Ⅰ.서론

도심 항공 모빌리티(UAM)는 아직 초기 개발 단계에 있으며, 본격적인 설계와 구현에 앞서 구조적 개념과 사용 소재에 대한 중요한 결정이 이루어지고 있다.

오토클레이브(Autoclave), 열가압(Hot Press), 진공 수지 이송 성형(VaRTM) 등 복합재의 제조 방식에 따라 생산 시간, 비용, 최종 제품의 특성이 달라질 수 있으며, 이는 좌석 소재 선택에 직접적인 영향을 미친다.

본 연구에서는 섬유 강화 복합재를 활용한 7개의 복합재 좌석 표본을 제작하고, 각 소재의 특성을 평가하였다. 아울러, UAM 좌석의 신뢰성과 재현성을 검토하기 위해 실험 및 시뮬레이션을 통해 수행하였으며, 이를 통해 더 우수한 소재와 제조 공정을 도출하고자 하였다.

이러한 연구를 통해 향후 UAM 좌석의 최적 설계에 대한 방향성과 기준을 제시하는 것이 본 연구의 목적이다.

Ⅱ. 본론

2-1. 재료 및 해석 조건

섬유 강화 플라스틱(FRP)의 제조 공정에 대한 세부 조건은 [Table 1]에 정리되어 있다.

재료의 세기를 나타내는 힘인 인장력에 대한 실험도 진행하였다. 인장 시험 결과는 [Fig 1]에 제시되어 있으며, 공정 방식에 따라 강도 차이가 약 20~30% 범위 내에서 발생하는 것으로 나타났다.

밀도 측정은 “아르키메데스 밀도 측정법”으로 시행하였다. 그 결과는 [Fig 1]에 나타나 있다. 밀도 측면에서는 오토클레이브(Autoclave) 공정이 가장 낮은 값을 보였고, VaRTM과 열가압(Hot press) 공정 순으로 밀도가 증가하는 경향을 보였다. 공정 간 밀도 차이는 대략 1~5% 수준이었다.

FRP(섬유 강화 플라스틱) 좌석의 구조 설계는 등받이(Back Seat)와 하부 프레임(Under Frame) 두 부품으로 구성되었으며, 이에 대한 구조 사양, 사용 재료, 두께 등은 [Fig 2]에 표시되어 있다.

항공기 좌석의 구조적 건전성은 국내 항공기술 기준에 따라 평가되었으며, 평가 기준은 [Fig 3]에 제시되어 있다. 구체적으로는 상향 4g, 하향 20g, 후방 1.5g, 측면 8g의 조건에서 구조 결함이 없어야 하며, 상향 및 후방 조건에서는 좌석 간 간섭을 고려하여 변형량이 각각 38mm, 75mm 이하여야 한다.

2-2. UAM 좌석의 구조 해석 및 결과

국내 항공기술 기준에 명시된 하중 방향을 적용하여 기준 알루미늄 좌석에 대한 구조 해석을 수행하였다.

해석 결과는 [Fig 4]에 제시되어 있으며, 총 4가지 하중 조건 중에서 측면 8g 조건에서 가장 큰 응력이 발생한 것으로 나타났다. 여기서 말하는 "응력"은 좌석이 외부에서 힘을 받을 때 내부에서 얼마나 버티려는 힘이 생기는지를 나타내는 지표로, 좌석이 얼마나 압박을 받고 있는지를 보여주는 값이다. 따라서, 측면 8g 조건에서 좌석이 가장 큰 압력을 받아 가장 많이 버텨야 하는 상황이었음을 의미한다.

연구팀은 UAM 좌석이 가장 큰 충격을 받는 상황, 즉 측면 8g 조건에서 좌석 구조를 분석했다.

그 결과, 좌석이 더 많이 휘는 경우에는 오히려 손상 위험이 줄어드는 경향이 있었는데, 이는 재료가 단단해져서 잘 견디기 때문으로 보인다.

연구에서는 7가지 복합소재로 만든 좌석들을 테스트했는데, 이 중 탄소섬유(CFRP)로 만든 좌석은 기존 알루미늄 좌석보다 무게가 약 40%나 줄어들었고, 유리섬유(GFRP)는 약 30%, 잘게 자른 유리섬유(GFRP Chop)는 약 36% 줄어드는 효과가 있었다. 게다가 강도가 더 약한 재질로 만든 좌석조차도 부서지거나 망가지지 않았으며, 이로써 7종의 FRP 재질 모두가 국내 감항기준의 좌석 구조 평가 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.

Ⅲ.결론

본 연구에서는 UAM 항공기 좌석에 적용하기 위한 소재, 제조 공정, 그리고 경량 구조 설계를 종합적으로 평가하였다.

인장 시험과 밀도 시험 결과, 탄소섬유 복합재(CFRP)는 약 40%, 유리섬유 복합재(GFRP)는 약 30%, 잘게 자른 유리섬유 복합재(GFRP Chop)는 약 36%의 중량 감소 효과를 보였다. 이러한 결과를 바탕으로, 경량 설계가 최우선일 경우 CFRP가 가장 적합한 소재로 판단된다.

제조 공정 측면에서는, 오토클레이브(Autoclave) 공정이 우수한 품질을 보여주었으나, 긴 제작 시간과 낮은 경제성으로 인해 대량 생산에는 부적합한 것으로 평가되었다. 이에 따라, 유사한 특성을 가지면서도 생산성이 높은 VaRTM 공정이 현실적인 대안으로 고려되었다. VaRTM 공정은 CFRP, GFRP, GFRP Chop 등 다양한 소재에 쉽게 적용할 수 있으며, 생산성 또한 우수하여 경량성과 생산성을 모두 고려할 때, CFRP와 VaRTM을 조합하여 제작하는 것이 가장 적합한 것으로 판단된다.

구조 해석 결과, 7가지 모든 복합재 좌석이 항공기 좌석에 대한 국내 항공기술 기준을 충족하였다. 심지어 알루미늄보다 강도가 낮은 GFRP Chop 소재 또한 기준을 만족하였으며, 이는 경제성이 뛰어난 소재의 활용 가능성을 보여주는 결과라 할 수 있다.

향후 연구에서는 금속과 복합재를 결합한 하이브리드 소재에 대한 연구가 예정되어 있으며, 이를 통해 재료의 유연성과 효율성, 그리고 경제성 등 각 소재의 장점을 최대한 활용할 수 있는 방향으로 이어질 것으로 기대된다.

요약