스페이스 클럽 탄소 섬유 문제로 로켓 연구소가 중성자 데뷔를 2027년 이하로 연기하다

[스페이스클럽]

로켓 연구소는 1단 추진제 탱크의 탄소 섬유 제조 문제로 인해 중성자 발사체의 진행을 또다시 지연시켰다.

중성자는 이 물질과 관련된 첫 번째 로켓이 아닙니다. 대부분의 개발업자는 강철이나 알루미늄으로 1차 구조물을 짓습니다.

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탄소 섬유의 가장 유명한 특성은 매우 높은 강도 대 질량 비율입니다. 재료 1킬로그램이 알루미늄이나 강철 1킬로그램보다 강합니다.

부분적 또는 완전 재사용 가능 또는 소형 리프트 등급의 로켓에 대해, 엔지니어들은 가능한 모든 질량 절감을 추구합니다. 주요 구조물에 쓰이지 않은 질량은 페이로드에 할당할 수 있습니다. 이로 인해 동일한 로켓이 동일한 추진제와 엔진을 사용해도 더 무겁고 큰 탑재물을 발사할 수 있습니다.

이러한 장점은 여러 차량, 특히 로켓 랩의 일렉트론에서 입증되었습니다. 이 차량은 동급에서 가장 활발한 차량으로, 거의 100회 비행하며 96%의 성공률을 기록했습니다. 2018년에 탄소섬유 로켓 중 최초로 궤도에 진입했습니다.

파이어플라이 에어로스페이스의 알파도 이 소재를 사용합니다. 블록 1은 7편의 항공편을 기록했으며, 곧 업그레이드된 블록 2도 출시될 예정입니다. 이자르 에어로스페이스의 스펙트럼은 단 몇 차례만 비행했지만 두 번째 시도에서 궤도에 진입했습니다. 세 명 모두 소형 리프트 클래스에 속해 있습니다.

일렉트론은 저지구 궤도에 300킬로그램으로 광고되어 있고, 알파와 스펙트럼은 1톤으로 광고되어 있습니다. 절약된 킬로그램은 20톤 예산보다 300킬로그램 예산의 더 큰 비중을 차지합니다.

재료 과학은 복잡하며, 탄소 섬유의 제작도 마찬가지입니다.

섬유 등급은 사용되는 특정 유형을 의미합니다. 이는 저렴한 하위 등급부터 더 강력하지만 더 비싸고 다루기 어려운 고급 등급까지 다양합니다.

섬유 부피 비율은 완성된 복합재 중 수지가 아닌 탄소 섬유로 구성된 비율을 의미합니다. 더 높은 분비분은 강도와 강성을 향상시킵니다. 과도하게 높은 분비분은 부품 제조를 어렵게 만듭니다. 과도하게 낮은 분비분은 너무 많은 레진을 남기고 약해집니다.

레이어업은 섬유층의 배열을 의미합니다. 탄소 섬유는 섬유 방향을 따라 매우 강하지만, 방향을 따라 약합니다. 따라서 개별 플라이들은 비행 중 로켓이 겪는 다양한 방향 하중을 감당하기 위해 다양한 방향으로 배치됩니다. 이러한 방향 변화는 재료를 배치할 때 때때로 관찰될 수 있습니다.

섬유는 수동 손 쌓기나 자동 섬유 배치로 쌓을 수 있습니다.

핸드레이업은 느리고 일관성이 떨어지며, 인간의 오류가 더 잦고, 높은 생산률에는 적합하지 않습니다.

자동 광섬유 배치는 자동화되고, 더 빠르며, 일관성이 높지만, 공구에 상당한 초기 투자가 필요합니다.

탄소 섬유는 상당한 질량 절감을 제공할 수 있습니다. 하지만 대기 비행의 속도와 힘을 견딜 수 있는 1차 구조는 높은 기준으로 제조되어야 합니다.

연초에 로켓 연구소는 최초의 실물 크기 1단계 추진제 탱크를 시험했습니다. 이 자격시험은 제3자 회사가 수동 핸드 레이업을 사용해 제작했습니다. 이는 로켓 랩이 자체 대형 자동 광섬유 배치 기계를 가동하는 동안 일정 관리 우회 방법이었습니다. 사내 기계는 항상 반복 가능한 공정을 위한 장기적인 계획이었습니다.

이 탱크는 압력 하에서 설계 및 제조 방식을 입증하기 위해 설계되었습니다.

1월 21일 밤, 탱크에 물을 채우고 압력을 가하는 수압 시험 중 파열되었습니다.

피터 벡은 실패의 원인을 해당 기사에 사용된 제3자 핸드 레이업 공정 때문이라고 밝혔습니다.

