인공위성, 달 탐사선 등의 우주비행체를 쏘아 올리는 로켓인 ‘우주발사체(Space Launch Vehicle)’는 우주비행체가 안전하고 정확하게 궤도에 진입하는데 있어 매우 중요한 역할을 한다. 따라서 발사체의 성능과 초경량, 안전성의 확보는 발사임무성공과 효율을 평가하는 척도가 된다. 최근 우주선진국들은 발사비용절감을 위해 구조경량화 기술개발에 박차를 가하고 있으며 특히 극저온의 액체추진제 탱크 시스템 경량화는 발사체의 핵심기술 중 하나로 주목받고 있다.

이에 KAIST 스마트 구조 및 복합재료 연구실(이하 연구실)에선 탄소섬유 복합재료를 이용해 금속라이너와 고분자 복합재 혼용 구조형태의 액체추진제 탱크의 경량화 설계를 진행하고 있다. 탄소섬유 복합재는 기존의 금속재보다 가벼우면서도 우수한 열적특성을 가지고 있어 차세대 항공우주용 구조재로 많이 이용하고 있다. 강도는 강철의 두 배며, 비중은 1/4정도로 가볍다. 미국 보잉사의 차세대 항공기인 ‘보잉 787’은 날개와 몸통 전부를 복합재료로 제작했는데 이는 기존재료인 알루미늄합금 보다 4배 단단하고, 40% 더 질기며, 15% 정도 가벼운 것이다. 이러한 탄소섬유 복합재를 극저온 탱크에 적용함으로써 기존 금속재와 비교해 성능향상뿐만 아니라 60%의 무게절감 효과를 볼 수 있어 우주비행체의 발사비용절감도 극대화할 수 있을 것으로 예상된다.

연구실에선 극저온 실험을 통해 추진제 탱크 시스템 기술의 기반을 다지고 있다. 그러나 극저온 탱크는 제조할 때의 온도와 사용할 때의 극저온과의 차이, 이종 재료들 간의 결합에 의한 열적 잔류응력, 미세 균열이 연료 누출로 이어질 수 있다는 문제점이 있다. 이를 해결하기 위해선 고분자 기지재의 Toughness를 증가시키는 재료의 연구가 필요한데 이 중 한 가지 방법은 나노 입자 분산으로 재료의 물성을 향상시키는 것이다. 미세 균열을 지연시키는 이 방법은 추진제 탱크 외에 위성 및 탐사선 구조재에도 적용될 수 있어 고성능의 우주환경용 복합재 개발로 이어질 수 있다. 이에 연구실에서는 우주환경용 복합재 개발과 우주환경 시뮬레이션 시험을 통해 위성구조물의 환경특성 및 경량화 설계연구도 수행 중에 있다.

KAIST는 2008년부터 NASA Ames Research Center와 소형위성 관련 핵심기술 공동개발에 협력 중이다. 또한 미래 핵융합 에너지인 He3가 자연적으로 존재하는 달 표면에 보낼 달착륙선(Moon Lander)개발 프로젝트를 인공위성연구센터(SatRec)와 공동으로 진행 하고 있다.

 김천곤
카이스트 항공우주공학 학과장
스마트구조 및 복합재료 연구실