"충돌 각도가 관건"...우주쓰레기 대비 경량소재 규명

경상국립대 임형준 교수 연구팀, 복합재 분야 최상위 국제 학술지 게재

기존 알루미늄·유리섬유 적층재 한계 넘어 탄소섬유 적용 신소재 분석

발사체 형상 영향은 1.7%로 미미, 충돌 각도가 파손 메커니즘 좌우

발사체 형상과 충돌 각도에 따른 CARALL 적층재 손상 및 관통 거동 분석도[사진=경상국립대]]

항공우주 구조물이 비행 중 마주하는 다양한 충돌 상황에서 발사체의 모양보다 '충돌 각도'가 소재의 손상 양상을 결정하는 핵심 요인이라는 사실이 밝혀졌다.

경상국립대학교 항공우주공학부 임형준 교수 연구팀은 탄소섬유강화 알루미늄 적층재(CARALL)의 수직 및 경사 충격 조건 하에서의 탄도 성능을 실험과 수치해석을 통해 규명한 연구 결과를 복합재료 분야 최상위 국제 학술지 'Composites Part B: Engineering'에 발표했다.

논문 제목은 'Investigation of projectile nose shape and impact obliquity on the ballistic performance of carbon reinforced aluminum laminates'다.

그동안 섬유금속적층재(FML)의 탄도 충격 연구는 유리섬유 기반의 'GLARE' 소재를 중심으로 이루어졌다. 그러나 유리섬유와 달리 탄소섬유를 적용한 'CARALL'은 고유의 높은 강성과 강도로 인해 무게를 줄이면서도 뛰어난 탄도 저항 성능을 낼 수 있어 고성능 항공우주 부품의 핵심 신소재로 주목받아 왔다.

연성이 높은 유리섬유와 달리, 강인하지만 취성이 있는 탄소섬유의 특성상 충격 발생 시 섬유 파단 및 국부적 박리 등 완전히 다른 에너지 흡수 메커니즘을 보인다.

연구팀은 실제 비행 환경에서 발생하는 경사 충돌 조건이 이 CARALL 소재에 미치는 영향을 정량적으로 분석하기 위해 연구에 착수했다.

연구팀은 평두(CP) 발사체와 절두원추형(TP) 발사체를 모델로 설정해 연구를 진행했다.

먼저 평두(CP) 발사체를 이용해 최대 191.5 m/s 속도로 1단 가스건 탄도 충격 실험을 수행해 수직 충격 데이터를 확보했다. 이어 절두원추형(TP) 발사체의 탄도 거동을 분석하기 위해 LS-DYNA 하이드로코드를 활용한 유한요소(FE) 해석 모델을 구축했으며, 이를 기반으로 20도에서 80도 범위의 경사 충돌 시뮬레이션을 체계적으로 수행했다.

분석 결과, 수직 충격 시 탄도 한계 속도는 평두(CP) 발사체가 73.7 m/s, 절두원추형(TP) 발사체가 75.0 m/s로 나타났다. 두 발사체의 한계 속도 차이는 단 1.7%에 불과했으며, 이는 CARALL 적층재의 관통 임계값(Perforation threshold)이 발사체의 선단 형상에 취약하게 영향받는다는 점을 시사한다.

즉, 발사체 형상에 무관한 탄도 한계를 지닌다는 뜻이다.

반면 충돌 각도에 따라 손상 메커니즘은 확연히 달라졌다. 40도 미만의 낮은 충돌 각도에서는 구멍이 뚫리는 플러깅, 꽃잎 모양으로 갈라지는 페탈링, 층간 박리가 주요 파손 형태로 관찰됐다.

60도에서 70도 사이의 구간에서는 굽힘과 미끄러짐이 혼합된 거동이 나타났으며, 70도를 초과하는 높은 각도에서는 표면에 의해 제어되는 리코셰(튕겨 나가는 현상) 거동이 지배적이었다.

연구팀은 이번 연구를 통해 CARALL 적층재가 발사체 모양에 구애받지 않는 안정적인 탄도 한계를 지니고 있으며, 광범위한 경사 하중 조건에서도 특유의 충격 저항 성능을 유지할 수 있음을 정량적으로 입증했다.

이번 데이터는 경량 복합재 구조물의 충격 안전성 평가와 항공우주 및 방산 분야의 구조 설계에 유용한 기초 자료로 활용될 전망이다.