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기획보고서

Oct 31, 202416 min read

  1. 기술적

    1. 허브-날개 접합부 구조 안전성 확보

    2. 추진기 날개 캐비테이션 침식

      1. delamination 문제를 3D woven으로

    3. 구조 안정성에 대한 실증이 필요 → woven cfrp 물성 고려한 설계 필요성

  1. 3D 직조 프로펠러 활용 필요성

2D 직조 CFRP를 이용한 블레이드의 경우 직조 방향으로의 물성은 매우 뛰어나지만 적층 방향의 물성은 층간 박리 현상(Delamination)으로 인해 떨어지게 됨. 특히 캐비테이션에 의한 침식이 발생하는 수중 환경에서 이러한 층간 박리 현상은 직조 CFRP의 사용에 있어 치명적인 단점으로 작용함. 3D 직조 CFRP는 두께 방향으로 추가적인 직조경사가 더해져 층간 박리를 효과적으로 막아줄 수 있으며, 두께 방향으로의 물성을 조절하는데 유리함. 이러한 이점에도 불구하고 프로펠러 블레이드에 3D 직조 CFRP를 사용하려는 시도는 부족하며 관련 연구가 필요함

  1. 직조 cfrp 물성 고려한 설계 필요성

기존 프로펠러 기술은 소노스톤(Sonostone), NAB 소재 기반의 금속 소재를 기준으로 연구가 이루어졌고, 프로펠러의 전반적인 형태 또한 금속 소재에 적합하도록 설계되어 있음. 따라서 CFRP 프로펠러를 사용하는 경우, 프로펠러의 설계를 CFRP의 물성 및 특성에 적합하도록 수정해야 할 필요가 있음. 특히 직조 CFRP의 경우 금속성 소재 대비 1/5 수준으로 가벼운 비중량 및 2배 수준의 굴곡강도를 보이므로, 기존 금속 소재 프로펠러로는 불가능했던 새로운 형상의 프로펠러를 구현할 수 있는 가능성을 지님. 또한 직조 CFRP는 금속 소재 대비 8배 높은 감쇠계수를 보여 기존의 금속 프로펠러와 다른 소음 발생 특성을 보일 것으로 예상되며 이에 대한 최적화 연구가 필요함

  1. 허브-날개 접합부 구조 안전성 확보 필요

프로펠러는 유지 보수가 용이하도록 허브와 블레이드의 분리형 구조가 많이 사용되며 허브의 축 방향으로 블레이드가 맞물려 결합된 형태를 가짐. CFRP 블레이드를 금속 허브와 같이 사용하는 경우 허브와 블레이드 간 물성이 다르기 때문에 외력이 가해지는 경우 변형률 차이가 발생함. 따라서 결합부의 안정성을 확보할 수 있는 형상 및 구조의 확보가 필요함

  1. 프로그램 필요성

직조 CFRP 프로펠러는 군사적, 기술적 측면에서 상당한 이점이 있어 일본, 독일 등 선진국을 주축으로 집중적인 투자 및 연구가 이루어지고 있으나 국내에서는 아직 관련 기술 연구가 전무한 실정임. 선진국의 경우 이미 복합재료를 이용한 프로펠러의 실선 적용 연구를 통해 전력화를 완료했으며, 더 나아가 활용성 확대를 위해 지속적으로 기술 개발 연구를 진행하고 있음. 국내 복합재 프로펠러 연구는 모형 추진기 대상의 기초적 연구에 머물러 있어 실선 규모의 안정성 실증과 전력화를 위해서는 과감한 대규모 투자가 필요함. 또한 복합재 프로펠러에 대한 국내 자체적 제작 기술이 부족해 추후 복합재 프로펠러 제작을 위해선 군사 기밀 유출이 심각하게 우려되는 상황임. 이에 따라 독자적인 설계 및 제작 기술을 확보하여 함정의 선형, 속도, 엔진 특성 등의 주요 기밀 자료의 외국 유출을 차단하고 국외 기술 의존을 탈피해야 할 필요가 있음.

