KR102631916B1 - 이중 코어 구조를 가지는 비행체용 레이돔 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 윈도우 영역(window area)과 플랜지 영역(flange area)을 포함하는 레이돔으로서, 상기 윈도우 영역은, 2 이상의 허니콤(honeycomb) 코어층을 포함하는, 레이돔에 관한 것이다.
본 발명의 레이돔은 Ku-Band 주파수 대역(10 ~ 15GHz)의 위성 통신 안테나가 설치되는 항공기에 적용되며, 전파 투과성이 뛰어나며, 구조적 안정성을 가진다.
본 발명의 레이돔은 Ku-Band 주파수 대역(10 ~ 15GHz)의 위성 통신 안테나가 설치되는 항공기에 적용되며, 전파 투과성이 뛰어나며, 구조적 안정성을 가진다.
Description
본 발명은 항공기 등의 비행체에 탑재되는 전파 기기 장치를 외부 환경으로부터 보호하는 비행체용 레이돔 및 비행체용 레이돔 제조방법에 관한 것이다.
최근 무선랜 전송 기술의 발전과 더불어 시간 및 장소에 구애받지 않고 소비자 니즈에 힘입어 대용량의 기내 와이파이(Wi-Fi) 서비스의 제공이 점차 확대되고 있다. 기내 와이파이 서비스는 항공기 기체에 설치한 무선 랜 접속 장비와 지상 기지국 혹은 위성을 통해 비행 중 항공기 내 승객들에게 초고속 인터넷 서비스를 제공하는 공중 무선랜 전송 서비스를 뜻한다. 인공위성으로부터 송신되는 신호를 받기 위해 항공기 외부 상단에 위성 통신 장비를 탑재하게 되는데, 이 때 탑재된 통신 장비를 구조적인 측면으로 보호함과 동시에 해당 주파수를 원활하게 송수신 할 수 있도록 충분한 전파 투과 성능을 가진 복합재 레이돔을 장착하게 된다.
이처럼 최근 기내에서의 고품질 대용량 무선 인터넷 서비스 수요가 증가함에 따라 이를 위한 Ku-Band 주파수 대역(10 ~ 15GHz)의 위성 통신 안테나를 기존 항공기에 장착된 저 성능(<10GHz)장비 교체 또는 신규 항공기에 장착하고자 하는 신흥 시장이 확대되고 있으며, 고성능 장비의 성능을 충분히 발휘할 수 있는 레이돔의 개발 시장 또한 성장하고 있는 상황이다.
본 발명은 Ku-Band 주파수 대역(10 ~ 15GHz)의 위성 통신 안테나가 설치되는 항공기에 적용된 레이돔으로서, 전파 투과성이 뛰어나며, 구조적 안정성을 가지는 유선형 구조의 비행체용 레이돔 및 이의 제조방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명은 윈도우 영역(window area) 및 플랜지 영역(flange area)을 포함하는 유선형 구조의 레이돔으로서, 상기 윈도우 영역은 제1 수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제1 보강 프리프레그; 2 이상의 허니콤 코어층; 및 하나 이상의 점착 필름을 포함하는 다층 구조를 포함하는, 레이돔을 제공한다.
상기 허니콤 코어층은 허니콤 구조를 갖는 시트일 수 있다.
상기 허니콤 구조는 서로 접속된 복수의 벽부로 형성된 복수의 셀을 구비하고 이들 셀은 육각형, 과팽창형 또는 플렉스 코어의 형태로 이루어진 군에서 선택되는 형태를 가질 수 있다.
상기 허니콤 코어층은 페놀 수지를 기반으로 제조될 수 있다.
상기 허니콤 코어층의 두께는 1 내지 10 mm 일 수 있다.
상기 허니콤 코어층의 밀도가 60내지 70 kg/m3 일 수 있다.
상기 허니콤 코어층의 유전 상수가 1.09일 수 있다.
상기 허니콤 코어층의 셀 사이즈가 1 내지 10mm일 수 있다.
