1. 우주 비행체의 특성
우주 비행체가 겪게 되는 우주 환경은 크게 발사 또는 상승 과정의 환경, 우주 공간 운용 과정의 환경으로 나뉩니다. 인공위성을 예로 들면, 상승 과정의 환경은 공기층을 통과하여 최종 단계의 로켓 엔진이 가동되어 분리할 때까지의 기간에 경험하는 과도적인 환경으로 추진력, 급격한 온도 상승, 가속도, 감속도, 충격, 진동, 급격한 기압의 저하 등이 있습니다. 우주 공간 운용 과정의 환경은 최종 단계의 로켓 엔진에서 분리되어 목표한 궤도에 진입할 때까지와 진입 후에 궤도를 비행하는 기간에 부딪히는 환경으로 태양열, 극저온, 고진공, 우주선, 방사선, 무중력, 태양풍 등이 있습니다.
고층 대기에서 발생하는 방전 현상이나 방사선 환경은 우주 비행체의 전자 장치에 일시적 또는 영구적인 손상을 초래할 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 우주 비행체, 특히 인공위성의 경우는 방사선 차폐가 되어 있는 전기전자소자를 사용합니다. 우주라는 환경은 온도 측면에서는 거의 절대 영도에 가까운 상태를 유지합니다. 대류 현상이 발생하지 않는 우주에서 우주 비행체의 온도는 햇빛을 받는 경우 200℃ 까지 상승하며 그 반대쪽은 -200℃ 까지 하강합니다. 이러한 온도 조건에서 견딜 수 있도록 차폐하는 것이 매우 중요합니다.
또한 우주 비행체는 지구 중력을 이기고 올라가야 하므로 초속 7~8km에 이르는 속도로 발사되며 고도가 낮은 경우에는 공력을 포함한 돌풍의 영향도 받게 됩니다. 또한 발사 소음에 의한 진동 영향도 고려해야 합니다.
이러한 가혹한 환경에서 우주 비행체가 임무를 수행하기 위해서는 관련 분야의 협력과 공동 설계, 전자전기소자와 재료의 선택 등이 중요하며, 우주 환경을 모사한 지상에서의 검증 시험이 필요합니다.
2. 발사체 구조
로켓은 배출 가스를 분사하여 얻은 반작용을 추력으로 삼는 비행체를 총칭합니다. 배출 가스를 얻는 방법에는 고체 연료나 액체 연료를 사용하며 운반하는 물체에 따라 미사일이나 발사체로 나눌 수 있습니다.
발사체는 우주에 보내고자 하는 인공위성 등의 탑재체를 정해진 궤도에 진입시키는 운송 수단으로서 골격을 구성하는 구조 시스템, 우주로 올라가기 위한 추력을 발생하는 추진 시스템, 전력 시스템 및 전자 장비로 이루어집니다.
구조 시스템은 스킨, 프레임. 리브 등의 동체, 추진제 탱크, 조종면, 단간 연결부, 탑재 위성을 보호하는 페어링, 열 차단부와 단열재, 분리기구 및 파이로, 탑재체와 연결하는 어댑터 등으로 구성됩니다. 구조 시스템의 개발을 위해서는 요구 조건과 설계 기준이 필요하며 설계가 이루어지면 구조 해석을 수행하는 최종적으로는 시험을 통한 검증이 이루어집니다. 특히 발사체 구조는 다른 여타 운송 수단보다도 무게 비율이 낮아 더 작은 추력으로 더 큰 탑재체를 올리기 위한 구조 경량화가 필수적입니다.
3. 설계 하중
발사체의 구조를 설계하기 위한 설계 하중은 크게 지상 운영 단계, 대기 단계, 실제 비행 단계의 3단계로 나뉩니다.
지상 운영 단계에서는 이동 중의 하중, 작업을 위한 호이스트 등에 매달리게 되는 하중과 같은 지상 취급 하중과 항공기 등의 운반 시 발생하는 진동과 충격 등의 운송하중이 있습니다. 발사 전 단계에서는 발사대에 장착된 동안 자중에 의한 하중과 바람에 의해 작용하는 하중이 있습니다. 비행 단계에서는 사용되는 모터나 엔진에 따라 다양한 하중이 발생합니다. 발사 중의 추력과 공력에 의해 발생한느 준정적 하중, 추력, 비행 제어에 따른 작용력, 불안정한 공기력, 공력 소음 등에 의한 진동, 엔진 점화 및 중지, 발사 순간의 고정부 해제, 단 분리 , 페어링 분리 등에 의한 충격 하중, 추진제 탱크 내의 연료 흔들림에 의한 슬리싱 하중, 공기 흐름에 의한 버펫팅 하중, 온도 변화에 따른 열 하중 등이 있습니다.
