항공기 금속 재료
지난 장까지 우리는 항공기 및 우주 비행체들의 구조와 구조 해석 등 여러 가지 들에 대해 알아보았습니다. 이번 장부터는 지난 장들에서 다뤘던 것들 중 재료 부분에 대해 좀 더 자세히 알아보겠습니다. 더불어 앞으로의 내용에서는 그 재료들의 결함 검사에 대해서도 같이 다루고자 합니다.
1. 재료 선택 기준
항공기를 구성하는 재료에는 글라이더나 첫 비행기가 발명되던 1900년대 사용되던 목재부터 시작하여 오늘날에 이르기까지 여러 종류의 재료들을 사용하였고 지금도 그러하나 현재 항공기 기체의 구성 재료로는 알루미늄이 가장 많이 사용되고 있습니다. 다만, 지금도 소형 항공기에는 강관이나 직포를 사용하고 있습니다.
근래에 와서 합성 수지와 유리, 탄소, 아라미드 등의 섬유를 혼합하여 무게 대비 우수한 강도와 강성을 가진 복합 재료가 만들어짐에 따라 기체의 주요 구조물에 이런 재료를 사용한 항공기들이 점차 늘고 있습니다. 또한 이 복합 재료 중에서 전자파 투과성이 좋은 재료는 안테나의 덮개로도 사용합니다. 내열성 수지와 합성한 복합재료는 고속 항공기의 외피와 엔진의 고온 부분의 재료로 많이 사용되고 있습니다. 그러나 무엇보다 각광받고 있는 복합 재료는 탄소 섬유로, 앞서 말한 무게 대비 고강도와 고강성에 내열성도 우수하며 열팽창 계수가 매우 작아 우주 왕복선뿐만 아니라 고성능 전투기 및 민항기 등에 사용되어 그 효용성이 입증되었습니다.
이외에 사용되는 재료로는 윈드 실드에 쓰이는 아크릴 수지, 강화 유리 등과 엔진을 기체에 부착할 때 쓰는 완충형 마운트와 타이어, 연료와 유압 계통의 패킹, 개스킷, 실드 등에 사용되는 합성 고무가 있습니다. 또한 수지를 사용한 접착제가 발달하면서 금속에 접착에도 복합 재료가 적용되고 있으며, 그 접착력은 리벳팅을 한 것과 비교될 만큼 강합니다. 이러한 접착제의 발달에 힘입어 샌드위치 구조의 사용도 크게 늘고 있습니다.
이번 장에서는 현재까지 사용되고 있는 항공기 금속 재료들에 대해 알아보겠습니다.
2. 항공기 금속재료
항공기 금속재료는 요구 조건에 따라 다양하며 알루미늄 합금, 강을 비롯한 특수강, 니켈 합금, 마그네슘 합금, 동 합금, 티타늄 합금, 소결 합금 등이 있습니다.
알루미늄 합금은 무게대비 우수한 강도와 강한 내식성으로 현재 항공기 기체 재료로 많이 사용되고 있으며, 용도에 따라 성분이 조금씩 다른 여러 가지 합금이 개발되었습니다. 알루미늄 합금을 구분하고 표준화하기 위해 과거에는 미국의 알코아 회사의 분류기호를 사용하였으나 오늘날에는 AA 합금 분류 체계가 주로 사용되고 있습니다.
강은 보통 SAE 기호로 구별합니다. 연강은 SAE 1025(첫째 자리 1은 탄소강을 의미)로 표시되지만 항공기 구조 재료로는 거의 사용하지 않으며 1 계열의 강에서 항공 재료로 사용되는 것은 너트의 풀림 방지를 위한 안전 결선의 재료로 사용되는 SAE 1045가 유일합니다.
SAE 4130은 크롬-몰리브덴 강이라 하며, 착륙 장치의 다리 부분, 엔진 마운트 등과 같이 고강도를 요구하는 부분에 많이 사용 되며 볼트 및 너트의 재료로도 사용됩니다.
특수강 중에서 가장 많이 사용되는 스테인리스 강은 크롬 14~20%(일반적으론 18%)와 니켈 7~12%(일반적으론 8%)를 포함한것으로 흔히 18-8강이라고 합니다. 이는 녹을 방지하기 위함과 내열성 확보를 목적으로 한 것으로, 이러한 내열 합금은 제트 엔진의 테일 파이프, 엔진 나셀 또는 방화벽 등에 사용됩니다. 근래에는 17-7PH로 불리는 내열강이 극초음속 비행에서 생기는 공력 가열을 견디는 재료로 사용됩니다.
동 합금은 매우 연하여 가공하기 쉽다는 장점을 가져 항공기 관의 형태로 유압 및 연료 계통에 많이 사용하며, 청동은 베어링과 개스킷류에 사용됩니다.
마그네슘 합금은 구리, 알루미늄 합금에 비해 상당히 비중이 낮은 가벼운 금속으로 외판으로도 사용되지만 습기에 의한 부식에 약하다는 단점이 있어, 주물이나 단조품으로 착륙 장치의 버팀대와 바퀴와 같은 부품에 사용됩니다.
티타늄 합금은 제트 엔지의 꼬리 파이프를 감싸는 외판 등의 용도로 사용되는 외판 합금입니다. 물리적 성질은 강과 알루미늄 합금의 중간 정도로 비중도 약 4.5 정도입니다. 강도는 크롬-몰리브덴 강이나 알루미늄 합금보다 약합니다.
소결 합금은 세라믹의 분말과 니켈, 크롬, 코발트 등을 결합재로 섞어서 가열하여 소결시킨 것으로, 금속과 도자기의 중간 정도의 성질을 가집니다. 극초음속 비행에서 공력 가열부에 사용됩니다.