. 가는 길에 그는 VHA의 '비결'인 일부 설계 엔지니어들을 가리킵니다. 그는 VHA가 자사 제품을 돋보이게 하는 다양한 설계 파라미터 최적화에 특히 능숙해졌다고 말합니다. 여기에는 양력 및 항력 계수, 피치 모멘트, 진동이 포함됩니다.

헬리콥터 조종사들은 로터 블레이드가 헬리콥터의 작동과 비행에 전달하는 '느낌'에 매우 민감하므로, VHA는 설계 검증을 위해 비행 테스트에 많은 시간을 할애합니다.

"회전하는 블레이드는 장력장, 즉 원심력장입니다"라고 그는 설명합니다. "복합재는 금속 블레이드와 달리 그 장에서 다르게 거동합니다." 사실 헬리콥터 로터 블레이드는 무게가 가벼워질수록 이점을 잃는 세계에서 몇 안 되는 복합재 구조물 중 하나입니다. 로젠로프는 이를 '중량 보거(weight bogey)'라고 부르는데, 충분히 무겁지 않은 로터 블레이드는 전금속 대안과 다르게 거동하기 때문입니다. 이 때문에 VHA의 모든 블레이드는 시스템에 무게를 다시 더하기 위해 과설계됩니다.

그 위에 "항공우주 분야 사람들은 변화를 싫어합니다"라고 그는 말합니다. 즉, 금속 로터 블레이드에서 복합재 로터 블레이드로 전환할 때 이상적으로는 조종사가 익숙한 성능 특성을 보존해야 합니다. 이는 섬세한 균형이지만 VHA가 능숙하게 관리해왔습니다. 그러나 결론은 안전이며, 이 점에서 회사는 탁월했습니다. "테스트 및 개발 중 실패가 더 나은 블레이드 재설계에 도움이 됩니다"라고 로젠로프는 말합니다. "우리는 그걸 잘합니다. 시장에 나갈 때 항공기와 승무원에게 해를 끼치지 않는 것을 최우선으로 하고, 그 다음에 성능 개선을 고려합니다. 그것이 우리의 임무입니다."

투어는 엔지니어들을 떠나 로터 블레이드 생산 구역으로 나옵니다. 많은 복합재 작업장과 마찬가지로 VHA의 제조는 플라이 커팅으로 시작되며, 이는 이스트만 머신(미국 뉴욕주 버팔로)제 3m 길이 자동 평판 커팅 시스템으로 수행됩니다. VHA가 사용하는 대부분의 프리프레그는 도레이카 2510의 단일 방향 버전으로, 도레이의 T700G 12K 토우 탄소 섬유 기반입니다. 로터 블레이드 외층에는 도레이의 T700S 12K 토우 탄소 섬유 기반인 도레이카 2510의 평직 버전을 사용합니다. 로젠로프는 VHA가 2510 프리프레그에 좋은 경험을 가지고 있다고 말합니다. 오토클레이브 내외부에서 가공 가능하며, 도레이에서 상품으로 즉시 공급 가능하고, 섬유 제조사로부터 쉽게 구할 수 있습니다.

테이블에서 나온 플라이는 키팅되어 레이업을 위해 인접한 클린룸으로 준비됩니다. VHA의 모든 로터 블레이드는 샌드위치 구조로, 에보니크 로하셀 폼 코어를 도레이카 UD 플라이가 둘러싸고 있습니다. VHA는 처음에 코어를 자체 가공했지만, 결국 에보니크에 아웃소싱하여 미국 앨라배마주 모바일 시설에서 작업하게 했습니다.

