현재 복합재료는 금속 재료, 고분자 재료, 무기 비금속 재료와 함께 4대 재료 시스템 중 하나가 되었습니다.- 한 나라의 복합재료 산업 수준은 그 나라의 과학, 기술, 경제력을 가늠하는 핵심 지표가 되었습니다. 첨단 복합재료는 국가 안보와 경제를 위한 경쟁 우위의 원천입니다. 2020년에는 복합재료만이 20~25%의 성능 향상을 달성할 수 있을 것으로 예상됩니다.
1. 항공기 동체 구조의 응용
고급 복합 재료는 1차 하중-지탱 구조 및 2차 하중-지지 구조를 제조하는 데 사용되며, 알루미늄 합금과 비슷하거나 그 이상의 강성과 강도를 제공합니다. 이러한 재료는 이제 항공기 동체 구조물 및 소형 무인 항공기(UAV) 통합 구조물 제조에 널리 적용됩니다. 미국은 전투기와 전투기에 복합재를 광범위하게 채택했습니다. 1960년대에 미국은 처음으로 군용 항공기의 기내 도어, 접근 패널, 페어링 및 제어 표면(예: 에일러론 및 방향타)과 같은 구성 요소에 저부하 또는 비-하중- 요구 사항을 갖는 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP)을 활용했습니다. 1980년대 초반까지 복합재는 F-15, F-16, F-18, Mirage 2000 및 Mirage 4000과 같은 항공기에서 볼 수 있듯이 수직 및 수평 안정 장치(2차 하중-}베어링 구조)와 같은 꼬리 구성 요소로 발전했습니다. 이 단계 동안 복합재 사용은 제한적이었습니다. 1980년대 후반까지 4세대 전투기는 F-22 및 F-35 JSF는 날개 및 동체와 같은 주요 하중 지지 구조물에 복합재를 통합하기 시작하여 군용 항공기에 복합재를 통합하는 작업을 가속화했습니다. 복합재료의 사용은 계속 증가하여(표 1-2), 현재 현대 군용 항공기 구조 질량의 20~50%를 차지합니다.
영국 회사인 ICI는 전투기용 밸브를 생산하기 위해 GF/PA(유리 섬유{0}}강화 폴리아미드)를 사용하여 이러한 밸브가 넓은 온도 범위에서 연료에 장기간 노출된 후에도 성능과 치수 안정성을 유지하도록 보장했습니다. Du Pont는 또한 GF, KF/PA, PPS(폴리페닐렌 설파이드)와 같은 재료를 사용하여 군용 항공기 부품을 제조했습니다.
4세대-F/A{10}}22 전투기를 예로 들면 복합재는 구조재 중 24.2%를 차지합니다. 이 중 열경화성 복합재는 23.8%를 차지하고, 열가소성 복합재는 약 0.4%를 차지합니다. 열경화성 복합재의 약 70%는 비스말레이미드(BMI) 수지를 기반으로 하며 200가지 이상의 복잡한 부품을 생산하는 데 사용됩니다. 나머지 열경화성 재료는 주로 에폭시 수지- 기반 복합재로 구성되며, 추가적으로 시아네이트 에스테르 및 열가소성 수지- 기반 복합재도 사용됩니다. 주요 응용 분야에는 날개, 동체 중앙 스킨, 프레임 및 꼬리 부분이 포함됩니다.
군용 회전익기 역시 복합재를 광범위하게 활용합니다. 예를 들어, V-22 Osprey 틸트로터 항공기는 동체, 날개, 꼬리 및 회전 메커니즘을 포함하여 구조 질량의 40% 이상에 복합재를 사용하여 총 3,000kg이 넘는 복합재를 사용합니다. 최신 유럽 유로콥터 타이거(Eurocopter Tiger) 공격 헬리콥터는 구조 부품의 80%가 복합 재료로 되어 있어 완전 복합 기체 기체에 가깝습니다. 이와 대조적으로 군용 수송 항공기는 더 적은 복합재-C-17을 8%로 사용하고 C-130J는 2%만 사용합니다. 하지만 Airbus A400M 군용 수송기는 완전 복합재 날개를 통합하며 복합재는 비어 있을 때 구조 질량의 35%를 차지합니다.
민간 항공 분야에서 1980년대 초반 미국이 제작한 단일{3}}단일{11}}조종사 Star舟 경비행기는 구조 질량이 약 1,800kg이고 복합재의 무게는 1,200kg을 초과했습니다. 구조의 90% 이상이 탄소 섬유 복합재로 만들어진 1986년 Voyager 경비행기는-9일 동안 연속으로 세계 일주를-무착륙으로 비행한 세계 기록을 세웠습니다. 오늘날 거대 항공우주 기업인 보잉(Boeing)과 에어버스(Airbus) 간의 경쟁은 복합 재료 사용 증가에 중점을 두고 더욱 심화되었습니다(그림 1-2).
