KR20230153816A - 복합소재 압력탱크 제작 방법 - Google Patents

복합소재 압력탱크 제작 방법 Download PDF

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한국항공우주연구원
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Abstract

본 발명은 압력탱크를 좀 더 견고하고 경량화할 수 있는 복합소재 압력탱크 제작 방법에 관한 것으로, 맨드릴 상에 복수 층의 복합소재를 적층 시키는 내부 보강 적층 단계; 맨드릴과 보스부를 조립하는 맨드릴 및 보스 조립 단계; 맨드릴과 보스부 전체로 배럴 소재를 적층 시키는 배럴 적층 단계; 적층된 배럴 소재를 배깅 및 경화하는 배깅 및 경화 단계; 및 맨드릴을 탈거 시키는 맨드릴 탈거 단계;를 포함할 수 있다.

Description

복합소재 압력탱크 제작 방법{Method for Producing a Pressure Tank with Composite Materials}
본 발명은 압력탱크 제작 방법에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 압력탱크를 좀 더 견고하고 경량화할 수 있는 복합소재 압력탱크 제작 방법에 관한 것이다.
우주발사체는 인공위성이나 달탐사선과 같은 페이로드를 우주공간의 궤도에 안착시키기 위해 상당한 크기의 추력을 발생시켜야 하며, 이를 위해 발사체 전체 체적의 대부분을 추진제 탱크가 차지하도록 설계되는 것이 일반적이다. 추진제에는 케로신이나 액화수소 혹은 액화메탄과 같은 연료 뿐만 아니라 공기가 없는 우주공간에서 연소가 가능하도록 산화제가 필요하며, 산화제를 최대한 많이 저장하기 위해 액화된 산소를 사용한다. 이 중 케로신은 상온 상태이며, 액화수소, 액화메탄, 그리고 액화산소는 끓는점이 각각 -253도, -161도, -182도에 이를 정도로 극저온 상태이다. 따라서 상온의 케로신 압력탱크 뿐만 아니라 극저온에서도 가용할 수 있는 압력탱크가 필요하다.
종래에는 극저온에서도 가용할 수 있도록 우주발사체용 추진제 탱크는 알루미늄이나 티타늄과 같은 금속재를 이용하여 제작되었지만, 최근에는 비강성/비강도가 우수한 탄소섬유 강화 복합소재를 이용하여 제작하고자 하는 연구가 진행되고 있다.
이에 따라, 탄소섬유 강화 복합소재를 이용하되, 극한의 환경에서도 높은 결합력 및 내구성을 유지하고 제작이 용이한 압력탱크의 구조 및 그에 맞는 공정이 필요한 실정이다.
한국 등록특허공보 제10-2275756호 ("복합재 이너프레임 다중 접합형 배럴 및 이의 제조방법", 등록일 2021.07.05.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 탱크 내부에 저장되는 극저온 추진제 및 가압용 가스가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있는 복합소재 압력탱크 제작 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 극저온 환경에서도 가용 가능하되, 고강도/고인성 소재를 적용할 수 있는 구조의 복합소재 압력탱크 제작 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 적층된 복합소재의 레진 또는 접착제가 압력탱크 내측으로 유출되는 것을 방지할 수 있는 복합소재 압력탱크 제작 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 금속재 라이너를 제거할 수 있어 경량화된 복합소재 압력탱크 제작 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 배럴부와 보스부의 열팽창 차이에 의한 디본딩 현상을 방지할 수 있는 복합소재 압력탱크 제작 방법을 제공하는 것이다.
복합소재 압력탱크 제작 방법에 있어서, 맨드릴 상에 복수 층의 내부 보강 플라이를 적층 시키는 내부 보강 적층 단계; 상기 맨드릴과 보스부를 조립하는 맨드릴 및 보스 조립 단계; 상기 맨드릴과 상기 보스부 전체로 배럴 소재를 적층 시키는 배럴 적층 단계; 상기 적층된 배럴 소재를 배깅 및 경화하는 배깅 및 경화 단계; 및 상기 맨드릴을 탈거 시키는 맨드릴 탈거 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 맨드릴 및 보스 조립 단계 이전, 상기 맨드릴과 상기 보스부 사이에 차단부를 설치하는 차단부 설치 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 차단부는 상기 내부 보강 적층 단계에서 사용된 접착제가 내부로 유입되는 것을 차단하는 가스켓을 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부 보강 적층 단계 이전, 상기 맨드릴 표면상에 이형제를 도포하는 이형제 도포 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 맨드릴 탈거 단계는 상기 맨드릴을 상기 이형제 층을 기준으로 탈거 시킬 수 있다.
또한, 상기 배럴 적층 단계 이전, 상기 맨드릴 및 상기 보스부 전체로 외부 보강 플라이를 추가 적층시키는 외부 보강 적층 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 내부 보강 플라이, 상기 외부 보강 플라이 및 상기 배럴 소재는 동일한 소재일 수 있다.