상기 플랜지 영역은 제2수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제2 보강 프리프레그를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 수지 매트릭스는 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
상기 보강 재료는 탄소 섬유, 붕소 섬유, 유리 섬유, 석영 섬유, 사파이어 섬유 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 재료를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 및 제2 보강 프리프레그는 유리 섬유를 포함하는 에폭시 수지 기반의 프리프레그를 포함할 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 보강 프리프레그는 석영 섬유를 포함하는 에폭시 수지 기반의 프리프레그 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구현예는 상기 전술한 레이돔을 제조하는 방법으로서, 2 이상의 허니콤 코어층을 준비하는 단계; 제1 수지 매트릭스에 보강 재료를 함침시켜 하나 이상의 제1 보강 프레프레그를 준비하는 단계; 및 하나 이상의 제1 보강 프리프레그, 2 이상의 허니콤 코어층 및 하나 이상의 점착 필름을 적층하여 윈도우 영역을 제조하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제조방법은 추가로 제2 수지 매트릭스에 보강 재료를 함침시켜 하나 이상의 제2 보강 프레프레그를 준비하는 단계; 및 상기 하나 이상의 제2 보강 프레프레그를 적층시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 레이돔은 전파 기기를 보호할 수 있는 내구성이 우수할 뿐 아니라, 전파 기기가 송수신하는 전파를 충분히 투과할 수 있는 전파 투과 성능이 우수하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유선형 구조를 가지는 레이돔을 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 허니콤 코어층 및 제1/ 제2 보강 프리프레그의 가공 도면을 통해 허니콤 코어층 및 제1 /제2 보강 프리프레그를 커팅하는 공정을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 윈도우 영역 및 플랜지 영역의 적층 구조를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 윈도우 영역 및 플랜지 영역의 적층 구조의 경계면에서의 연결부를 도시한 것이다. 도 6은 이중 코어 구조 및 단일 코어 구조를 갖는 레이돔의 선형 유한요소해석을 나타낸 것이다.
도 7은 이중 코어 구조 및 단일 코어 구조를 갖는 레이돔의 전파 투과 손실율을 나타낸 것이다.
도 2 및 도 3은 허니콤 코어층 및 제1/ 제2 보강 프리프레그의 가공 도면을 통해 허니콤 코어층 및 제1 /제2 보강 프리프레그를 커팅하는 공정을 도시한 것이다.
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도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 윈도우 영역 및 플랜지 영역의 적층 구조의 경계면에서의 연결부를 도시한 것이다. 도 6은 이중 코어 구조 및 단일 코어 구조를 갖는 레이돔의 선형 유한요소해석을 나타낸 것이다.
도 7은 이중 코어 구조 및 단일 코어 구조를 갖는 레이돔의 전파 투과 손실율을 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 비행체에 탑재되어 있는 전파 기기를 덮는 형상을 가지는 윈도우 영역(window area)과 해당 윈도우 영역을 상기 비행체에 연결하는 플랜지 영역(flange area)을 포함하며 유선형 구조를 가지는 레이돔을 제공한다.
본 발명의 레이돔은 인공위성으로부터 송신되는 신호를 받기 위해 항공기 외부 상단에 위성 통신 장비를 보호하도록 상기 장비 전체를 덮으며 유선형 형태를 가진다.
본 발명의 레이돔은 탑재된 통신 장비를 구조적인 측면으로 보호함과 동시에 해당 주파수를 원활하게 송수신 할 수 있도록 충분한 전파 투과 성능을 가진다.
본 발명의 레이돔의 윈도우 영역은 내부에 장착되는 Ku-Band 안테나의 전파 영역이내 범위로 설계된다.
상기 윈도우 영역은 제1 수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제1 보강 프리프레그; 2 이상의 허니콤 코어층; 및 하나 이상의 점착 필름을 포함하는 다층 구조를 포함한다. 이 때, 하나 이상의 제1 보강 프리프레그; 2 이상의 허니콤 코어층; 및 점착 필름은 다양한 조합 및 다양한 순서로 적층될 수 있다.
상기 플랜지 영역은 제2 수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제2 보강 프리프레그를 포함하며, 복수의 제2 보강 프리프레그는 다양한 조합 및 다양한 순서로 적층될 수 있다.
