2020. 3. 30. 15:35ㆍ3D프린터 소개/SLM방식 3D프린터
여기 SLM Solutions의 항공우주 분야에서의 새로운 성공사례가 있습니다. 이전에 독일의 바이오 엔지니어링 기업인 CellCore와 합작한 일체형 로켓 엔진 연소실 부품 제작사례를 소개해드린 적이 있는데요. 오늘은 세계에서 가장 큰 3D프린팅 로켓엔진을 만들어낸 SLM Solutions의 새로운 활용사례에 대해 소개해드리려고 합니다. 이번 사례는 영국 기반은 소형 위성 발사체 개발을 전문으로 하는 Orbex와 독일의 금속 3D프린팅 제조업체인 SLM Solutions가 합작하여 만든 친환경 2단계 로켓 엔진 Prime에 대한 이야기입니다.
잠깐 상식!
우주로 쏘아 올려져 비행하는 물체를 가리킬 때 일반적으로 '로켓'이라는 단어를 사용합니다. 로켓은 추진체를 연소시킬 때 발생하는 기체를 빠르게 내뿜어 그에 대한 반작용으로 추진력을 얻어 앞으로 나아가는 비행체를 통칭하는 말입니다. 때에 따라 추진기관으로서의 로켓 엔진 부분만을 따로 로켓이라고 부르기도 합니다. 로켓은 다른 행성으로의 비행, 지구의 상층 대기에 대한 과학 조사 등 다양한 목적을 가지고 이용되고 있는데요. 이 중에서도 특히 각종 위성을 해당 궤도에 진입시키기 위해 사용할때의 로켓을 '발사체'라고 부르기도 합니다. 결국 로켓, 로켓엔진, 발사체는 모두 같은 말이나 다름없는 셈이죠! <출처 : 네이버 지식백과>
발사체는 재사용이 가능한지 여부에 따라 소모성과 재사용 우주 발사체로 나눌 수 있고 궤도에 진입할 때의 단의 개수에 따라 각각 1단계, 2단계 등의 궤도 진입 발사체로 나눌 수 있습니다. 소모성 우주 발사체는 한번 쏘아올리면 다시 사용이 불가능한 발사체이며 재사용 우주 발사체는 수거 후 다시 사용할 수 있는 발사체입니다.
하지만 실질적으로 발사체를 재사용한다는 것은 매우 어려운 일입니다. 그 이유를 살펴보자면, 우주에서 지상으로 복귀하는 재진입 과정에서 지구의 대기에 의한 마찰과 압축이 급격하게 진행되어 로켓의 온도가 상승하게되고 한마디로 엄청난 충격을 받게 됩니다. 이렇게 한번의 발사 이후 엄청난 충격을 받은 로켓은 성능저하가 올 수 밖에 없기 때문에 이것을 다시 회수한다고해도 재검사 후 수리하여 다시 발사할 수 있을때까지는 많은 시간과 비용이 소요되기 마련입니다. 1980년대 NASA에서 개발한 우주왕복선(Space Shuttle)은 대표적인 초창기 재사용 우주 발사체의 예라고 할 수 있습니다. 하지만 우주왕복선의 경우 재사용의 목적에 맞는 비용 절감에는 실패했습니다. 우주왕복선의 원래 계획은 자주, 싸게, 높은 재사용성을 지니며 운영하는 것이었지만 지속적인 높은 운용비 지출로 인하여 원래의 계획과는 거리가 멀어지게 되었고 그렇게 2011년 7월 마지막 임무를 끝으로 우주왕복선은 종료되었습니다.
그 이후, 스페이스X에서 개발한 펠컨9은 부분적으로 재사용이 가능한 2단 발사체로 2010년 최초발사되어 우주왕복선의 뒤를 이어 재사용 가능한 발사체의 길을 새롭게 열었습니다. 하지만 스페이스X 역시 100% 재사용이 가능한 2단 발사체를 개발하기 위해 아직까지도 노력하고 있으며, 세계각국의 우주기업들도 재사용이 가능한 발사체 개발에 힘쓰고 있습니다.