또한, 상기 압력탱크 제작 방법에 의한 복합소재 압력탱크에 있어서, 복수의 복합소재 층이 적층되어 형성되고, 상단과 하단이 돔 형태인 돔부 및 중단이 원통 형태인 실린더부를 포함하는 배럴부; 상기 배럴부의 상단과 하단 내측에 형성되는 보스부; 상기 보스부 상으로 결합되는 커버부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력탱크의 내면은 상기 보스부의 내면과 상기 배럴부의 내면을 함께 걸치도록 상기 내부 보강 플라이가 복수 층 적층되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 압력탱크의 내면은 상기 보스부와 상기 돔부의 틈과 상기 실린더부의 내면을 함께 걸치도록 상기 외부 보강 플라이가 적어도 하나 이상 적층되어 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 탱크 내부에 저장되는 극저온 추진제 및 가압용 가스가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법에 의한 압력탱크는 극저온 환경에서도 가용 가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 적층된 복합소재의 레진 또는 접착제가 압력탱크 내측으로 유출되는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 금속재 라이너를 제거할 수 있어 압력탱크를 경량화할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 배럴부와 보스부의 열팽창 차이에 의한 디본딩 현상을 예방할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 압력탱크 제작용 조립체의 전체모습을 나타낸 사시도
도 2는 종래의 압력탱크 제작 과정의 일부를 나타낸 단면도
도 3은 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법의 일부를 나타낸 단면도
도 4는 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법의 순서도
도 5는 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법에 의한 압력탱크의 단면도
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해석 되어서는 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. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 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.
도 1은 압력탱크 제작을 위한 보스부(100) 및 맨드릴(200, 300)이 조립된 전체 모습을 나타낸 것이다. 도시된 압력탱크 제작용 조립체(10)는 복합소재 적층 시 돔 형상의 일부를 제공하기 위한 보스부(100), 그리고 실제 탱크의 내압을 견디는 배럴부의 외형 제작에 베이스가 되는 맨드릴(200, 300)로 나누어진다. 상기 압력탱크 제작용 조립체(10)에 의한 압력탱크는 복수의 복합소재 층이 적층되어 형성되고, 상단과 하단이 돔 맨드릴(200)에 대응되는 돔 형태의 돔부 및 중단이 실린더 맨드릴(300)에 대응되는 원통 형태의 실런더부를 포함하는 배럴부, 상기 배럴부의 상단과 하단 내측에 형성되는 보스부(100) 및 상기 보스부 상으로 결합되고 추진계 배관과의 인터페이스를 제공하기 위한 커버부(600)를 포함할 수 있다.
도 2는 종래의 방식이 적용된 압력탱크 제작 방법 중 특정 단계의 모습을 나타낸 것이다. 종래에는 도시된 바와 같이 압력탱크를 제작할 때, 맨드릴(200') 상에 이형제(210')를 도포하고, 상기 맨드릴(200')과 보스부(100')를 조립하여 조립체(10')를 이루고 그 조립체(10') 상으로 배럴 소재(400')를 적층한 이후, 맨드릴(200')을 제거하는 방식으로 압력탱크를 제작하였다. 하지만, 보스부(100')와 배럴 소재(400')가 접합되기 시작하는 지점에서 급격한 곡률 반경의 변화에 따른 과도한 굽힘 하중으로 인해 디본딩이 발생할 가능성이 매우 높은 문제점이 있었다. 특히, 상기 압력탱크가 발사체의 추진제탱크와 같은 극저온의 환경에서 사용된다면 이러한 디본딩 발생 가능성이 더욱 높아질 수 있는 문제점이 있었다.
도 3은 상기한 문제점을 해결하기 위한 압력탱크의 제작 방법 중 특정 단계의 모습을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 압력탱크 제작 용 조립체(10)는 보스부(100)와 맨드릴(200)이 조립되기 전, 맨드릴(200) 상에 배럴 소재(400)와 같은 소재의 복수의 내부 보강 플라이(220)가 적층될 수 있다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 상기 맨드릴(200)은 쉽게 탈거할 수 있도록 표면상에 이형제(210)가 도포될 수 있다. 이어, 도시된 바와 같이 상기 이형제(210) 상으로 복수의 내부 보강 플라이(220)가 적층되어 접착될 수 있다. 이어, 상기 적층된 내부 보강 플라이(220) 층을 사이에 두고 상기 보스부(100)와 결합될 수 있다. 이때, 상기 압력탱크 제작용 조립체(10)는 상기 적층된 내부 보강 플라이(220) 층에서 레진 및 접착제가 흘러나와 내부로 누설되는 것을 방지하기 위해 차단부(500)를 더 포함할 수 있다. 상기 차단부(500)는 가스켓의 형태로, 상기 맨드릴(200)과 보스부(100) 사이, 상기 적층된 내부 보강 플라이(220) 층과 상기 압력탱크 제작용 조립체(10)의 내측이 차단될 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다. 이어, 상기 내부 보강 플라이(220) 층이 적층된 상기 맨드릴(200)과 상기 보스부(100)가 결합되고, 상기 맨드릴(200) 및 상기 보스부(100)의 전반을 덮을 수 있도록 적어도 한 층 이상의 외부 보강 플라이(230)가 적층될 수 있다. 이어, 상기 압력탱크 제작용 조립체(10)의 전반부로 배럴 소재(400)가 적층되어 압력탱크를 제작할 수 있다. 이때, 상기 배럴 소재(400)는 상기 적층된 내부 보강 플라이(220) 및 외부 보강 플라이(230)와 동일한 소재로 구성되어, 다른 소재 적용 시 경화 과정에서 복합소재 층간의 결합력이 감소하는 문제점을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법의 각 단계를 좀 더 상세하게 나타낸 것으로, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 내부 보강 적층 단계(S100), 맨드릴 및 보스 조립 단계(S200), 외부 보강 적층 단계(S300), 배럴 적층 단계(S400), 배깅 및 경화 단계(S500) 및 맨드릴 탈거 단계(S600)의 공정을 포함할 수 있다.