이후 로켓 랩은 새로운 자동 섬유 배치 기계로 전환했습니다. 이 변경으로 수동 공정으로 남은 조인트와 인서트를 제거할 수 있게 되었습니다. 또한 전방과 후방 돔에 더 두꺼운 탄소 복합재를 사용할 수 있게 되었습니다.

레이업 후 복합재는 오토클레이브에서 경화됩니다. 경화된 전방 돔을 점검한 결과, 새로 생긴 두꺼운 부분에 공허라 불리는 작은 공기 주머니가 발견되었다.

두꺼운 부분은 깨끗하게 경화하기 어렵습니다. 열과 압력이 수지를 층을 통과시켜 공기를 배출해야 합니다. 공허는 강도를 저해할 수 있어, 두꺼워진 돔은 로켓 연구소의 기준을 충족하지 못했다.

회사는 공허함이 어떻게 형성되는지 조사했습니다. 벡은 로켓랩이 첫 시도에서 올바른 공정에 매우 가까웠으며, 이 문제가 시험에서 재현되었다고 밝혔습니다.

문제는 이미 확인되었습니다. 해결에 걸리는 시간 때문에 첫 발사는 2027년을 넘지 않게 밀려났다. 더 넓은 창은 이전 목표 이후에 반복적으로 조정되는 것을 피하기 위한 것이다.

로켓 연구소는 다음으로 전방 돔을 제작하고 결함 분석을 하며 새로운 1단계 탱크를 조립할 계획입니다. 그 탱크는 1월에 파열된 물고기와 동일한 테스트를 받게 됩니다.

벡은 첫 두 가지 이정표가 연말 이전에 이루어질 것으로 예상되며, 조립과 테스트는 2027년 1분기에 이루어질 것이라고 밝혔습니다. 1편 발사일에 대한 추가 세부 사항은 이 단계들 이후에야 나올 것으로 예상됩니다.

로켓랩은 대형 탄소 섬유 로켓 구조물 제작 문제에 처음 직면한 회사가 아닙니다. 뉴트론은 파이어플라이 에어로스페이스, 노스럽 그루먼의 이클립스와 함께 복합재료 중형 리프트 설계를 시도하는 소수의 차량 그룹에 속해 있습니다.

스페이스X는 원래 현재 스타쉽(Starship)으로 알려진 우주선(당시 빅 팔콘 로켓)을 탄소 섬유로 제작할 계획이었습니다. 회사는 이후 비용, 수리 가능성, 고온 성능, 그리고 강철이 극저온 강재에서 강해지는 점을 고려해 강철을 선택했습니다.

온도 저항성은 재진입 우주선에도 중요합니다. 더 높은 온도 내성 기본 재료는 더 가벼운 열 차폐막을 견딜 수 있습니다. 탄소 섬유로 인한 질량 절감은 추가적인 열 보호 필요성으로 상쇄될 수 있습니다.

비행한 적이 없는 단단 진입 우주비행기 벤처스타는 X-33 소형 시연기의 액체 수소 탱크에서 탄소 섬유 문제를 겪었다. 탱크는 복합 외피와 벌집 코어를 가진 샌드위치 구조를 사용했습니다.
1999년 11월

, 한 탱크가 극저온 부하 및 배수 후 고장났다. 조사 결과 여러 상호작용하는 문제들이 확인되었습니다. 여기에는 내부 복합 표면의 미세 균열이 포함되어 액체 수소가 벌집 코어로 스며들게 하는 것이 포함되었습니다.

크라이오펌핑은 탱크가 냉각되고 가열되면서 공기와 질소를 핵심으로 끌어들였고, 가스가 액화되어 압력과 손상을 일으켰다.

피부와 코어 사이의 결합 강도가 곳곳에서 낮았다. 제조 결함에는 테이프와 같은 이물질 이물질이 포함되었습니다. 수소가 빠져나간 후 탱크가 가열되면, 외부 껍질과 코어가 내부 껍질에서 분리되었습니다.

탄소 섬유는 소형 리프트 차량에 성공적으로 사용되었으나, 중간 규모 이상의 대형 차량에서는 아직 검증되지 않았습니다. 통신이나 인공지능을 위한 대형 위성 별자리가 더 높은 탑재 용량과 주기에 대한 수요를 증가시키고 있습니다.

로켓 연구소는 탄소 복합재로 지금까지 건설된 가장 큰 가압 구조물을 자격으로 인증하기 위해 노력하고 있습니다.

(대표 이미지 출처: Rocket Lab)

스페이스 클럽(Space Club)