발사체 페어링에 사용되는 섬유 복합재료의 현황과 개발 동향은 무엇입니까?
위성 페어링은 발사체의 가장 중요한 구성 요소 중 하나로서 우수한 공기 역학적 형태, 가벼운 구조 질량 및 안정적인 분리 능력을 갖추고 있습니다. 주요 기능은 발사 전 및 비행 중에 발사체의 공기 역학적 형태를 유지하고, 외부 자연 환경과 공기 역학적 침식의 영향으로부터 내부 페이로드를 보호하고, 대기권을 벗어난 후 로켓에서 안정적으로 분리하는 것입니다. 그림 1은 분리 상태의 발사체 페어링을 보여줍니다. 페어링은 발사체 전면에 위치하여 대기 탈출 시 열 부식으로부터 발사체 내부의 위성 및 기타 정밀 기기를 보호합니다. 발사체가 대기권을 벗어나면 페어링은 더 이상 그 목적을 달성하지 못하며, 이 시점에서 로켓의 무게를 줄이기 위해 페어링이 발사체에서 분리됩니다. 페어링 내부 페이로드와 분리 전 외부 세계 간의 데이터 전송을 보장하기 위해 페어링에는 일반적으로 전자기파 전송 기능이 있습니다. 현재 국내외 위성 페어링은 주로 금속 리벳 구조와 복합 재료 구조의 두 가지 범주로 분류됩니다. 금속 리벳 구조물은 일반적으로 알루미늄 합금을 사용하는 반면, 복합 재료 구조물은 전파 전달 기능이 있는 수지-기반 섬유 복합 재료를 사용합니다. 수지- 기반 섬유 복합 재료로 설계 및 제조된 페어링은 구조적 무게를 효과적으로 20%-30% 줄여 로켓 탑재량 용량을 늘리고 동일한 탑재량에서 엔진 연료 소비를 줄여 로켓 발사 비용을 낮출 수 있습니다. 또한 수지- 기반 섬유 복합 재료는 금속 재료보다 설계 유연성이 뛰어나 통합 설계 및 제조가 가능하고 구조 부품 수를 줄이고 구조 신뢰성을 향상시킵니다. 수지 기반 섬유복합재료의 우수한 내식성, 내습열성, 내방사선성, 내피로성은 페어링 구조의 수명을 연장시켜 페어링 회복을 가능하게 합니다.
2.1 패널 재료 패널 구조는 페어링의 공기역학적 형태를 제공합니다. 패널 소재는 수지- 기반의 섬유복합재료로 매트릭스재와 보강재로 구성되어 있습니다. 수지- 기반 섬유 복합 재료는 가볍고, 높은-강도와 내열-을 가지며 설계 유연성이 뛰어나고 넓은 범위에 걸쳐 파동{7}}투과 기능을 구현할 수 있어 페어링에 이상적인 재료입니다. 이 장에서는 국내 및 국제적으로 일반적으로 사용되는 섬유 및 수지{9}} 기반 페어링 재료를 검토합니다.
2.1.1 섬유 재료 수지- 기반 섬유 복합재는 높은 비강도 및 높은 비계수와 같은 장점을 가지고 있습니다. 국내외 페어링 패널에 일반적으로 사용되는 고성능{3}}보강 재료에는 탄소 섬유, 유리 섬유 및 아라미드 섬유가 포함됩니다.
탄소 섬유는 높은 축 강도 및 계수, 낮은 밀도, 크리프 없음, 우수한 피로 저항, 낮은 열팽창 계수, 우수한 전기 전도성 및 전자파 차폐 성능을 비롯한 많은 우수한 특성을 보유하고 있습니다. 항공우주 분야에서 널리 사용되어 왔습니다.유리섬유파-투명 페어링 스킨에 가장 일반적으로 사용되는 보강재로 고강도, 우수한 유전 특성, 낮은 흡습성, 치수 안정성 등의 장점을 가지고 있습니다. 석영유리섬유모든 유리 섬유 중 최고의 유전 특성을 갖고 있어 넓은 주파수 대역에 걸쳐 본질적으로 변하지 않고 유지되어 페어링에서 광대역 파동 전송이 가능합니다. 또한, 석영 섬유는 고온에서 탁월한 파동 전달 성능을 나타내며, 현재 해외의 가장 진보된 페어링에서는 석영 섬유를 보강재로 활용하고 있습니다. 아라미드 섬유는 하이-기술 특수섬유로 고강도, 고모듈러스, 우수한 내열성, 난연성을 갖고 있어 아라미드 방탄조끼, 헬멧 등 항공우주용 응용분야에 사용됩니다. 그러나 아라미드 섬유의 흡습성 특성은 유전 특성에 영향을 미쳐 파{4}}투명 페어링에서의 적용이 제한됩니다.