본 발명에서 상기 윈도우 영역 내에 허니콤 구조를 갖는 허니콤 코어층은 2 이상의 복수층으로 포함될 수 있다. 상기 2 이상의 허니콤 코어층은 윈도우 영역 내에서 서로 인접하여 적층될 수 있으며, 또는 2 이상의 허니콤 코어층 사이에 하나 이상의 제1 보강 프리프레그 및/또는 하나 이상의 점착 필름이 개재될 수 있다.
상기 허니콤 코어층 내 허니콤 구조의 셀은 일반적으로 육각형이지만, 허니콤 구조는 육각이 아닌 형태의 셀로 형성될 수도 있다. 육각형은 가장 일반적인 타입이며, 본 발명의 특징을 나타내기 위해 사용되는 기본적인 형태이다. 그러나, 허니콤 구조를 원통형 형상 또는 복잡한 곡선에 형성할 경우에는 과팽창 및 플렉스 코어와 같은 다른 형태가 사용될 수 있다.
상기 허니콤 코어층은 열가소성 및 열경화성 물질로서, 그들의 예로는 페놀 수지, 폴리이소시아네이트, 폴리스티렌, 폴리올레핀, 폴리아미드, 폴리우레탄, 폴리카보네이트, 폴리아크릴레이트, 폴리비닐, 폴리이미드, 폴리메타크릴이미드 및 이 들의 블렌드 뿐만 아니라 고무 및 수지와 같은 다른 합성 물질을 포함할 수 있다. 바람직한 허니콤 코어층 물질의 적합한 예는 페놀 수지, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리에테르이미드(PEI), 메타-아라미드, 에폭시 수지, 시아네이트 에스테르, PTFE, 및 폴리부타디엔을 포함한다. 바람직하게 상기 허니콤 코어층은 페놀 수지를 포함한다.
상기 허니콤 코어층의 성질은 다양한 보강 재료, 보강 프리프레그 재료 등 다양한 조합에 의해 용이하게 조절될 수 있다.
상기 허니콤 코어층은 1 내지 10 mm 범위의 두께를 가지며, 바람직하게는 1 내지 5mm 범위의 두께를 갖는다. 상기 허니콤 코어층의 허니콤 구조는 바람직하게는 모든 셀이 전체적으로 셀 벽에 의해 둘러싸인 발포체이다. 상기 발포체는 바람직하게는 1 내지 10mm 범위의 직경을 가지며, 바람직하게는 1 내지 5 mm범위의 직경을 가지며, 가장 바람직하게는 약 4.76mm 범위의 직경을 가진 셀을 갖는다. 상기 발포체는 바람직하게는 약 60 내지 70 g/m3갖는다. 상기 발포체는 바람직하게는 1.09 이하의 유전상수를 갖는다. 상기 발포체는 AMS D401 에 따라 측정하였을 때 바람직하게는 100 내지 500psi의 압출 모듈러스를 가지며, 바람직한 일 예로 480 psi 의 압출 모듈러스를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 상기 허니콤 코어층은 비평면의 구조를 가진다. 일 실시예로, 허니콤 셀을 변형시키거나 접기 위해서, 허니콤 코어층에 굽힙부가 필요한 영역에 힘을 적용시켜 평평한 허니콤 구조를 휘게 만들 수 있다. 허니콤 셀의 이러한 변형은 접히지 않은 영역에서의 셀의 높이와 유사한 높이를 가지는 셀을 형성하면서 짧은 반경의 굽힘부 영역을 가지는 허니콤 구조를 생성하게 된다.
본 발명의 일 실시예로, 비평면 구조 또는 곡면 구조를 갖는 허니콤 코어층을 형성하기 위해, 예비 성형된 평평한 허니콤 코어층을, 육각형 셀을 변형하여 다른 방향으로 굽혀지도록 일련의 롤러를 통과하거나, 일반적으로 완전히 조립된 허니콤 코어층 재료를 굽히거나 접는 대신에, 애초에 허니콤 코어층 셀의 모양의 높이 또는 너비 등을 달리함으로써 원하는 허니콤 형상을 형성할 수 있다. 이 경우, 허니콤 코어층을 형성하는 데 추가의 힘을 적용하지 않는다.