1) CFRP 추진기 결합 안정성 해석 기술:

먼저 허브와 블레이드 결합부에 대한 안정성을 구조적으로 확보할 수 있는 형상을 설계한다. 추진기의 로터는 유지 보수가 용이하도록 허브와 블레이드의 분리형 구조가 많이 사용되며 허브의 축 방향으로 블레이드가 맞물려 결합된 형태를 갖는다. 본 연구에서는 허브와 블레이드 간 물성이 다르기 때문에 외력이 가해지는 경우 변형률 차이가 발생하고, 따라서 결합부의 안정성을 확보할 수 있는 형상 및 구조의 확보가 필요하다. 이를 위해 상용 유한요소 해석 프로그램을 활용하여 접합부에서 나타나는 응력 분포 및 변형 양상을 평가하며, 응력 집중 부위에 대한 보강과 응력 분산 및 변형 최소화를 위한 형상 및 구조를 제안한다. 이를 통해 결합부의 수명을 기존 NAB 허브 및 블레이드를 사용한 동일소재 로터와 비슷한 수준으로 확보한다. 평가 환경의 경우 함정의 최대 잠항심도의 압력에서 6개월 이상의 장기평가를 기준으로 한다.

2) CFRP 추진기 내구 성능 예측 기술**:**

추진기 구성요소간 상호작용을 고려했을 때, 블레이드 표면에 작용하는 유체력을 하중으로 한 구조강도 해석을 기반으로 하여 블레이드에 대한 구조적 안정성을 평가한다. CIS를 기준으로 하여 해석을 진행하며 이를 바탕으로 정적 안전계수 2.0 이상, 피로 수명 30년 이상을 목표로 구조적 최적화가 이루어진다. 또한 해석 자료를 토대로 설계 안정성 평가 및 해석 기반 내구 성능 예측 기술을 정립한다.

3) CFRP 추진기 소음 평가 기술 :

소재에 따른 물성 변화는 로터 가동 환경에서의 블레이드 변형 정도 및 추진기의 중량을 직접적으로 결정하며, 이는 유체 정류압 및 캐비테이션의 생성 거동에도 상당한 영향을 미침. CFRP 소재의 경우 기존 NAB 대비 유체 정류압으로부터 발생하는 굽힘력에 대해 1.9배 강한 강도를 가짐. 이는 충분한 강도를 가지지 못하는 소재의 블레이드로부터는 유체의 반류에 따른 비정상적 거동으로 인해 캐비테이션의 생성을 가속할 수 있다는 점을 고려했을 때, 복합재 기반 추진기가 기존 추진기에 비해 캐비테이션 생성을 효과적으로 억제할 수 있음을 시사함. 추가적으로 CFRP의 경우 기존 NAB 소재의 감쇄계수 0.5% 대비 4%의 8배 높은 감쇄계수를 가져 진동 및 소음을 효과적으로 줄일 수 있음. 또한 CFRP는 NAB에 비해 1/5 수준으로 낮은 밀도를 가지므로 함정 경량화를 통한 추진성능 향상에 기여를 할 수 있으며, 이러한 CFRP의 물성을 바탕으로 CIS를 기존 CIS 대비 1.5 knot가량을 추가적으로 확보하며, 확보된 CIS에서 기존 대비 3dB 이상의 수중방사소음 감소를 목표로 유체-구조 연성 해석 및 소음원 해석 기술 정립이 이루어질 예정이다.

