영하 196도 끄떡없다…우주발사체부품 극저온 내압 성공

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 정부출연연구원과 대학·기업으로 구성된 국내 연구진이 우주발사체용 3D프린팅 부품에 대한 세계 최고수준의 '극저온 내압 시험'에 성공했다.

한국생산기술연구원(생기원)은 3D프린팅 기술로 제작한 대형 티타늄 합금(Ti64) 용기가 영하 196도의 액체질소로 냉각한 극저온 조건에서 330bar의 고압을 견뎌냈다고 12일 밝혔다.

이 재료는 한국항공우주연구원, 케이피항공산업, 에이엠솔루션즈, 한양대학교가 공동연구를 통해 개발한 대형 금속 압력용기다. 이번 극저온 환경에서 고압조건의 내압시험 성공은 세계 처음이다.

우주발사체나 위성에 탑재되는 고압용기는 액체연료와 추진제의 저장·공급, 자세제어용 가스의 고압상태를 유지하기 위한 핵심부품이다. 고강도면서 가볍고 추진제 탱크의 극저온 환경에서 안정적 성능의 유지가 필요해 티타늄 합금이 주요 소재로 활용된다.

하지만 티타늄 합금용기를 기존 주조 및 단조방식으로 제작할 경우 대형제품 제작 시 소재 수급이 어렵고 설계상 제약 때문에 비용과 납기가 늘어나는 문제가 있다.

문제해결을 위해 공동연구팀은 형상과 크기에 제약 없는 맞춤형 생산체계를 구현해 소재 효율성을 높이고 후처리 공정과 제작비용을 줄일 수 있는 적층제조 공정을 도입했다.  

이 과정에서 생기원 3D프린팅제조혁신센터 이협 수석연구원 연구팀은 레이저 및 금속 와이어를 사용하는 DED(Directed Energy Deposition) 방식의 적층제조 공정으로 직경 640㎜, 크기 130ℓ급 티타늄 합금 고압용기를 제작했다.

연구팀은 공정 중 실시간 모니터링을 통해 적층품질을 정밀하게 제어하고 구조 특성과 열변형을 반영한 적층경로 최적화 기법으로 대형 용기의 형상 정밀도와 기계적 물성을 동시에 확보했다.

이어 두개의 반구형 티타늄 부품을 각각 적층 제조한 후 열처리-정밀 가공-용접 공정을 순차 적용해 우주환경에서의 부품 요구 품질을 만족하는 일체형 고압용기를 완성했다.

항공우주연구원은 극저온 시험을 주관, 용기내부를 영하 196도의 액체질소로 냉각한 뒤 330bar의 입증 압력까지 단계적으로 가압하는 방식으로 내압 성능을 평가했다.

용기표면에 부착된 변형률 센서와 온도센서, 영상시스템을 활용해  정밀 계측한 결과 구조 해석 수치와 일치하는 용기성능을 기록한 것으로 나타났다. 

항공연구원 김현준 책임연구원은 "공동연구팀과 지속적으로 협력해 운용압에서 반복 가압시험을 진행해 우주부품으로 활용할 수 있도록 추가 인증을 추진할 계획"이라고 말했다.

생기원 이협 수석연구원은 "실증을 통해 실제 운용조건을 모사한 극저온 및 고압조건에서도 대형 적층제조 구조물의 신뢰성을 확보할 수 있음을 입증했다"며 "다양한 우주항공 분야에 적층제조 기술을 적극 활용할 수 있는 기반을 구축했다는 데 의미가 있다"고 밝혔다.


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