"발사체 모양보다 '충돌 각도'가 관건"…조류 충돌·우주쓰레기 대비 경량소재 규명

▲ 발사체 모양보다 '충돌 각도'가 관건…조류 충돌·우주쓰레기 대비 경량소재 규명_사진 임형준 교수

[코리아 이슈저널=김태훈 기자] 경상국립대 항공우주공학부 임형준 교수 연구팀이 탄소섬유강화 알루미늄 적층재(CARALL)의 고속 충돌 거동을 분석한 결과, 발사체 선단 형상보다 충돌 각도가 관통과 도탄에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.

자동차나 항공기, 위성에 쓰이는 구조물은 무게를 줄이면서도 외부 충격을 견뎌야 한다.

항공기에는 우박, 조류, 활주로 이물질, 파편 등이 부딪힐 수 있고, 우주 구조물은 궤도 파편이나 우주쓰레기와의 충돌 위험도 고려해야 한다.

이때 충돌은 구조물 표면에 정면으로 일어나기보다 비스듬한 각도로 발생하는 경우가 많다.

연구팀은 알루미늄 판 사이에 탄소섬유강화복합재를 넣은 CARALL을 대상으로 고속 충돌 실험과 컴퓨터 해석을 진행했다.

먼저 1단 가스건으로 평두 발사체를 수직 충돌시키고, 고속 영상으로 충돌 전후의 움직임을 측정해 해석 모델을 검증했다.

이후 이 모델을 이용해 평두 발사체와 절두원추형 발사체가 20도에서 80도 사이의 각도로 충돌하는 상황을 비교했다.

분석 결과, 두 발사체의 탄도 한계 속도, 즉 구조물을 뚫는 데 필요한 최소 속도 차이는 약 1.7%에 그쳤다.

이번에 비교한 두 형상에서는 발사체 선단 모양이 수직 충돌 시 관통 한계를 크게 바꾸지 않았다는 뜻이다.

반면 충돌 각도가 달라지면 결과는 뚜렷하게 바뀌었다. 충돌 각도가 40도 이하일 때는 발사체가 재료를 관통하면서 전단 파손과 층간 박리가 발생했다.

60도에서 70도 사이에서는 구조물이 휘는 현상과 표면 미끄럼이 함께 나타났으며, 70도 이상에서는 발사체가 재료를 뚫기보다 표면을 따라 미끄러지거나 튕겨 나가는 도탄 거동이 주로 확인됐다.

이번 결과는 경량 복합재 구조물을 설계하거나 충격 안전성을 검토할 때, 예상되는 충돌물의 모양뿐 아니라 충돌 각도를 함께 따져야 한다는 점을 보여준다.

항공기 외피, 위성 구조물, 방호용 경량 패널 등에서 충돌 시험 조건을 정하거나 구조물의 취약 부위를 검토할 때 참고할 수 있는 자료다.

이번 연구 결과는 복합재료 분야 국제 학술지 《Composites Part B: Engineering》(IF 14.2, JCR 상위 0.3% 이내)에 게재됐다.

논문 제목은 “Investigation of projectile nose shape and impact obliquity on the ballistic performance of carbon reinforced aluminum laminates”이다.

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