2.1.2 수지 재료 페어링은 일반적으로 에폭시 수지(EP), 비스말레이미드 수지(BMI) 및 시아네이트 에스테르 수지(CE) 등을 포함한 고성능 열경화성 수지를 패널 매트릭스 재료로 사용합니다. 에폭시 수지는 가장 일반적으로 사용되는 수지 재료입니다. 우수한 열역학적 특성, 강력한 가공성, 우수한 전기적 특성을 자랑하여 복합수지 매트릭스의 필수 소재입니다. 그러나 에폭시 수지는 내충격성이 낮고 습하고 뜨거운 조건에서 기계적 특성이 크게 저하되는 문제가 있습니다. 최근 몇 년 동안 연구자들은 인성과 내열성을 향상시키기 위해 에폭시 시스템에 유연한 그룹을 추가하는 데 중점을 두었습니다. 비스말레이미드(BMI) 수지는 방향족 폴리이미드 소재로서 우수한 고온 및 저온 저항성, 높은 강도 및 모듈러스, 낮은 열팽창 계수, 낮은 유전율 및 손실, 낮은 진공 휘발성 물질 및 낮은 휘발성 응축물을 보유하고 있습니다. 또한 가공 용이성 등 에폭시 수지와 유사한 장점을 공유하며 항공우주 분야에서 널리 사용됩니다. 그러나 녹는점이 높고 용해도가 낮으며 취성이 높다는 단점이 있습니다. 시아네이트 에스테르 수지(CE)는 1980년대에 개발된 새로운 유형의 수지입니다. 낮은 유전율, 높은 내열성, 습열에 강한 특성을 갖고 있으며 주로 고성능 인쇄회로기판 및 고성능 투명 구조재료에 사용됩니다.- 단점은 취성이 높고 경화 후 인성이 낮다는 점입니다. 수지 시스템의 인성을 높이기 위해 BMI와 CE는 일반적으로 강화된 변형 혼합 수지 시스템을 복합 재료 매트릭스로 사용합니다. 수정된 BMI 및 CE 수지 시스템은 습기와 유전 특성에 대한 탁월한 저항성을 보장하면서 구조물의 충격 강도를 향상시킬 수 있습니다.
2.2 샌드위치 재료 페어링 샌드위치 구조는 패널 재료를 지지하는 역할을 하며 그 성능 매개변수는 위성 페어링의 파동-전송 섹션의 기계적 특성에 큰 영향을 미칩니다. 샌드위치 재료는 저밀도, 높은 압축 계수, 높은 전단 계수, 높은 굴곡 강도 및 우수한 유전 특성과 같은 요구 사항을 충족해야 합니다. 이러한 요구 사항을 충족하는 주요 페어링 샌드위치 재료는 다음과 같습니다.유리섬유벌집, 알루미늄 벌집, Nomex 종이 벌집 및 PMI(폴리메틸 메타크릴레이트) 폼 벌집.
유리 섬유 벌집은 무게 감소 효과가 미미하고 기계적 특성이 좋지 않습니다. 항공 우주 분야에서는 Nomex 종이 벌집과 PMI 폼 벌집이 점차적으로 대체되었습니다. 알루미늄 허니컴과 탄소 섬유 패널의 조합은 전기화학적 부식을 일으킬 수 있어 우주선의 가혹한 환경에서 복합 재료의 내식성 요구 사항을 충족하지 못합니다. Nomex 종이 허니컴은 페놀 수지가 함침된 아라미드로 만들어지며 Nomex 허니컴과 탄소 섬유 패널의 조합은 전기 화학적 부식을 일으키지 않으며 PMI 경질 폼보다 전단 계수가 높고 비용이 저렴하며 가공성이 좋으며 동체, 커넥터 및 기타 부품에 널리 사용되므로 항공 우주 분야에서 널리 사용됩니다. PMI 폼 샌드위치 구조는 다른 허니컴 샌드위치 구조에 비해 많은 기계적 특성이 우수하며-강성이 높은 견고한 구조입니다. 인장 강도가 0.5MPa를 초과하고 밀도가 100kg/m3 미만이며 열 변형 온도가 240도에 달하는 PMI는 EP, BMI, CE 등 열경화성 수지와 우수한 계면 결합 강도를 나타냅니다. 샌드위치 구조이기 때문에 패널 인터페이스에서 이탈되기 쉽습니다. 또한 PMI 구조는 탁월한 파동 전송 성능을 제공하므로 부하 요구 사항을 충족하면서 광대역 파동 전송이 가능합니다. 해외에서는 페어링에 널리 사용되며, 국내에서는 주로 민간항공기의 구조부품에 사용됩니다. 차세대 발사체-Long March 3A 시리즈-는 페어링 전면 콘에 국내 생산 PMI 샌드위치 구조를 채택하여 위성 발사 비용을 절감하고 광범위한 응용 가능성을 보여주었습니다.
국내 페어링 소재 개발 현황
중국의 발사체 및 기타 우주선용 페어링의 향후 개발 요구 사항을 충족하기 위해 중국의 다양한 대학 및 연구 기관에서는 섬유 복합 재료를 수정하여 고성능, 저비용-섬유 복합 재료를 설계하고 개발하는 데 주력해 왔습니다. 이로 인해 발사체의 우주 접근 능력이 향상되고 발사 주기와 비용이 절감되었습니다.
