2013.05.20
검은 날개의 진동

신형 장거리 비행기용 주입 복합 재료 생산 기술과 러시아 항공 산업의 상황이 호전됨에 따라 혁혁한 기술적 진보가 이루어질 전망이다. 경쟁국들이 이러한 신 기술을 개발하려면 10년은 지나야 할 것으로 보인다.
통합 항공기 건설 공사의 자회사인 «아에로컴포지트»사는 카잔에 있는 신설 공장에서 날개 컴포지트 부품 양산을 시작했다. 동 기업은 종래 autoclave 기술로 두 가지 러시아 여객기 신형 모델인 Superjet 100 및 МС-21용 제품을 생산할 예정이며 Airbus 및 Boeing사의 생산 프로그램에도 이를 포함시키게 될 전망이다. 그러나 러시아 항공 산업 업체들이 주로 희망을 걸고 있는 것은 울리야놉스크에 소재한 «아에로컴포지트»사의 다른 공장이다. 동 공장은 독창적인 진공 주입 기술로 검은 날개라는 이름의 전체가 복합재료인 날개를 생산하는 세계 유일의 생산 시설이다. 바로 이 기술 덕택에 МС-21 비행기가 경쟁기에 대해 기술적 우위를 갖게 된다. 동 공장은 올해 여름 최초의 시범 제품을 생산하고 1년 후 전체가 복합재료인 러시아제 날개를 이르쿠츠크에 보내어 МС-21기에 장착할 계획이다.
«아에로컴포지트»사는 2년전 울리야놉스크와 카잔에 복합 재료 부품 생산 기업 건설을 시작했으며 공장 건설은 이미 완료 단계에 와있다. 현재 장비 조립이 진행 중이며, 카잔 공장에서는 에일러론, 러더, 플랩, 스포일러, 에어 브레이크, 그리고 날개의 앞, 뒤 부분(fore and aft of the wing) 부품 시범 생산이 시작되었다. 이런 부품들을 합하여 항공기 세트라고 부른다. 내년에 카잔 공장에서는 Sukhoi Superjet 100 (SSJ) 프로그램에 따라 24개의 항공기 세트를 생산할 계획이며, 향후 이를 60세트까지 증가시킬 방침이다. 또한, 전략적 파트너이며 Airbus 및 Boeing 사의 대형 납품업체 중 하나인 오스트리아 FACC AG사를 위한 제품을 생산할 전망이다. 울리야놉스크에서는 МС-21 항공기 주익 박스용 주요 복합재료 구조물들, 즉 판넬, 세로대와, 중앙부 구조물들을 생산할 예정이며 주익 및 중앙부 최종 조립도 이루어질 것이다. 이 두 개의 공장들은 올해 말까지 완전 가동을 시작할 방침이다. 카잔 공장의 생산 공정이 완성되는 대로 장비 가동을 테스트하고 중앙 유체 역학 연구소에서 올해 3, 4 분기 주익 부품 테스트를 거쳐 Superjet 100인증서를 받고 2014년 에 동 항공기에 장착된다.
동 과정이 완료되어도 Superjet 100 항공기의 복합 재료 부품 비율이 변경되는 것은 아니다. 동 항공기들은 현재 이미 복합 재료 부품을 탑재하고 있기 때문이다. 그러나 생산 될 제품으로 현 제품을 대체할 경우 원가를 30%낮출 수 있다.
МС-21 항공기용 주익 원형 1차 정력학적 테스트는 2011년 말 중앙 유체역학 연구소에서 시행되었다. 테스트에 사용된 것은 길이 10미터의 주익 박스로(실제 주익 박스 길이 약 18미터) 다양한 조건에서 파괴 강도를 테스트했다. 얻은 결과들은 계산 모델들과 잘 일치했으며 모든 강도 기준들을 준수했다. 근간 동사는 실제 주익 박스를 제작하여 중앙 유체 역학 연구소 테스트를 받을 예정이며, 이 절차가 끝나는 대로 실제 주익 박스 생산에 착수하여 내년 7월말까지 МС-21 장착용 주익 박스 1차분을 생산할 계획이다.
