우주항공과학

무인항공기 경량화 핵심소재 종류

CHOIS_01 2023. 5. 27. 12:42

무인항공기 경량화 핵심소재 종류

 

1. 서론

 

 일반적으로 드론으로 알려진 무인 항공기(UAV)는 자율적으로 작업을 수행하는 능력으로 다양한 산업에 혁명을 일으키고 있으며 공중 감시 및 매핑에서 패키지 배송 및 농업에 이르기까지 UAV는 많은 응용 분야에서 필수 요소가 되었습니다. UAV 설계에서 중요한 요소 중 하나는 강도와 성능을 손상시키지 않으면서 경량 구조를 구현하는 것입니다. 경량화는 비행 효율성 향상, 배터리 수명 연장, 탑재량 증가에 중요한 역할을 합니다. 이 기사에서는 UAV 경량화에 사용되는 핵심 소재, 특성, 장점, 한계 및 응용 분야에 대해 알아보겠습니다.

 

2. 본론

 

1) 금속 및 금속 합금

 

 금속 및 금속 합금은 우수한 중량 대비 강도 및 내구성으로 인해 항공 우주 산업에서 널리 사용되고 있으며 UAV를 경량화할 때 여러 금속 및 금속 합금이 일반적으로 사용됩니다.

 

 (1) 알루미늄

 

    A. 특성 및 속성

     - 밀도가 강철의 약 1/3로 가볍습니다.

     - 우수한 내식성과 높은 열전도율.

     - 다른 금속에 비해 상대적으로 강도가 낮지만 합금화 및 열처리를 통해 강화할 수 있습니다.

 

   B. UAV 경량화의 장점

    알루미늄은 유리한 강도 대 중량 비율로 인해 UAV 경량화에 널리 사용됩니다. 탑재량을 늘리고 비행 시간을 연장할 수 

  있습니다. 또한 알루미늄은 가공 및 제작이 상대적으로 쉬워 UAV 제조에 비용 효율적입니다.

 

   C. 적용 및 제한 사항

    알루미늄은 일반적으로 UAV 기체, 날개 구조 및 기타 중요하지 않은 구성 요소에 사용됩니다. 그러나 다른 금속에 비해     강도가 낮아 고응력 영역 및 높은 강성이 요구되는 영역에서의 적용이 제한됩니다.

 

 (2) 티타늄

 

    A. 특성 및 속성

     - 강철과 비슷하지만 밀도는 절반에 불과한 뛰어난 중량 대비 강도.

     - 우수한 내식성 및 고온 안정성.

     - 높은 제조 및 재료 비용.

 

    B. UAV 경량화의 장점

     티타늄은 강도, 경량성, 내식성으로 높이 평가되어 UAV 응용 분야에 적합합니다. 강도가 높아 구조적 무결성이 향상되

    고 밀도가 낮아 중량 감소에 기여합니다.

 

    C. 적용 및 제한 사항

     티타늄은 랜딩 기어, 로터 허브 및 엔진 구성 요소와 같이 고강도가 필요한 UAV 구성 요소에 응용됩니다. 그러나 높은

    비용과 제조의 어려움으로 인해 널리 사용되는 데 제한이 있습니다.

 

  (3) 마그네슘

 

     A. 특성 및 속성

      - 밀도가 강철의 약 1/4로 매우 가볍습니다.

      - 우수한 강도 대 중량비 및 우수한 감쇠 특성.

      - 부식되기 쉬우므로 보호 코팅 또는 합금이 필요합니다.

 

     B. UAV 경량화의 장점

      마그네슘은 밀도가 낮기 때문에 UAV의 무게를 크게 줄일 수 있습니다. 또한 가공성이 뛰어나 복잡한 모양으로 쉽게

     주조할 수 있어 복잡한 UAV 설계를 용이하게 합니다.

 

     C. 적용 및 제한 사항

      마그네슘은 UAV에서 기어박스, 브래킷 및 프레임과 같은 구성 요소에 사용됩니다. 그러나 부식에 취약하기 때문에

     보호 조치가 필요하고 다른 금속에 비해 강도가 낮아 응력이 높은 영역에서의 사용이 제한됩니다.

 

2) 복합 재료

 서로 다른 재료의 조합으로 구성된 복합 재료는 우수한 중량 대비 강도 비율, 내식성 및 설계 유연성으로 인해 UAV 경량화에 널리 사용됩니다.