발사체 페어링용 수지{0}} 기반 재료 연구에서 Yang Shiyong et al. 중국과학원 화학연구소에서는 316도에 견디는 1세대, 371도에 견디는 2세대, 426도에 견디는 3세대를 포함한 일련의 폴리이미드 수지 매트릭스를 개발했습니다. 또한 그들은 진공 오토클레이브 기술, 진공 고온-RTM 기술, 반응성 핫 몰딩 기술을 포함하여 고온 저항성 탄소 섬유 강화 수지 매트릭스 복합재를 위한 다양한 성형 방법을 개발했습니다. He Guowen은 폴리이미드 복합재의 준비 및 계면 결합 강도에 대한 현미경 분석 연구를 수행하여 항공기 페어링에 폴리이미드 복합재를 적용하는 데 참고 자료를 제공했습니다. 길림 대학교의 Rao Xianhua는 고성능{10}}페닐아세틸렌-종단 폴리이미드 수지 매트릭스와 탄소 섬유 복합재에 대한 연구를 수행하여 고온 저항성 폴리이미드 탄소 섬유 복합재 페어링 개발의 지평을 넓혔습니다. 항공우주 재료 및 공정 연구소는 최대 370도 온도에서 장기간 사용할 수 있는 석영{14}강화 폴리이미드 복합 재료를 개발했습니다.{15}} 이 재료는 또한 낮은 유전 상수 및 유전 손실, 안정적인 성능, 탁월한 유전 및 기계적 특성을 나타내어 파동-투명/고{19}}내하중- 기능성 소재로 적합한 후보입니다. Zhang Xinget al. 유리 섬유 패널-아라미드 종이 벌집 샌드위치 구조를 사용하여 완전 파동-투명 위성 페어링을 설계했습니다. 실험 결과, 평균 90% 전방향 전파 전송률로 고효율{26}}파 전송 기능을 달성하는 것으로 확인되었습니다. 중량이 20% 이상 감소하더라도 하중-은 여전히 설계 요구 사항을 충족하여 비행 테스트에서 검증된 경량, 고하중 지지력 및 전방향 파동 전송 기능을 달성합니다. Harbin FRP 연구소의 Qu Guangyan은 고강도-탄소 섬유 복합 재료 공동 경화 공정을 사용하여 경량, 고강도 및 두께-제어가 가능한 복합 재료 페어링 구조를 설계했습니다. 이는 대규모 통합 성형 기술로 인해 발생하는 금형 설계 문제를 극복합니다. 고강도-탄소 섬유 복합 재료 페어링은 공기역학적 형태를 유지하는 동시에 큰 치수를 보장하여 외부 환경 영향으로부터 내부 페이로드를 보호합니다.
해외 페어링 소재 개발 현황
미국은 발사체 페어링 재료의 설계 및 제조 분야에서 가장 앞선 기술을 자랑합니다. 페어링 재료에는 무기 재료와 유기 재료가 모두 포함되며 성형 공정에는 진공 포장, 성형 및 주조가 포함됩니다. 미국은 실제-테스트를 위한 풍동 기술뿐만 아니라 포괄적인 페어링 성능 테스트 및 실험 방법을 보유하고 있습니다. 1970년대에 미국은 Duroid 5870 복합 재료를 개발하고 페어링 열 부하, 고온 전기 특성, 절제 및 비 침식 저항에 대한 테스트를 완료했습니다. 또한 전기 성능 테스트를 위한 자동화된 페어링 테스트 장비도 개발했습니다. 현재 고온 저항성 유기 수지- 기반 복합 재료(HTTPMC) 시스템에서는 미국에서 개발된 PI 수지(PMR{15}}15 및 PMR{18}}50)가 항공우주 산업의 기초 소재로 자리잡아 대형 구조 부품에 PI 복합 재료 적용을 크게 촉진하고 비용을 절감하고 있습니다. 석영 섬유의 우수한 유전 특성은 광대역 파동 전송을 촉진하며 현재 대부분의 외국 발사체 페어링은 석영 섬유 복합 재료로 만들어집니다. 미국에서는 작동 온도가 538도를 초과하는 석영 섬유 강화 PI 수지 복합 페어링 구조를 개발했습니다. 러시아는 세계 최고의-복합재료 제조 기술을 보유하고 있습니다. 첨단 내열성 소재를 개발 및 적용하는 동시에 광대역 페어링 및 전자기/적외선 듀얼 모드 페어링에 적합한 새로운 복합 소재도 개발했습니다. 동시에 페어링의 구조적, 전기적 성능 설계에 중점을 두고 페어링 가공 및 제조 기술에 대한 연구를 강화하고 있습니다. 러시아가 개발한 변성 페놀 수지는 최대 작동 온도 600도에서 매우 높은 수준의 가공 및 파동 전송 성능을 달성했으며 광대역 페어링에 성공적으로 적용되었습니다.