생산 시설 건설에 투입된 통합 항공기 건설 공사의 투자액은 전체 85억 루블로 이중 35억 루블이 카잔 공장에, 약 50억 루블이 울리야놉스크 공장에 투자되었다. 카잔 공장의 총면적은 약 9만 평방미터, 울리야놉스크 공장 부지 총 면적은 약 3만3천 평방미터이다. 울리야놉스크 공장의 최대 생산 능력은 연간 100개의 주익 세트이지만91세트당 주익 2개) 이는 단계적으로 가동될 예정이며, 예상 총 판매량은 년간 1억2천만-1억 5천만 달러, 카잔 공장의 년간 예상 총판매량은 1억-1억 3천만 달러이다. 울리야놉스크 공장에서는 Airbus 와 Boeing사가 독립 납품업체들과 협력 생산하고 있는 복합재료 소재 미부 요소들을 납품하게 될 수 있기를 기대하고 있다. 또한 통합 항공기 제작 공사는 현재 중국 협력업체들과 «비행기 2020» 공동 프로젝트(대형 장거리 여객기) 실행 가능성을 적극 모색하고 있다.
«아에로컴포지트»사는 러시아 국내 업체들뿐 아니라 해외 업체인FACC AG사 및 다이아몬드 사와의 협력을 통해 주입 기술을 도입하여 러시아 항공기 현대화 작업을 수행했다. 특히 FACC 사는 «아에로컴포지트»사에 대한 투자를 통해 러시아 시장에 진출하는데 적극적인 관심을 갖고 있어서 협력이 가능했다. 카잔 공장은 FACC 주문에 따라 년간 5천만-6천만 달러 액수의 제품을 생산할 것으로 예상된다. 이는 주로 FACC사가 Boeing 및 Airbus에 납품하는 부품들에 필요한 제품들이다. «아에로컴포지트»사가 Airbus 및 Boeing사 프로그램에 참가하는 것은 판매를 증가하고 제품 단위 가격을 낮추게 된다는 점에서 중요하다. 또한 이를 통해 러시아 항공 기업이 서방의 표준에 따라 작업하는 것을 배우며 품질 경영 시스템을 기업에 정착시킬 수 있다는 점에서 중요하다. 이는 서방 시장 진출 및 제품 판매에 핵심적으로 중요한 역할을 하기 때문이다. 현재까지 FACC AG사의 투자는 지식과 생산 시설 건설 경험 제공 형태로만 이루어졌지만 근간 카잔 공장의 전권 보유 주주가 될 전망이다. FACC AG사는 카잔 공장 설계, 건설, 구매 장비 사양까지 전 분야에 참가했으며, 동 공장에 대한 기술 심사가 끝나는 대로 투자가 본격화될 전망이다. 구체적인 투자 액수는 공개된 바 없지만 수백만 달러에 이를 것으로 보인다.
«아에로컴포지트»사가 두 개의 공장을 동시에 건설한 이유는 첫째로 두 공장의 공정이 다르기 때문이다. 주익의 전부 및 미부는 기존 기술로 생산하는 것이 최적인 반면 주익 판넬과 세로대는 주입 기술로 생산하는 것이 최적이다. 둘째 이유는 카잔 공장은 FACC AG사와 합작 기업 형태로 건설되었고, 울리야놉스크 공장은 향후 적당한 해외 파트너를 유치하기 위한 목적으로 건설된 것이다.
항공 산업에서 주입기술을 사용하면 길이 18미터, 넓이 최대 3미터의 주익을 하나의 기술 공정 안에서 제작할 수 있다. 현재 그와 같은 크기의 부품을 제작할 수 있는 기술을 보유하고 있는 것은 Boeing, Airbus 와 Bombardier 3사뿐이며, «아에로컴포지트»사는 4번째로 동 기술을 보유하게 된 것이다. 이외에도 주입 기술을 사용하면 제작 원가를 절감하고 제품의 중량을 감소시킬 수 있다.