오늘 소개해드릴 Orbex의 Prime 역시 재사용이 가능하도록 설계된 2단 우주발사체입니다.
최초의 바이오 프로판 친환경 상용 로켓 엔진
Orbex는 2015년에 설립된 영국 기반의 스타트업 회사로 소형 위성 발사체 개발을 전문으로 하고 있습니다. Orbex는 저 비용의 궤도발사 서비스 제공을 목표로 하는 친환경 로켓 Prime을 개발하여 언론의 상당한 관심을 끌어냈습니다.
Orbex는 영국 항공우주국과 창업 투자회사인 Sunstone Technology Ventures 및 High-Tech Gründerfonds(독일의 공공-민간 벤처 캐피탈 투자 회사)를 포함한 곳으로부터 3천만 파운드(약450억)의 공공-민간 자금을 지원받아 NASA와 ESA, Ariane Space를 비롯한 굴지의 우주 단체의 경험을 바탕으로 최고의 개발을 이끌어낼 수 있었습니다. Orbex의 항공우주 엔지니어는 독일 금속3D프린터 업체인 SLM Solutions사의 어플리케이션 엔지니어링 팀과 긴밀히 협력하여 SLM 프로세스 제작에 맞는 Prime의 설계 최적화에 성공하였습니다. 로켓 엔진 부품은 매우 복잡하고 크기 때문에 이러한 파트너쉽이 반드시 필요한 과정이었습니다.
Orbex는 업계에서 사용된 적이 없는 바이오 프로판을 사용하여 경쟁사와는 다른 방식으로 로켓 발사에 접근하였습니다. 기존 로켓 연료에 비해 탄소 배출을 줄일 수 있고 그들이 목표하는 환경 친화적인 기업으로 다가갈 수 있기 때문이죠.
최초의 바이오 프로판 상용 로켓 엔진인 Prime은 이렇게 탄생하게 됩니다. 바이오 프로판은 액체 산소와 같은 방식으로 액체 상태를 유지합니다. Prime의 경우, 액체 산소를 산화제로 사용하여 바이오 프로판이 액체 산소의 온도로 냉각이 되면 밀도가 30% 증가하여 발사체가 특정 부피 내에서 더 많은 추진제를 운반할 수 있습니다. 100% 재생 가능한 연료인 바이오 프로판을 사용하여 탄소 배출량을 90%까지 줄였을 뿐만 아니라, 자체적으로 Magic이라 불리는 충격없이 페이로드를 분리하는 시스템을 개발하여 궤도에 잔해가 발생하지 않게 만들었습니다. 또한, SLM 기술 프로세스를 위한 설계 최적화로 다른 동급(소형) 발사체와 비교하여 최대 30% 더 가볍고 20% 더 효율적인 새로운 구조를 생성할 수 있었습니다. 실제로 컨셉단계에서 Orbex의 전략투자자인 Elecnor Deimos Space는 Prime의 질량이 18,000kg임을 입증하였습니다.
Prime의 구조를 살펴보면, 외부 동체는 경량 탄소 섬유와 알루미늄 복합재로 만들어 다른 동급 소형 발사체와 비교하여 30% 가볍습니다.
또한, 연료 탱크가 산화제 탱크 위에 혹은 그 아래에 위치하는 기존의 로켓 추진체 탱크의 단점을 방지하기 위해 연료와 산화제 탱크 모두 맨 아랫부분을 엔진 바로 위에 위치하게끔 만들어 추진체를 연소실로 공급하는 것이 훨씬 간단해졌습니다. 2개의 동축 탱크, 프로판 연료를 담은 내부 원통형 탱크가 고리형의 액체산소 탱크로 완전히 둘러싸여 있어 상단과 하단으로 이루어진 일반적인 탱크배열보다 공간 낭비가 적어 동체의 길이도 줄일 수 있습니다. 이것이 가능한 이유는 바이오 프로판이 액체산소 탱크에 둘러싸여 얼지 않고 액체로 남아있고 냉각상태에서도 액체 그대로 밀도가 높아져 필요한 탱크 부피를 줄일 수 있기 때문입니다.