 

  (1) 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP)

 

     A. 특성 및 속성

      - 강철보다 인장 강도가 높은 고강도 중량비.

      - 우수한 강성 및 낮은 열팽창.

      - 부식에 강하나 충격에 약함.

 

     B. UAV 경량화의 장점

      CFRP는 뛰어난 강도와 가벼운 무게로 인해 UAV 경량화에 널리 사용됩니다. 구조적 무결성과 강성을 유지하면서 상당

     한 무게 감소가 가능합니다.UAV 구성 요소에서. CFRP의 강성은 비행 중 진동을 줄이고 안정성을 향상시켜 기동성을

     향상시킵니다.

 

     C. 적용 및 제한 사항

      CFRP는 UAV 기체, 날개 및 로터 블레이드에서 광범위한 응용 분야를 찾습니다. 가벼운 특성으로 탑재량을 늘리고

     비행 시간을 연장할 수 있습니다. 그러나 CFRP는 충격 손상에 취약할 수 있으므로 주의 깊은 취급과 유지 관리가 필요

     합니다.

 

  (2) 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP)

 

    A. 특성 및 속성

     - 적당한 강도 대 중량비, CFRP보다 낮지만 기존 금속보다 높습니다.

     - 우수한 내 충격성과 유연성.

     - CFRP에 비해 비교적 저렴한 비용.

 

    B. UAV 경량화의 장점

     GFRP는 강도, 무게 및 비용 간의 균형을 제공하므로 UAV 경량화를 위한 매력적인 옵션입니다. 무게를 줄이면서 충분

    한 강도를 제공하며 최고 수준의 성능을 요구하지 않는 UAV 구성 요소에 적합합니다.

 

    C. 적용 및 제한 사항

     GFRP는 일반적으로 UAV 동체, 페어링 및 중요하지 않은 구조 요소에 사용됩니다. 경제성과 내충격성은 덜 까다로운

    응용 분야에 사용되는 UAV에 적합합니다. 그러나 GFRP는 CFRP에 비해 강도와 강성이 낮아 고성능 UAV에 적용하는

    데 제한이 있습니다.

 

  (3) Aramid 섬유 강화 폴리머(AFRP)

 

    A. 특성 및 속성

     - 높은 인장 강도 및 충격 저항.

     - 내열성 및 내약품성이 우수합니다.

     - 타 복합재료에 비해 상대적으로 고가임.

 

    B. UAV 경량화의 장점

      AFRP는 뛰어난 강도와 내충격성을 제공하므로 까다로운 환경에서 작동하는 UAV에 적합합니다. 내열성 및 내화학성

    도 내구성에 기여합니다.

 

    C. 적용 및 제한 사항

     AFRP는 보호 커버, 로터 블레이드 및 구조 보강재와 같은 UAV 구성 요소에 적용됩니다. 그러나 다른 합성물에 비해 비

   용이 높기 때문에 고유한 속성이 필요한 특정 UAV 응용 프로그램에 사용이 제한됩니다.

 

  (4) 하이브리드 합성물

 

     A. 특성 및 속성

      - 다양한 강화 섬유와 매트릭스 재료의 조합.

      - 특정 요구 사항에 따라 사용자 정의 가능한 속성.

      - 강화된 강도, 강성 및 중량 감소 가능성.

 

     B. UAV 경량화의 장점

      하이브리드 합성물은 다재다능함과 특정 UAV 요구 사항에 맞게 재료 속성을 조정할 수 있는 기능을 제공합니다. 강도,

     무게 및 비용 사이의 균형을 유지하여 UAV 성능을 최적화합니다.

 

     C. 적용 및 제한 사항

      하이브리드 합성물은 기체, 날개 및 구조 구성 요소를 포함하여 UAV에서 다양한 응용 분야를 가지고 있습니다. 그러나      하이브리드 복합재의 설계 및 제조 복잡성으로 인해 생산 비용이 증가하고 품질 관리에 문제가 발생할 수 있습니다.

 

3) 폼 및 벌집 구조

 폼 및 벌집 구조는 UAV 경량화에 사용되는 경량 소재로 전체 중량을 줄이면서 강하고 단단한 코어를 만듭니다.

 

  (1) 폼 코어 재료

 

     A. 특성 및 속성

      - 저밀도의 경량.