4) CFRP 추진기 추진 성능 해석 기술**:**

상기의 연구 결과를 바탕으로 본 연구진이 확보하고 있는 3차원 직조 기술을 바탕으로 블레이드 형태의 3차원 직조 프리폼 탄소섬유 구조체를 제작한 뒤 RTM을 통해 CFRP 블레이드를 제작한다. 그림 1은 제작 방식에 따른 블레이드의 내부 구조 차이를 보여준다. (a)에서 보여지는 기존 제작 방식은 2차원 라미네이팅 방식으로 제작하기 때문에, 복잡한 블레이드 형상에서 곡률이 변하는 부분(A~E)에 대하여 곡률 차이에서 오는 불안정성이 발생한다. 반면 (b)의 경우 3차원 직조 기술을 바탕으로 일체형 블레이드 프리폼을 제작하여 복합재료로 제작하면, 기존 방식에서 발생하는 구조적 불안정성을 해결할 수 있다. 제작에 있어서 치수 정밀도 및 무게 편차를 ISO 484 기준 class 1으로 목표로 하며 제작된 CFRP 블레이드의 물성 평가는 모형 제작 및 시험을 통해 이루어질 예정이다. 제조된 CFRP의 물성의 경우 기준이 되는 목표 밀도(1540 kg/m3)에 대해 기존 NAB 소재의 굴곡강도인 590 MPa 대비 2배 이상 증가하여 1200 MPa 이상의 강도를 확보한다. 이후 상기 1)-4) 절차를 통해 최적의 3차원 복합재료 블레이드를 개발한다.

  1. 프로그램 필요성

    1. 사회적 측면 - 필요성에 비해 투자가 부족하고 국가별 기술 편차가 심함
    2. 순수 국내 기술 경쟁력 확보 필요
    3. 선진국 개발 현황
    4. 대규모 투자의 필요성

      1. 구조 안정성에 대한 실증이 필요

    국내에서 성공적으로 장보고-III 잠수함이 설계, 건조, 운용되고 있으나 추진기 제작기술은 확보되지 못한 실정이라 국외에서 추진기가 제작 되고 있음. 이로 인하여 주요한 군사기밀인 잠수함 함미와 추진기 형상이 국외로 유출되는 문제가 있음

    국외에서 수중함의 추진기 저소음화를 목적으로 복합재 추진기 연구와 적용이 증가하고 있으나 국내는 잠수함 복합재 추진기 제작기술에 대한 연구사례가 없음

    국내 수중함 추진기 제작관련 국외기술 종속 탈피 및 국내 독자기술 확보

    미래 잠수함 추진기를 국내에서 자체적으로 설계/제작함으로서 국내 함정의 선형, 속도, 엔진특성 등 중요한 함정자료 외국 유출 차단 및 국외 기술의존 탈피

    국외 함정 기술 선진국은 복합재 추진기의 실선적용 연구와 전력화를 완료하였으며 활용성 확대를 위하여 지속적으로 기술개발 연구를 수행

    직조 CFRP 프로펠러는 군사적, 기술적 측면에서 상당한 이점이 있어 일본, 독일 등 선진국을 주축으로 집중적인 투자 및 연구가 이루어지고 있으나 국내에서는 아직 관련 기술 연구가 전무한 실정임. 선진국의 경우 이미 복합재료를 이용한 프로펠러의 실선 적용 연구를 통해 전력화를 완료했으며, 더 나아가 활용성 확대를 위해 지속적으로 기술 개발 연구를 진행하고 있음. 국내 복합재 프로펠러 연구는 모형 추진기 대상의 기초적 연구에 머물러 있어 실선 사이즈의 안정성 실증과 전력화를 위해서는 과감한 대규모 투자가 필요함. 또한 복합재 프로펠러에 대한 국내 자체적 제작 기술이 부족해 추후 복합재 프로펠러 제작을 위해선 군사 기밀 유출이 심각하게 우려되는 상황임. 이에 따라 독자적인 설계 및 제작 기술을 확보하여 함정의 선형, 속도, 엔진 특성 등의 주요 기밀 자료의 외국 유출을 차단하고 국외 기술의존을 탈피해야 할 필요가 있음.

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