동사에서 사용하는 복합재료는 충전재와 접합재의 두 가지 부분으로 구성된다. 충전재는 석탄 및 유리 리본이나 직물이고 접합재는 수지이다. 접합재를 충전재 위에 도포한 후 같이 열 처리를 하면 복합재료가 생산된다.  주익의 하중을 견디는 구조체 생산에는 autoclave 기술과 주입 기술 두 가지가 사용된다. autoclave 기술에서는 각각의 건조 물질 층마다, 특수 함침 기계로 수지를 도포한다. 접합제가 함침된 직물을 프리프레그라고 부른다. 이후 프리프레그를 필요한 형태로 펼쳐놓고(금형) autoclave 속에 삽입하면, 고압 고온 하에서 완제품이 주형된다. 동 기술의 주요 한계는 실온에서 프리프레그의 수명으로, 일반적으로 5-7일 이하이다. 종종 복잡한 통합적인 구조를 배치하고 그 구조를 오토클레이브에서 중합화하도록 준비하는데 이 시간으로는 충분하지 않다. 따라서, 예를 들어, Boeing사는 주익 판넬 제작 시 별도로 스트링거를 제작하고 그 다음에야 이를 습식 기판 위에 부착한 후, 오토 클레이브에 소결한다. 즉 구조체의 강도를 감소시키는 접착식 결합이 발생한다. 이에 반해 동사에서는 두 번째 공법, 즉 진공 주입법을 사용한다. 진공 주입법에서는 접착제를 사용하지 않고 특수 기계를 사용하여 건식 리본 전체를 삽입 배치한 다음, 리본 위에 진공 부대를 설치하고 그 후 진공의 영향 하에서 접착제를 내부적으로 잡아 당겨 접착제가 점차적으로 리본에 함침되게 한다. 여기에는 오토 클레이브가 필요하지 않고 소재의 수명이 거의 무제한이다. 또한 더 복잡한 통합 부속들을 제작할 수 있어 부품의 구조를 최적화하고 중량을 감소시킬 수 있다. 진공 주입법은 오토클레이브 기술에 비해 원가를 대략 5-7% 절감할 수 있고, 중량에서도 약 3-4%를 절감할 수 있다.
그러나 복합 재료 날개의 주요 장점은 생산 원가가 낮고 중량이 적은 것이 아니라 좀 더 개선된 항공 역학적 형태, 즉 «종횡비가 큰 날개»를 만들어 낼 수 있다는 것이다. 바로 이 때문에 연료 효율이 높아진다. 복합 재료 날개는 알루미늄 날개에 비해 약 6-8% 연료를 절감시켜 준다. 이중 중량 감소로 인한 연료 절감 효과는 2%이하이며 나머지 4-6%는 항공 역학으로 인한 것이다.
동 프로젝트를 성공적으로 실행하면 통합 항공기 제작 공사와 러시아 항공 산업 전체의 기술적 수준이 현저히 향상되고 실제 시장 경쟁에서 МС-21이 경쟁 기종에 비해 우위를 점하게 된다. МС-21이 진출하는 중거리 여객기 시장은 Boeing사의 737 MAX, Airbus사의 A-320 NEO기 이외에도 캐나다 Bombardier 사와 중국 COMAC사가 새롭게 경쟁에 참여한다. МС-21이 시장에서 내세울 현저한 장점은 서비스와 가격 및 수리 비용이다. 특히 서비스 비용에서는 확실한 장점을 가지고 있다. 이러한 장점은 적어도 2025년경까지는 유지될 전망이다. 대형 항공사들의 항공기 제작 프로그램이 대략 10년을 주기로 변경된다는 점을 고려하면 이는 거의 확실한 전망이다. 주입 기술 사용에는 상당히 많은 위험도 따른다. 주요 위험은 비행기 인증 문제이다. МС-21은 러시아뿐만 아니라 유럽과 미국 인증 기관에서 인증 절차를 거치게 된다. 장거리 여객기 주익 상자에 동 기술을 적용하는 것이 처음이기 때문에 인증에는 많은 질문이 주어질 것으로 보인다. 또 이뿐 아니라 동 비행기의 출현을 상대국들이 간절히 원하지 않는 것도 한 가지 요인이 된다. 동사에서는 이러한 위험들에 대비하기 위해 «이르쿠트»사와 공동으로 복합재료 주익 인증 연구 프로그램을 개발했다. 동 프로그램에는 상당한 재원이 수요되며, 외국 협력업체들과 공동으로 전문가 자문을 통한 엄격한 인증 준비 작업을 진행하고 있다.
그 외에도 예상치 못한 기술적 위험들이 있을 수 있지만, 동사에서는 이런 모든 문제들을 올해 말까지 해결하고 우수한 중량 및 항공 역학적 특성을 가진 복합재료 주익을 개발할 방침이다.
http://www.nanonewsnet.ru/articles/2013/vzmakh-chernykh-krylev

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