좀 더 상세하게 설명하자면, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상술한 바와 같이 맨드릴(200) 상에 복수 층의 내부 보강 플라이를 적층 시키는 내부 보강 적층 단계(S100)를 포함할 수 있다. 상기 내부 보강 플라이는 탄소섬유 강화 복합소재일 수 있으며, 에폭시 레진(Resin)과 같은 모재에 고강도 탄소섬유 필라멘트(Filament)를 일방향 혹은 이방향으로 삽입한 프리프레그(Prepreg) 층을 원하는 강성과 강도를 얻을 수 있도록 적층배열로 설계될 수 있다. 이때, 상기 맨드릴(200)은 상기 압력탱크의 완성단계에서 탈거가 되어야 하므로, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상기 내부 보강 적층 단계(S100) 이전, 상기 맨드릴(200) 표면상에 이형제(210)를 도포하는 이형제(210) 도포 단계를 포함할 수 있다.
이어, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상기 맨드릴(200)과 상기 보스부(100)를 조립하는 맨드릴 및 보스 조립 단계(S200)를 포함할 수 있다. 상기 보스부(100)는 상기 압력탱크의 축방향으로 상기 맨드릴(200)의 상부와 하부에 결합될 수 있으며, 상술한 바와 같이 상기 적층된 내부 보강 플라이를 사이에 두고 상기 맨드릴(200)과 결합될 수 있다. 이때, 상기 맨드릴 및 보스 조립 단계(S200) 이전, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상기 보스부(100) 상에 접착 필름을 부착하는 과정을 포함할 수 있다. 또한, 상기 맨드릴 및 보스 조립 단계(S200) 이전, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상기 맨드릴(200)과 상기 보스부(100) 사이에 차단부(500)를 설치하는 차단부(500) 설치 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 차단부(500)는 EDPM과 같은 고무 재질의 가스켓을 포함할 수 있다. 특히, 상기 차단부(500)는 상기 배깅 및 경화 단계(S500)에서 고온/고압의 경화 과정에서 점성이 낮아진 접착제 또는 레진이 과도하게 유입되는 것을 방지할 수 있다.
이어, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상기 맨드릴(200) 및 상기 보스부(100)의 전반으로 적어도 하나 이상의 외부 보강 플라이를 적층시키는 외부 보강 적층 단계(S300)를 포함할 수 있다. 상기 외부 보강 적층 단계(S300)에서 외부 보강 플라이는 상기 내부 보강 적층 단계(S100)에서 적층된 내부 보강 플라이와 같은 소재인 것이 바람직하며, 이후의 배럴 적층 단계(S400)에서 좀 더 안정적으로 외형을 유지할 수 있는 장점이 있다.
이어, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상기 맨드릴(200)과 상기 보스부(100) 전체로 배럴 소재를 적층 시키는 배럴 적층 단계(S400)를 포함할 수 있다. 상기 배럴 적층 단계(S400)는 상기 압력탱크의 외형 소재를 적층시키는 단계로, 상기 배럴 소재는 상기 내부 보강 플라이 및 상기 외부 보강 플라이와 동일한 소재로 구성되는 것이 바람직하다.
이어, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상기 내부 보강 플라이, 상기 외부 보강 플라이 및 상기 배럴 소재를 경화시키는 배깅 및 경화 단계(S500)를 포함할 수 있다. 상기 내부 보강 플라이, 상기 외부 보강 플라이 및 배럴 소재는 최초 반경화 상태(B-stage)의 얇은 층 형태로 구성 되어 있으며, 이를 설계된 형상으로 가공된 상기 맨드릴(200) 상에 적층한 후 고온과 필요에 따라 일정한 압력을 가하게 된다. 이때, 상기 레진 또는 접착제가 화학 반응으로 인해 완전 경화(cure) 상태로 변화하고, 이에 따라 원하는 형상과 강도를 갖는 복합소재 구조물인 상기 압력탱크의 외형을 제작할 수 있다.
이어, 본 발명에 따른 복합소재 압력탱크 제작 방법은 상기 압력탱크의 외형에서 상기 맨드릴(200)을 탈거 시키는 맨드릴 탈거 단계(S600)를 포함할 수 있다. 도 5를 참조하면, 상기 맨드릴 탈거 단계(S600)는 상기 배깅 및 경화 단계(S500)를 거친 이후, 상기 압력탱크를 완성시키는 단계로, 상기 이형제(210) 도포 단계에서 형성된 이형제(210) 층을 기준으로 상기 맨드릴(200)을 탈거할 수 있다. 도시된 바와 같이 동일한 소재의 상기 내부 보강 플라이 층, 상기 외부 보강 플라이 층과 상기 배럴 소재 층이 압착되어 상기 보스부(100)를 감싸는 형태로 제작되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 압력탱크는 상기 보스부(100)의 내면과 상기 배럴부(400)의 내면을 함께 걸치도록 상기 내부 보강 플라이(220)가 복수 층 적층되어 형성되고, 상기 보스부와 상기 돔부의 틈과 상기 실린더부의 내면을 함께 걸치도록 상기 외부 보강 플라이가 적어도 하나 이상 적층되어 형성되는 형태로 제작되는 것이 바람직하다.
10 : 압력탱크 제작용 조립체
100 : 보스부 110 : 접착 필름
200, 300: 맨드릴 210 : 이형제
220 : 내부 보강 플라이 230 : 외부 보강 플라이
400 : 배럴 소재(배럴부)
500 : 차단부
600 : 커버부