본 발명의 일 실시예로, 허니콤 코어층 재료를 원하는 형상을 가지는 금형을 이용하여 상기 허니콤 코어층 재료를 금형에 압입할 수 있다. 금형을 이용하는 방법에 대해서는 하기에서 더욱 상세히 기술하도록 한다.
본 발명의 윈도우 영역으로는 제1 수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제1 보강 프리프레그; 2 이상의 허니콤 코어층; 및 하나 이상의 점착 필름을 포함하는 다층 구조가 적층되며, 본 발명의 플랜지 영역으로 제2수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제2 보강 프리프레그를 포함하는 다층 구조가 적층된다.
제1 수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제1 보강 프리프레그 및 제2 수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제2 보강 프리프레그는 허니콤 코어층에 목적하는 전열성 및 기계적인 성질을 부여하기 위해서 윈도우 영역 및 플랜지 영역에 각각 포함된다.
하나 이상의 제1 보강 프리프레그 및 하나 이상의 제2 보강 프리프레그는 동일 또는 상이한 프리프레그 재료로 구성되는 복수의 플라이(flies)를 이용하여 적층된 어셈블리를 형성하며, 적층되는 방향 및 기울기 및 축선의 설정 등에 따라 전열성 및 기계적인 성질을 달리할 수 있다. 하나 이상의 제1 보강 프리프레그 및 하나 이상의 제2 보강 프리프레그 사이에는 다른 구조층이 개재될 수 있다.
제1 보강 프리프레그 및 제2 보강 프리프레그의 제1 수지 매트릭스 및 제2 수지 매트릭스는 각각 독립적으로 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택될 수 있다.
상기 제1 수지 매트릭스 및 제2 수지 매트릭스에 함침되는 보강 재료로는 탄소섬유, 붕소 섬유, 유리 섬유, 석영 섬유, 사파이어 섬유 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 재료를 사용할 수 있다.
상기 유리 섬유의 종류로서는 E유리, S유리, NE유리 등이 있지만, 순도가 높은 석영 섬유가 가장 바람직하다.
상기 석영 섬유로서는 예를 들면 신에츠 세키에이의 Q유리, JSL의 AstroQuartz 등 아라미드 섬유로서는 예를 들면 케블러, 테크노라, 트와론 등을 들 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 보강 프리프레그 및 제2 보강 프리프레그는 유리 섬유를 포함하는 에폭시 수지일 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 보강 프리프레그는 석영 섬유를 포함하는 에폭시 수지일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예를 따른 레이돔의 제조방법에 대해서 설명한다.
본 발명의 일 실시예를 따른 레이돔의 제조방법은 유선형 구조를 갖는 레이돔 모델을 설계하는 단계(S1); 상기 레이돔 모델의 형상을 바탕으로 금형을 제작하는 단계(S2); 금형에 적층될 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 프리프레그의 가공 도면을 작성하는 단계(S3); 상기 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그 커팅하는 단계(S4); 커팅된 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그를 적층하는 단계(S5); 금형에 적층된 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그를 경화시키는 단계(S6); 및 레이돔을 트리밍하는 단계(S7)를 포함할 수 있다.
상기 유선형 구조를 갖는 레이돔 모델을 설계하는 단계(S1)에서는, 윈도우 영역 및 플랜지 영역을 포함하는 레이돔의 유선형 구조 및 윈도우 영역 내의 허니콤 코어층의 형상 등을 설계한다. 상기 단계(S1)은 CAD 소프트웨어를 이용하거나, 또는 단순한 기하구조를 위해 수학적 원리를 적용함으로써 수행될 수 있다. 복잡한 기하학적 형상을 결정하는 수치적 방법을 사용하기 위한 유용한 도구로서 3D CAD 소프트웨어를 사용할 수 있다. 3D CAD 소프트웨어 패키지는, 여기에 개시된 기하학적 결정을 하는 임무에 적절하여야 하며, 그러한 소프트웨어 패키지의 하나는 프랑스, Velizy-Villacoublay 소재의 Dassault Systemes로부터의 CATIA일 수 있다. 3D CAD 소프트웨어를 이용하여 2 이상의 허니콤 코어층의 외부 및 내부 표면의 형상을 선택한다. 이때, 접속된 복수의 벽부로 형성된 허니콤 코어층 내의 복수의 셀은 육각형, 과팽창형 또는 플렉스 코어의 형태로 이루어진 군에서 선택되는 형태를 가지도록 설계할 수 있다. 또한, 3D CAD 소프트웨어를 이용하여 윈도우 영역 및 플랜지 영역을 포함하는 레이돔의 전체 형상이 유선형 구조를 가지도록 모델을 설계한다.