최초의{0}}복합재료 787 항공기 동체를 생산하기 위해 Boeing은 Raytheon에서 사용하는 것과 유사한 섬유 배치 방법을 채택했습니다. 이 프로세스를 통해 길이 7m, 너비 6m의 복합 동체 구성 요소가 만들어졌습니다. 이 구조는 거대한 회전 맨드릴에 AFP(Automatic Fiber Placement) 기술을 사용하여 제조되었습니다. 맨드릴은 동체 스트링거와 롱론의 모양과 치수와 일치하는 홈으로 미리 가공되었습니다. 미리 성형된 스트링거와 빔(탄소 섬유 프리프레그 층으로 제작되고 압력{9}} 경화됨)을 권취하기 전에 이러한 홈에 배치했습니다. 생산 중에 맨드릴은 축을 따라 회전하여 금형에 섬유를 연속적으로 감아 동체 껍질을 형성하고 창 개구부는 그대로 두었습니다. 그런 다음 빔 및 스트링거와 함께 동체 쉘을 오토클레이브 처리하여{12}}모놀리식 복합 동체 섹션을 만들었고 나중에 최종 제품으로 탈형했습니다.
Boeing 787의 복합 동체 부분은 세계 최대의 필라멘트-권선형 동체 구성 요소일 뿐만 아니라 지금까지 생산된 탄소 섬유 압력 용기 중 가장 큰 것으로 인정받고 있습니다. 복합 소재의 뛰어난 인장/후프 강도 덕분에 기존 항공기의 일반적인 7,000~9,000피트에 비해 고도 6,000피트(1,830미터)의 고도에 해당하는 내부 압력을 유지하면서 더 높은 기내 압력을 견딜 수 있어-승객의 편안함이 크게 향상되었습니다. 또한 복합재는 부식(금속 기체의 주요 약점)에 저항하여 기내 습도를 10~15%(금속 동체의 경우 5~10%)로 안정적으로 유지하여 편안함을 더욱 향상시킵니다.
복합 기술의 영향력이 커짐에 따라 Airbus는 A-350을 완전히 재설계하여 A-350 XWB(Extra Wide Body)로 이름을 변경했습니다. 항공기는 복합 재료 사용량을 원래 40%에서 52%로 늘렸습니다. A-350 XWB의 동체는 787보다 13cm 더 넓어 고밀도 레이아웃에서 9좌석 구성을 가능하게 합니다(787의 최대 8좌석과 비교). 787과 마찬가지로 A-350 XWB는 6,000피트에 해당하는 고도에서 객실 압력을 유지합니다.
2013년 6월 14일, Airbus는 새로운 광동체 A350 XWB 항공기의 첫 비행을 성공적으로 수행하여 Boeing의 B-787 "Dreamliner"에 이어 글로벌 항공 산업에 또 다른 이정표를 세웠습니다. A350 XWB와 B-787은 각각 52%와 50% 복합재료를 사용하여 항공우주 복합재료 개발의 새로운 시대를 의미합니다.
세계 최대 항공기인 555-좌석 A-380은 탄소섬유강화플라스틱(CFRP)을 광범위하게 활용하여 항공 역사상 획기적인 업적을 달성했습니다. 복합 재료는 항공기 질량의 25%를 구성하며, 22%는 CFRP이고 3%는 GLARE 섬유 금속 라미네이트(알루미늄과 유리 섬유 복합 재료의 적층 하이브리드)이며, 후자는 민간 항공기에 처음으로 사용됩니다. CFRP 구성 요소에는 속도 브레이크, 수직 및 수평 안정판(연료 탱크 역할도 함), 엘리베이터, 에일러론, 플랩 스포일러, 랜딩 기어 도어, 페어링, 수직 꼬리 핀 상자, 상부 객실 바닥 빔, 후면 압력 격벽, 후면 동체 섹션, 수평 안정판 및 에일러론이 포함됩니다.
A-340이 용골 빔과 복합 후방 압력 격벽에 탄소 섬유를 선구적으로 사용한 후-전통적인 설계 장벽을 깨뜨렸습니다-A-380은 중앙 날개 상자(날개를 동체에 연결)에 CFRP를 채택하여 엔지니어링 표준에 더욱 도전했습니다. 이 혁신만으로도 고급 알루미늄 합금에 비해 무게가 1.5미터톤 감소했습니다. CFRP의 경량화는 피로 및 내부식성과 결합되어 경쟁 모델에 비해 연비를 13% 개선하고 배기가스 배출을 줄였습니다. A-380은 승객당 100km당 3리터 미만의 연료를 달성한 최초의 장거리 항공기가 되었으며, 운영 비용은 당시 가장 효율적인 항공기보다 15~20% 낮았습니다.
