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vol.132
2019년 03월호
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성공사례

고강도 재료를 이용한 연소기 헤드 개발

 재료연구소는 항공 우주 발사체 등에 활용될 수 있는 연소기 헤드를 국산화하는데 성공했다.
 금속재료연구본부 내열재료연구실 조창용 박사팀은 액체 로켓 엔진의 높은 추력하중을 감당하는 구조물로 상온 및 극저온에서 초고강도의 특성이 요구되는 핵심 부품인 연소기 헤드를 고강도 재료를 활용해 국산화했다. 신뢰성 있는 운용을 위해 상온 및 극저온 구조시험으로 구조 안정성을 입증하여 우주 발사체에 활용될 수 있도록 검증했다.
 이는 선진국의 발사체분야 비공개 기술로 국내에서는 시도된 적이 없는 초내열합금을 이용하여 정밀주조법으로 연소기헤드를 제조하고 주조결함을 최소화하는 HIP(Hot Isostatic Pressing) 공정기술을 개발했다. 우주 발사체 부품 중 연소기 헤드는 내부의 복잡한 유체 통로와 요철 등으로 형상이 복잡하며 상온 및 극저온에서 초고강도의 특성이 요구되는 핵심부품이다. 고강도 재료를 이용한 연소기헤드 제조 기술은 미래 한국형 우주 발사체 및 액체 로켓엔진 국산화에 필수적이다. 이번 기술 개발로 고강도 연소기 헤드 제조 기반기술 확보는 물론 시제품 개발까지 성공함으로써, 차기 발사체에 적용 가능할 것으로 예상된다.
 조창용 박사팀은 미래 한국형 우주 발사체에 적용될 75톤급 대형 연소기 헤드를 설계하였으며, 초내열합금을 이용하여 정밀주조법으로 연소기 헤드를 제조하고 HIP 및 열처리 공정 기술을 개발했다.
 국내의 액체로켓 개발 등에 사용된 연소기 헤드는 스테인레스 강을 사용하였으나, 미래 한국형 우주 발사체의 경우 연소기 헤드에 걸리는 응력이 크기 때문에 극저온 환경에서 강도를 유지하는 초내열합금을 적용했다.
 일반적으로 정밀주조는 형상이 복잡한 소형 부품제조에 활용되기 때문에, 연소기 헤드와 같이 복잡한 형상을 갖는 초대형 부품에 대한 국내 기술이 없었다. 이번 연구성과는 국내에서 시도된 적이 없는 초대형 정밀주조품의 주조 기술을 개발해 의미가 있다.
 복잡한 형상의 초대형 정밀주조 부품에서 필연적으로 발생하는 주조결함을 최소화하는 HIP 및 열처리 공정 기술을 확립하였으며, 초내열합금의 높은 기계적 특성을 얻을 수 있는 일련의 요소기술들을 개발했다.

이번 성과는 참여기관인 STX 중공업, 비츠로테크, 대화알로이테크, 창원대와 함께 형상 자체도 공개하지 않는 연소기 헤드 제조 기반 기술을 확보한 것으로 시제품 개발에도 성공하였다. 개발된 시제품은 실제 연소기 헤드가 노출되는 환경을 모사한 상온 및 극저온 구조시험을 항공우주연구원에서 수행하여 구조적 안정성을 입증 받았다.