상기 레이돔 모델을 바탕으로 금형을 제작하는 단계(S2)는 상기 단계(S1)에서 설계된 유선형 구조를 갖는 레이돔의 외곽 형상 기준으로 금형을 설계 및 제작한다. 상기 금형은 레이돔의 외곽 윤곽을 성형하기 위한 틀을 제공한다.
상기 금형에 적층될 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그의 가공 도면을 작성하는 단계(S3)는 상기 단계(S1)에서 설계된 레이돔 모델에 기반하여 레이돔의 3D 형상을 평면 형상으로 변경하여, 금형에 압입될 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그의 전개 도면을 얻는다.
본 발명의 일 실시예에 따라 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그의 가공 도면을 작성하기 위하여 레이돔의 3D 설계 도면을 레이돔을 소재와 크기 별로 등분한 전개 형상에 대해서 전개 도면을 얻는다(도 2 및 도 3).
상기 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그를 커팅하는 단계(S4)는 상기 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그의 가공 도면에 기초하여 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그를 준비하고 커팅한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 유리 섬유 및 석영 섬유 등으로 함침된 제1 및 제2 보강 프리프레그는 CAD데이터를 이용하여 NC-Ply 절단기로 커팅되며, 허니콤 코어층은 육면체의 셀에 힘이 가해졌을 때, 손상되는 것을 방지하기 위하여, 목형을 제작한 뒤 그에 따라 커팅된다(도 2 및 도 3).
상기 커팅된 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그를 적층하는 단계(S5)는 상기 단계(S1)의 레이돔 모델 설계 데이터를 기반으로 레이저 트래커를 이용하여 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그의 형상을 금형에 투영한다. 코어층 및 프리프레그의 위치를 조정하고 그에 따라 코어층 및 프리프레그를 순서대로 적층한다.
이때, 윈도우 영역을 형성하는 구조는 하나 이상의 제1 보강 프리프레그; 2 이상의 허니콤 코어층 및 하나 이상의 점착 필름을 임의의 순서대로 적층함으로써 제조할 수 있다. 상기 2 이상의 허니콤 코어층은 윈도우 영역 내에서 서로 인접하여 적층될 수 있으며, 또는 2 이상의 허니콤 코어층 사이에 하나 이상의 제1 보강 프리프레그 및/또는 하나 이상의 점착 필름이 개재될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따라, 상기 2 이상의 허니콤 코어층 각각의 양면에 점착 필름이 부착되고, 상기 접착 필름의 타면에는 에폭시 수지가 함침된 하나 이상의 석영 섬유가 부착되고, 상기 석영 섬유에는 에폭시 수지가 함침된 하나 이상의 유리 섬유가 부착될 수 있다.
본 발명의 플랜지 영역을 형성하는 적층 구조는 제2수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제2 보강 프리프레그를 적층함으로써 제조할 수 있다.
상기 하나 이상의 제1 보강 프리프레그 및 하나 이상의 제2 보강 프리프레그는 동일 또는 상이한 프리프레그 재료로 구성되는 복수의 플라이(flies)를 이용하여 적층된 어셈블리를 형성하며, 적층되는 방향 및 기울기 및 축선의 설정 등에 따라 전열성 및 기계적인 성질을 달리할 수 있다. 이는 임의의 조합 또는 순서로 보강 프리프레그의 복수의 플라이를 겹쳐 적층함으로써, 적층 단계 사이에 용이하게 실행된다. 또한 다양한 플라이를 다양한 각도로 배향하여 강도를 향상시키거나, 혹은 특정 열 컨덕턴스의 패턴을 발생시킬 수 있다.