Dassault Aviation의 Falcon 7X 비즈니스 제트기는 12,000m에서 최대 속도 마하 0.8로 순항할 수 있으며 8명의 승객을 수용하고 10,560km(5,700해리)의 항속 거리를 자랑합니다. Raytheon의 Beechcraft Premier 1 경량 제트기는 순항 속도 835km/h에 도달하고 항속 거리는 2,759km-두 가지 모두 첨단 전체-복합 동체를 갖추고 있습니다.
일본의 새로운 수송기인 ALELEX에도 상당한 탄소 섬유 복합재가 포함되어 있습니다.
중국은 또한 항공기 설계 및 생산에 복합재료를 광범위하게 활용해 왔습니다. 예를 들어 베이징 항공 제조 기술 연구소에서 개발 및 제조한 QY8911/HT3 비스말레이미드 단방향 탄소 섬유 프리프레그 및 복합 재료는 항공기의 전방 동체 부분, 수직 꼬리 안정 장치, 외부 날개 패널, 스포일러 및 유선형 페어링과 같은 구성 요소에 적용되었습니다. 베이징항공재료연구소에서 개발한 PEEK/AS4C 열가소성 수지 단방향 탄소섬유 프리프레그와 복합재료는 탁월한 파괴인성, 내수성, 내노화성, 난연성 및 피로저항성을 나타냅니다. 1차 하중을 지지하는 항공기 구조물 제조에 적합한-이 소재는 120도에서 장기간 작동할 수 있으며{7}}항공기 랜딩 기어 베이 패널의 전면 스킨에 사용되었습니다.
상당한 탄소 섬유 복합 부품을 통합한 중국 군용 항공기 "Flying Leopard"는 전체 길이가 약 22.3m, 날개 길이가 12.7m, 최대 이륙 중량이 28.4톤, 최대 외부 탑재량은 6.5톤, 최고 속도는 마하 1.70, 페리 항속 거리는 약 3,600km입니다. Jaguar, Tornado 및 Su{9}}24 항공기를 능가하는 전투 능력을 갖춘 Flying Leopard는 3세대 전투기와 일치하는 특성을 보여줍니다.
2. 항공기 스텔스에 복합재료 적용
최근 수십 년 동안 ``얇음, 가벼움, 광대역(스펙트럼) 흡수 및 강도(충격 저항, 고온 저항)'' 특성을 향해 진화하는 스텔스 복합 재료 연구에 상당한 진전이 있었습니다. 탄소 섬유-강화 복합 재료는 가볍고 고강도-구조 재료일 뿐만 아니라 중요한 스텔스 기능도 보유하고 있습니다. 예를 들어 CF/PEEK 또는 CF/PPS는 탁월한 광대역 흡수 성능을 발휘하여 레이더파를 효과적으로 흡수합니다. 미국은 F-117과 F-22가 가장 두껍게 코팅된 항공기에서 스텔스 재료 사용을 개척했습니다. F-117의 스텔스 코팅은 최대 7가지 재료를 통합하여 매우 복잡했습니다.
미국 F-22 초음속 전투기의 기본 구조는 중간-모듈러스 탄소 섬유-강화 특수 엔지니어링 플라스틱을 사용합니다. 마찬가지로 Mirage III 전투기의 감속 낙하산 덮개와 방출 시트 구성 요소는 이러한 재료로 만들어졌으며 항공기 리브, 스킨, 커넥터 및 패스너와 같은 레이더{10}흡수 부품에 성공적으로 적용되었습니다. 토마호크 순항 미사일 케이스, B-2 스텔스 폭격기의 기체 기판, F-117A 스텔스 항공기의 섹션에도 탄소 섬유로 수정된 폴리머 레이더 흡수 재료가 사용됩니다.
2000년에 미 공군은 F-117의 스텔스 재료를 업그레이드하여 원래의 7-층 코팅을 단일 재료로 대체했습니다. 이 변경으로 모든 F-117에 걸쳐 유지 관리 절차와 레이더 흡수 재료가 표준화되어 기술 사양이 약 50% 감소했습니다. 업그레이드 후-F-117의 비행 시간당 유지 관리 시간은 절반 이상 단축되었으며 모든 52 F-117s의 연간 유지 관리 비용은 1,450만,690만에서 감소했습니다. F-117과 달리 F-22는 전신 레이더 흡수 코팅을 피하지만 모든 내부 및 외부 금속 부품에 페라이트 레이더 흡수 코팅을 적용합니다. 이 코팅은 내구성과 내마모성이 뛰어나 F-117 시스템에 비해 적용하기 쉽습니다.
전문가들은 2030년대에는 전도성 고분자 전기변색 소재, 하이브리드 반도체 소재, 나노복합체, 지능형 스텔스 기술 등 첨단 복합소재가 항공기에 실질적으로 구현될 것으로 예측하고 있다. 이러한 혁신은 항공 전자 시스템과 항공기 제어 방법론을 근본적으로 변화시킬 수 있습니다.
원천:항공복합재료 및 기계적 해석최하이타오(Haitao Cui) 및 순지강(Zhigang Sun) 저