레이업은 수작업으로 수행됩니다. 메인 로터 블레이드는 방 중앙의 대형 복합재 금형에 레이업되고, 테일 로터 블레이드는 입식 작업대에서 배치됩니다. 플라이 배치는 금형의 마크로 안내됩니다. 탄소 섬유가 폼과 직접 접촉하는 영역(더블러, 스파 등)에는 배치를 안내하기 위해 폼에 미리 절개된 리세스 영역이 있습니다. VHA는 모든 로터 블레이드에 콜을 사용하며, 일부 영역에는 에어테크(미국 캘리포니아주 헌팅턴 비치)제 에어패드 미경화 비실리콘 고무를 사용해 압력 콜 시트와 유연한 맨드럴로 성형할 수 있습니다.

VHA가 제조하는 각 로터 블레이드에는 로터 블레이드를 마스트에 부착하기 위한 티타늄 고정구가 포함되며, 이 고정구는 각 레이업의 중요한 부분입니다. VHA가 자체 제작하는 이 고정구는 로터 블레이드 무결성을 유지하기 위해 주변에 추가 플라이 적층이 필요합니다.

완성된 로터 블레이드 레이업은 길이 약 7.3m의 두 오토클레이브 중 하나로 이송됩니다. VHA가 사용하는 도레이카 에폭시 프리프레그는 표준 121°C 경화가 필요합니다.

경화 후 로터 블레이드는 머신 숍으로 이송되어 최종 치수로 트리밍됩니다. 또한 머신 숍에서 VHA는 로터 블레이드에 사용되는 거의 모든 금속 부품(티타늄 고정구, 로터 블레이드 앞전용 니켈 마모 스트립)을 제작합니다. VHA는 수직 CNC 2대, 수평 CNC 2대, 오맥스(미국 워싱턴주 켄트) 워터젯 커터 1대를 운용합니다. CNC 3대는 하스 오토메이션(미국 캘리포니아주 옥스나드) 제품, 1대는 DMG 모리 세이키(일본 나고야) 제품입니다.

마지막으로 VHA는 제작한 로터 블레이드를 엄격하게 테스트하며, 블레이드 밸런스부터 강도 및 강성 특성까지 모든 것을 평가하기 위한 다양한 고정구와 시험기를 보유하고 있습니다. VHA는 자체 벨 206B 헬리콥터를 보유하여 조종사에게 중요한 '느낌'을 포함한 동적 로터 블레이드 특성을 평가합니다.

CW가 비파괴 검사(NDI)에 대해 묻자, 로젠로프는 VHA는 전혀 하지 않는다고 말합니다. "우리는 공정 의존적 품질을 확보합니다"라고 그는 말합니다. "온도, 압력, 시간을 모니터링하며, 이 세 가지가 사양 내에 있는 한 좋은 로터 블레이드를 만들고 있는 것입니다." 로젠로프는 또한 VHA의 공정 및 품질 관리의 많은 부분이 로터 블레이드 상부 표면의 공차에 집중되어 있다고 지적합니다. 이는 로터 블레이드의 '기능적' 측면으로, 로터 블레이드 성능에 가장 중요하기 때문입니다.

다음 단계

VHA의 로터 블레이드 작업은 끝나지 않았습니다. 회사는 이미 트윈 엔진, 2-블레이드 벨 212용 테일 및 메인 로터 블레이드, 트윈 엔진, 4-블레이드 휴이급 벨 412용 신제품을 개발 중입니다. 로젠로프는 VHA가 더 큰 제조 효율을 구축할 수 있는 코큐어링 기술도 개발 중이라고 덧붙입니다.

투어가 마무리되면서 로젠로프는 VHA가 비교적 작은 규모(경영진과 인력 총 30명)임에도 불구하고, 많은 다른 기업들과는 다른 틈새 시장을 만들었으며, 복합재 제조 역량을 대담하고 자신 있게 구현함으로써 이를 달성했다고 말합니다. 이 틈새 시장은 VHA에게 견고하지만, 단순하게 구축된 것은 아니며, 그런 의미에서 충분히 얻은 것입니다. "우리는," 그는 농담조로 말합니다, "18년 된 하룻밤의 성공입니다."