금형에 적층된 상기 허니콤 코어층 및 제1 및 제2 보강 프리프레그를 경화시키는 단계(S6)는 레이돔을 경화시키는 단계로서, 오븐 장비를 사용하여 OOA(Out of Autoclave) 공법으로 금형에 적층된 레이돔을 경화한다. OOA 공법은 적층된 코어-프리프레그 복합재를 진공백으로 밀봉한 후 진공 펌프로 공기를 배출하여 진공 상태 하에서 경화를 진행한다. OOA는 오븐에서 경화가 가능하기 때문에 장비 투자비와 경화 비용이 낮을 뿐만 아니라 오토클레이브 프리프레그와 유사한 품질을 나타낸다.
상기 레이돔을 트리밍하는 단계(S7)는 경화 후 레이돔을 금형으로부터 분리하여, 클램프로 트리밍툴과 레이돔을 고정하여 레이돔의 가장자리를 다듬은 뒤, 트림툴에서 레이돔을 탈거하는 단계를 포함한다.
이하에서는 하기 실시예 및 비교 실험을 통하여 본 발명을 더 설명할 것이지만, 본 발명이 거기에 국한되는 것 은 아니다.
실시예
1) 레이돔 모델의 설계(S1);
이중 코어층을 포함하는 레이돔의 구조는 전파가 투과되는 영역인 윈도우와 항공기 동체와 체결되는 플랜지 영역으로 구분된다. 상기 레이돔의 윈도우 영역은 내부에 장착되는 Ku-Band 안테나의 전파 영역이내 범위로 설계하였다. 구조적, 전기적 성능을 고려하여 에폭시 수지가 함침된 유리 섬유, 석영 섬유 프리프레그와 허니콤 코어층을 사용하였다. 윈도우 영역 및 플랜지 영역에 사용되는 재료의 구체적인 사양은 아래 표 1에 기재된 것과 같다.
| 순번 | 소재 | 제품명 | 두께 | 밀도 | 제조사 |
| 1 | 유리섬유 (E-GLASS) | BT250E-1/7781 E-Glass, 294 gsm, 41% RC, 50" |
0.288mm | 1733kg/m3 | Toray |
| 2 | 석영섬유(QUARTZ) | BT250E-1/4581 AQIII, 286 gsm, 41% RC, 50" |
0.298mm | 1624.3kg/m3 | Toray |
| 3 | 점착 필름 | TC263 Blue, 0.035 psf, 106 Glass, 36" |
0.12mm | 1425kg/m3 | Toray |
| 4 | HRP 허니콤 코어층 | HRP 4.0 3/16 HRPFiber Glass, Phenolic | 4.572mm | 64kg/m3 | Hexel |
상기 표 1의 재료를 사용하여, 윈도우 영역 및 플랜지 영역을 표 2 및 도 4에 개시된 적층 구조를 갖도록 제조하였다.
구체적으로, 윈도우 영역은 2개의 허니콤 코어층을 포함하며, 상기 허니콤 코어층의 양면에는 접착필름을 부착하고, 유전율이 우수한 석영 섬유 프리프레그(Q)를 적층하는 한편, 윈도우 영역의 외측면에는 가격 대비 강성이 우수한 유리 섬유 프리프레그(G)를 적층함으로써, 허니콤 코어층을 보호하였다.
플랜지 영역은 에폭시 수지가 함침된 유리 섬유 프리프레그(G)로만 구성하였으며, 항공기 운항 시 위성으로부터 전파를 받지 않는 구역이기 때문에 허니콤 코어층 및 석영 섬유 프리프레그(Q)는 사용하지 않았다.
| 영역 | 적층 수 | 적층 순서 | 두께 (mm) |
| 윈도우 영역 | 7개 프리프레그 플라이 + 2개의 코어 |
G/G/Q/AF/CORE/AF/Q/Q/AF/CORE/AF/Q/G | 11.2 |
| 플랜지 영역 | 15개 프리프레그 플라이 | G/G/G/G/G/G/G/G/G/G/G/G/G/G | 4.0 |
(G: 유리 섬유 프리프레그, Q: 석영 섬유 프리프레그, AF: 점착 필름 Core: 허니콤 코어층)
2) 금형 제작(S2)
상기 단계(S1)에서 설계된 레이돔의 외곽 형상 기준으로 금형을 설계 및 제작하였다.