Claims (10)

  1. 압력탱크 제작 방법에 있어서,
    맨드릴 상에 복수 층의 내부 보강 플라이를 적층 시키는 내부 보강 적층 단계;
    상기 맨드릴과 보스부를 조립하는 맨드릴 및 보스 조립 단계;
    상기 맨드릴과 상기 보스부 전체로 배럴 소재를 적층 시키는 배럴 적층 단계;
    상기 적층된 배럴 소재를 배깅 및 경화하는 배깅 및 경화 단계; 및
    상기 맨드릴을 탈거 시키는 맨드릴 탈거 단계;를 포함하는 압력탱크 제작 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 맨드릴 및 보스 조립 단계 이전,
    상기 맨드릴과 상기 보스부 사이에 차단부를 설치하는 차단부 설치 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력탱크 제작 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 차단부는 상기 내부 보강 적층 단계에서 사용된 접착제가 내부로 유입되는 것을 차단하는 가스켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 압력탱크 제작 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 내부 보강 적층 단계 이전,
    상기 맨드릴 표면상에 이형제를 도포하는 이형제 도포 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압력탱크 제작 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 맨드릴 탈거 단계는 상기 맨드릴을 상기 이형제 층을 기준으로 탈거 시키는 것을 특징으로 하는 압력탱크 제작 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배럴 적층 단계 이전,
    상기 맨드릴 및 상기 보스부 전체로 외부 보강 플라이를 추가 적층시키는 외부 보강 적층 단계를 더 포함하는 압력탱크 제작 방법.
  7. 제1항 또는 제6항에 있어서,
    상기 내부 보강 플라이, 상기 외부 보강 플라이 및 상기 배럴 소재는 동일한 소재인 것을 특징으로 하는 압력탱크 제작 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 압력탱크 제작 방법에 의한 복합소재 압력탱크에 있어서,
    복수의 복합소재 층이 적층되어 형성되고, 상단과 하단이 돔 형태인 돔부 및 중단이 원통 형태인 실린더부를 포함하는 배럴부;
    상기 배럴부의 상단과 하단 내측에 형성되는 보스부;
    상기 보스부 상으로 결합되는 커버부;를 포함하는 복합소재 압력탱크.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압력탱크의 내면은 상기 보스부의 내면과 상기 배럴부의 내면을 함께 걸치도록 상기 내부 보강 플라이가 복수 층 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 복합소재 압력탱크.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압력탱크의 내면은 상기 보스부와 상기 돔부의 틈과 상기 실린더부의 내면을 함께 걸치도록 상기 외부 보강 플라이가 적어도 하나 이상 적층되어 형성된 것을 특징으로 하는 복합소재 압력탱크.
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