      - 높은 압축 강도 및 강성.

      - 우수한 절연 특성.

 

     B. UAV 경량화의 장점

      폼 코어 소재는 가볍고 견고한 구조를 제공하여 UAV의 중량 감소에 기여합니다. 또한 절연 특성을 제공하여 온도 변화

     로부터 전자 부품을 보호합니다.

 

     C. 적용 및 제한 사항

      폼 코어 재료는 일반적으로 UAV 날개, 동체 및 내부 구조 요소에 사용됩니다. 그러나 폼 코어는 충격 손상에 취약할 수

     있으며 낮은 전단 강도는 파손을 방지하기 위해 신중한 설계 고려가 필요합니다.

 

  (2) 허니컴 코어 재료

 

     A. 특성 및 속성

       - 높은 강도 대 중량비로 경량입니다.

       - 우수한 전단 강도 및 강성.

       - 효과적인 에너지 흡수 기능.

 

     B. UAV 경량화의 장점

     허니컴 코어 소재는 경량 특성을 유지하면서 우수한 강도와 강성을 제공합니다. 그들은 우수한 저항을 제공합니다.

 

3. 결론

 

 무인 항공기(UAV)의 세계에서 경량화는 성능, 효율성 및 기능에 직접적인 영향을 미치는 중요한 측면입니다. 올바른 핵심 재료를 사용함으로써 UAV 설계자는 무게 감소와 구조적 무결성 사이의 섬세한 균형을 달성할 수 있습니다. 이 페이지에서는 금속 및 금속 합금, 복합 재료, 폼 및 벌집 구조, 폴리머 및 플라스틱, 세라믹 및 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)로 분류되는 UAV 경량화에 사용되는 다양한 핵심 재료를 살펴보았습니다.

 

 알루미늄, 티타늄, 마그네슘과 같은 금속 및 금속 합금은 유리한 중량 대비 강도 비율, 내식성 및 열적 특성을 제공합니다. 그들은 경량 특성을 유지하면서 특정 기계적 특성이 필요한 UAV 구성 요소에서 응용 프로그램을 찾습니다. 탄소 섬유 강화 폴리머(CFRP), 유리 섬유 강화 폴리머(GFRP) 및 아라미드 섬유 강화 폴리머(AFRP)를 포함한 복합 재료는 우수한 중량 대비 강도 비율, 내충격성 및 설계 유연성을 제공하는 데 탁월합니다. 그들은 구조적 무결성을 유지하면서 상당한 무게 감소를 허용하므로 UAV 경량화에 널리 사용됩니다.

 

 폼 및 벌집 구조는 가볍고 단단한 코어를 제공하여 무게를 줄이면서 전체 구조 강도를 향상시킵니다. UAV 날개, 동체 및 내부 구조 요소에 활용되어 구조적 무결성을 손상시키지 않으면서 중량 감소에 기여합니다. 폴리카보네이트(PC), 폴리프로필렌(PP) 및 폴리에틸렌(PE)과 같은 폴리머 및 플라스틱은 기계적 특성이 다양한 경량 옵션을 제공하므로 UAV의 중요하지 않은 구성 요소에 적합합니다.

 

 마지막으로 세라믹 및 세라믹 매트릭스 복합재(CMC)는 뛰어난 내열성, 고강도 및 경량 특성을 제공합니다. UAV 경량화에 대한 응용 프로그램은 여전히 ​​상대적으로 제한적이지만 고온 환경과 까다로운 UAV 작업에 대한 가능성이 있습니다.

전반적으로 UAV 경량화를 위한 핵심 소재 선택은 강도, 무게, 비용 및 환경 요인을 포함한 특정 요구 사항에 따라 달라집니다. UAV 설계자는 UAV의 성능과 안전성을 손상시키지 않으면서 최적의 경량화를 달성하기 위해 각 재료의 장단점과 한계를 신중하게 고려해야 합니다.

 

 UAV 분야가 계속 발전함에 따라 재료 과학 및 제조 기술의 발전은 더욱 가볍고 강한 재료의 개발로 이어져 무인 항공기의 기능과 응용 분야를 더욱 향상시킬 것입니다. 경량화 추구는 UAV가 보다 효율적이고 효과적이며 자율적으로 다양한 작업을 수행할 수 있도록 하는 중요한 초점으로 남을 것입니다.