SLM 금속 3D프린팅 로켓 엔진 'Prime'
바이오 프로판으로 구동되는 Prime의 로켓엔진은 SLM Solutions의 금속 3D프린터를 이용하여 출력되었습니다. 기존의 엔진과 비교하여 3D프린팅된 로켓엔진은 조인트나 이음새, 용접없이 단일 부품으로 제작되어 더 안전할 뿐만 아니라 우주 비행의 극한온도와 압력 변화를 고려할 때, 더 잘 견딜 수 있어 이점을 제공합니다.
SLM Solutions의 어플리케이션 팀은 먼저 로켓엔진의 까다로운 기하학적 구조에 최적화된 독자적인 파라미터 집합을 개발하였습니다. SLM Solutions는 Orbex의 설계팀과 긴밀히 협력하고 다양한 설계 기능과 방향 설정에 대해 상담하면서 필요한 재료 속성과 치수 정확성으로 엔진 부품을 성공적으로 제작하였습니다. 이 과정에서 SLM Solutions의 목표는 Orbex 팀의 제품 품질에 대한 기대치를 충족시키고 부품의 기능을 유지하며 3D프린팅에 적합하도록 만드는 것이었습니다. 또한, 모든 서포트 구조는 후처리를 고려하여 엔진의 모든 부분에서 최상의 품질을 얻을 수 있도록 커스텀화되었습니다.
세계에서 제일 큰 3D프린팅 로켓엔진을 출력한 SLM800장비는 가로 280mm, 세로 500mm 크기의 파우더 베드에 높이 850mm의 부품을 제작할 수 있어 특수 니켈 합금 재료를 사용하여 단일 부품으로 제작할 수 있었습니다. SLM800용 SLM HUB 언패킹 시스템은 비접촉식 분말 처리 및 자동화된 빌드 챔버 컨베이어가 통합되어 진동과 회전을 통해 분말을 제거하도록 설계된 언패킹 스테이션으로 완성된 부품을 안전하게 이송합니다. SLM Solutions는 운반채널을 통해 분말 제거 전략을 빌드에 통합하여 가능한 많은 양의 분말이 빌드에서 제거되는 동시에 재료 손실을 줄일 수 있도록 노력했습니다.
SLM 800 3D프린터를 이용하여 Orbex는 단 5일만에 완벽한 로켓엔진을 만들어냈습니다. 제작 후, SLM Solutions는 자사 금속 조직학 실험실에서 엔진과 함께 제작된 참고 샘플을 분석하여 다공성 레벨과 분포가 품질 수용 기준을 충족하는 것을 입증하였습니다. SLM 장비 프로세스 고유의 빠른 반복시간으로 Orbex는 시간과 비용 절감을 실현시킬 수 있었습니다. SLM Solutions를 통한 제작은 기존의 전통적인 CNC 가공 생산에 비교하여 무려 90%의 시간 절감과 50%의 비용감소를 달성할 수 있었습니다.
Orbex는 이제 2021년 초 스코틀랜드에서 Prime의 첫 비행을 앞두고 있습니다. 페이로드 150KG을 태양 동기 궤도에 보낼 예정이며 2022년에는 3~4개의 임무를 수행할 예정입니다. 아래의 그림은 Prime의 구조를 한 눈에 보여주는 인포그래픽입니다.
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저희 (주)퓨전테크놀로지는 독일 SLM Solutions사의 SLM방식 3D프린터 국내 독점 리셀러입니다. SLM Solutions사는 업계 최초로 멀티 레이저 시스템을 제공한 선도기업으로 전 세계의 고객들에게 신뢰받는 특허받은 품질과 안정성 있는 제품을 제공합니다. SLM 3D프린터와 관련하여 기술적으로 궁금하신 사항이 있으시거나 활용 솔루션이 필요하시다면 언제든지 문의 부탁드리겠습니다.
아래의 영상을 통해 SLM(Selective Laser Melting) Technology 방식에 대해 소개하는 영상을 확인해보세요!
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