4. 발사체의 설계 요구 조건
발사체의 설계 요구 조건에는 강성, 강도, 안전 계수 등이 있습니다. 강성은 발사체 내 다른 시스템과의 공진을 방지하도록 제서되며 발사체 제어 안정성 요구조건을 고려하여 검토하고 판단합니다. 강도는 비행 단계를 비롯한 전 과정에서 충분한 안전 여유를 갖는 것이 좋으나 경량화를 위해 적절한 안전 여유로 설계합니다. 또한 설계와 해석의 불확실성에 대한 대책으로 안전 계수를 상황에 따라 여러 가지 수로 설정합니다. 예를 들어 항복강도 1.05, 극한 강도 1.25, 고압 압력 용기 2.0 등이 있습니다.
구조 설계를 수행하면서 가장 먼저 하는 것은 전체적인 구조 형상을 정하는 것입니다. 어느 부분에 어떤 재료와 어떤 구조 형식을 사용할지를 선택하는 것입니다. 개략적인 좌굴 해석을 포함한 정적 강도 해석을 수행하여 크기와 두께 등을 정합니다. 이후 상세 구조 해석을 통해 제작성, 경제성, 무게 등을 고려하여 설계를 확정합니다.
5. 발사체의 구조 재료
발사체는 경량화가 중요한만큼 발사체의 구조재료는 복합재료와 샌드위치 구조를 많이 사용합니다. 금속재료로는 알루미늄 합금, 마그네슘, 티타늄, 강재 등이 사용됩니다.
동체는 하중에 견딜 수 있도록 금속재 혹은 복합 재료가 사용됩니다. 단과 단 사이의 연결부는 주로 금속재/복합재 스킨-스트링거/샌드위치 구조가 사용됩니다. 엔진 지지부는 금속재 트러스 구조가 많이 사용됩니다. 페어링은 주로 복합 재료로 만들어집니다. 연료 탱크 및 산화제 탱크는 상부 돔, 실린더, 하부 돔 형태로 만들어지며 알루미늄 합금으로 만들어집니다.
동체를 비롯한 금속재 구조 부재의 조립에는 리벳 및 하이락이 주로 사용되나 복합재와 단간 연결을 포함한 대부분의 부품 조립은 기본적으로 볼트 등의 패스너가 사용됩니다. 이때 사용되는 볼트는 풀림 방지용으로 만들어지며 필요한 경우에는 풀림 방지용 너트 또는 와이어가 추가됩니다.
6. 발사체의 구조 해석
발사체를 개발할 때, 모든 경우에 대해 검증하는 것이 불가능하기 때문에 여러 가지 상황을 고려한 구조 해석을 수행하는 것이 필수적입니다. 발사체 시스템의 동적 모드 해석은 매우 중요합니다. 각 단 간에, 발사체와 탑재체 사이에 동적 연성이 발생하여 공진에 의한 파손이 생기지 않도록 해야 합니다.
구조 형상과 크기가 결정되면 유한요소 해석 등을 통해 정적 구조 해석을 수행합니다. 동체와 추진체 탱크는 압축 하중과 굽힘 하중을 주로 받기 때문에 좌굴 특성이 중요합니다. 다른 모든 부품도 설계 하중을 부가하여 파손 모드를 고려한 정적 구조 해석을 수행합니다.
발사체는 설계 하중이 가해지는 경우에 진동이 발생합니다. 진동 환경은 지상에서의 구조 특성인 정현파 진동, 소음 등에 의해 발생하는 랜덤 진동, 분리 충격 등에 의해 발생하는 충격 하중 등이 있는데 이러한 조건에 따라 강도, 변위 등이 안전한 영역에 있는지 진동 해석을 수행합니다.
발사체는 발사 순간과 비행 중에 큰 음향 환경에 노출됩니다. 이러한 음향 소음은 동체를 통과하여 내부의 전자 장비나 탑재체에 영향을 끼칩니다. 따라서 설계 과정 중에 음향 차폐재나 공명기를 사용하여 음향 수준을 낮추게 되며 음향 해석을 통해 안전성을 검증합니다.
발사체는 여러 단으로 구성되어 단 분리가 잘 이루어져야 하며 탑재체를 보호하는 페어링과 탑재체의 분리도 중요합니다. 따라서 분리 방법에 따른 상대적인 분리 속도와 분리 후의 충돌 여부를 확인해야 합니다.
발사체가 개발된 후 지상 검증은 임무 성공을 위해 꼭 필요합니다. 발사체 구조는 가볍게 만들어지므로 지상에서의 검증이 매우 중요합니다. 동체를 비롯한 모든 구조체는 설계 제한 하중의 1.25배 이상의 하중을 부가하여 검증합니다. 단간 분리 장치, 페어링 분리 장치, 위성 분리 장치 등은 신뢰성을 높이기 위해 시험을 통한 성능 검증을 수행합니다. 추진제 탱크는 통상 사용압력의 1.25, 고압 탱크는 2배 이상의 압력을 부가하여 시험합니다.