3) 가공 도면 작성 및 적층 재료의 커팅(S3, S4)
상기 준비한 윈도우 영역 및 플랜지 영역의 재료를 유선형 구조를 갖는 레이돔 형상 제작에 사용하기 위하여, 레이돔 설계 3D 도면을 레이돔을 소재와 크기 별로 97등분하여, 총 97개의 전개 도면을 얻었다. 그 후, 상기 전개 도면에 따라 윈도우 영역 및 플랜지 영역의 재료를 커팅하였다.
CAD데이터를 입력하여 NC-Ply절단기로 유리 섬유 및 석영 섬유 프리프레그를 절단하였다. 코어의 경우 육면체의 셀에 힘이 가해졌을 때 손상되는 것을 방지하기 위하여, 목형을 제작한 뒤 코어를 절단하였다.
4) 적층/경화/트리밍 공정(S5~S7)
커팅 된 각각의 소재들은 순서에 맞추어 금형의 틀 안에 적층되며, 적층 경계 라인에 대한 정보는 레이져 트레커를 사용하여 정보를 입력하여 핸드 레이업 하였다.
적층이 완료 후 오븐을 사용하여 적층 복합재를 경화시키고, 경화 후 금형에서 탈거된 적층 복합재를 트림 툴에 고정하여 트리밍하여 레이돔을 제작하였다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제조된 윈도우 영역과 플랜지 영역의 외곽 및 내곽에 위치하는 유리 섬유 프리프레그(G)는 강성을 유지하기 위해서 서로 연결되어 있으며, 이 부분을 제외한 윈도우 영역의 석영 섬유 프리프레그(Q), 허니콤 코어층(core), 플랜지 영역의 유리 섬유 프리프레그(G)들은 윈도우 영역과 플랜지 영역의 경계 지점에 적당한 길이에서 서로 오버랩 되도록 적층되었다.
레이돔 제작 중량 대비 비율은 하기 표 3과 같았다. 표 3에 기재된 바와 같이, 레이돔에 유리 섬유의 비율이 가장 컸으며, 윈도우 영역에만 사용되는 석영 섬유, 육면체 형상의 코어는 거의 중량이 나가지 않기 때문에 비율이 가장 낮았다.
| 순번 | 소재 | 중량 | 비율 | 범위 | 제품명 |
| 1 | 유리 섬유 | 11.3 Kg | 61% | 윈도우 영역 및플랜지 영역 | BT205E-1/7781 |
| 2 | 석영 섬유 | 5.7 Kg | 31% | 윈도우 영역 | BT250E-1/4581 |
| 3 | 허니콤 코어 | 1.5 Kg | 8% | 윈도우 영역 | HexWeb, HRP Core |
실험예:
유한요소해석
구조 건전성 특성치 검토는 비행 중 발생하는 압력(내압, 외압)하중을 고려하기 위해 항공기와의 체결부에 대해 완전 구속 조건을 적용하고 하중 조건은 레이돔에 대해 파열압력을 적용하였다. 유한요소해석 프로그램은 상용 프로그램인 MSC.NASTRAN/PATRAN을 사용하였다.
도 6은 선형 유한요소해석의 결과를 나타낸 그림으로 체결부에 가해진 하중이 3 psi x 1.5(Safty Factor) 일 때 작용하는 응력분포를 나타낸 그림이다. 실험 결과, 본 발명의 레이돔은 이중 코어 구조를 가짐으로써 단일 코어 구조를 갖는 레이돔에 비해서 전파의 투과성 및 구조 강도가 우수함을 확인할 수 있었다.
전파투과율 측정
전파 투과에 대한 손실율을 측정하기 위하여 두께가 동일하며 이중 및 단일 코어 시편을 제작하였다. Ku-band 영역대를 가진 안테나를 시편 사이에 설치 한후 전파를 시편에 투과하여 데이터를 측정하였다. 전파투과율 측정 프로그램은 상용 프로그램인 CST STUDIO를 사용하였다.
도 7은 전파 투과 손실율의 결과를 나타낸 그림으로 시편에 안테나 전파 영역(10~15GHz)을 투과하였을 때 작용하는 전파 손실율을 나타낸 그림이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 데이터 측정 결과 단일 코어의 전파 손실율은 최대 4.6GHz, 이중코어의 전파 손실율은 최대 1.5GHz로 이중코어로 구성했을 때 전파 손실율이 효율적임을 확인할 수 있다.
Claims (15)
- 윈도우 영역(window area) 및 플랜지 영역(flange area)을 포함하는 유선형 구조의 레이돔으로서,
상기 윈도우 영역은 제1 수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제1 보강 프리프레그; 이중 코어 구조를 가지는 2 이상의 허니콤 코어층; 및 하나 이상의 점착 필름을 포함하는 다층 구조를 포함하는, 레이돔. - 제1 항에 있어서,
상기 허니콤 코어층은 허니콤 구조를 갖는 시트인, 레이돔. - 제2항에 있어서,
상기 허니콤 구조는 서로 접속된 복수의 벽부로 형성된 복수의 셀을 구비하고 이들 셀은 육각형, 과팽창형 또는 플렉스 코어의 형태로 이루어진 군에서 선택되는 형태를 가지는, 레이돔. - 제2항에 있어서,
상기 허니콤 코어층은 페놀 수지를 기반으로 제조된, 레이돔. - 제2항에 있어서,
상기 허니콤 코어층의 두께는 1 내지 10 mm 인 레이돔. - 제2항에 있어서,
상기 허니콤 코어층의 밀도가 60내지 70 kg/m3 인 레이돔. - 제2항에 있어서,
상기 허니콤 코어층의 유전 상수가 1.09인 레이돔. - 제2항에 있어서,
상기 허니콤 코어층의 셀 사이즈가 1 내지 10mm인 레이돔. - 제1 항에 있어서,
상기 플랜지 영역은 제2수지 매트릭스에 함침된 보강 재료를 포함하는 하나 이상의 제2 보강 프리프레그를 포함하는, 레이돔. - 제9항에 있어서,
상기 제1 및 제2 수지 매트릭스는 열가소성 수지, 열경화성 수지 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는, 레이돔. - 제9항에 있어서,
상기 보강 재료는 탄소 섬유, 붕소 섬유, 유리 섬유, 석영 섬유, 사파이어 섬유 및 이들의 조합으로 구성되는 군에서 선택되는 재료를 포함하는, 레이돔. - 제9항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 및 제2 보강 프리프레그는 유리 섬유를 포함하는 에폭시 수지 기반의 프리프레그를 포함하는, 레이돔. - 제9항에 있어서,
상기 하나 이상의 제1 보강 프리프레그는 석영 섬유를 포함하는 에폭시 수지 기반의 프리프레그 포함하는, 레이돔. - 제1 항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 레이돔을 제조하는 방법으로서,
2 이상의 허니콤 코어층을 준비하는 단계;
제1 수지 매트릭스에 보강 재료를 함침시켜 하나 이상의 제1 보강 프레프레그를 준비하는 단계; 및
하나 이상의 제1 보강 프리프레그, 2 이상의 허니콤 코어층 및 하나 이상의 점착 필름을 적층하여 윈도우 영역을 제조하는 단계를 포함하는, 방법. - 제14항에 있어서,
제2 수지 매트릭스에 보강 재료를 함침시켜 하나 이상의 제2 보강 프레프레그를 준비하는 단계; 및
상기 하나 이상의 제2 보강 프레프레그를 적층시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2011135223A (ja) * | 2009-12-22 | 2011-07-07 | Kawasaki Heavy Ind Ltd | 飛行体用レドーム |
| KR102199557B1 (ko) * | 2019-11-27 | 2021-01-07 | 경상대학교산학협력단 | 허니컴 샌드위치 구조의 전자기파 흡수체 및 이를 적용한 스텔스 구조물 |
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