일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.4.25

월면 경제권
도요타의 달탐사 차량용 타이어가 2세대로 진화
브리지스톤, 펑크가 나지 않는 기술을 전용

2024년 4월 10일의 미일 정상회담 후에 발표된 공동성명에서는, 우주 분야에 관해서 장래적으로 일본인 우주비행사 2명에게 달 착륙의 기회를 주는 것이나, 우주항공연구개발기구(JAXA)와 도요타자동차 등이 공동으로 개발하고 있는 유인 달표면 탐사차(유인여압로버)를 제공하는 것이 정해졌다.

유인여압로버는 우주복 없이 거주나 이동이 가능한 세계 최초의 달표면 주행 시스템으로, 달표면 탐사의 범위를 비약적으로 확대할 것으로 기대를 받고 있다. 운용 기간은 10년, 총 주행 거리는 1만km이다.

2명의 우주비행사가 탑승하며, 연간 1개월 정도(최대 42일), 유인 탐사 미션을 수행하는 것을 상정하고 있다. 또한 사람이 탑승하고 있지 않을 때에는 지상의 원격 조작을 통해 무인 관측 미션을 연간 최대 320일 수행한다.

도요타가 ‘LUNAR CRUISER’라고 부르는, 이 유인여압로버용 타이어를 개발하고 있는 것이 브리지스톤이다. “우주비행사의 생명을 책임지는 유인여압로버는 무인 로버와 비교해 기술적 장벽이 매우 높다.

무인 로버의 타이어는 로봇업체 등이 개발하는 경우가 많은데 반해, 유인여압로버의 타이어는 타이어 전문가인 우리가 개발하고 있는 의미가 거기에 있다”(브리지스톤 신모빌리티비즈니스추진부 오타(太田) 부장).

브리지스톤은 2024년 3월 29일, 유인여압로버 전용의 새로운 타이어를 개발했다고 발표했다. 브리지스톤은 2019년부터 달표면이라고 하는 극한 환경을 위한 타이어를 계속해서 연구개발해 왔고, 그것을 ‘2세대’로 진화시켰다. 2세대 타이어는 현재 디자인 컨셉트 단계이며, 1세대에서 얻은 지식을 활용하면서 내구성과 주파성을 모두 높였다고 한다.

유인여압로버 등 달표면 탐사차용 타이어에는 이하의 요건이 요구된다. (1) 공기를 사용하지 않고 하중을 지탱한다, (2) 최고 120℃, 최저 -170℃까지 변화하는 심한 기온차나 ‘우주선’이라고 불리는 고에너지 방사선에 견딜 수 있다, (3) 사지(砂地)에서도 가라앉지 않고 주행할 수 있다.

우선 (1)의 요건을 요구하는 이유는 달표면이 고진공(거의 공기가 없는 상태)이기 때문에 통상의 고무 타이어처럼 공기로 하중을 지탱하기 어렵기 때문이다. 지상용 타이어와 같은 구조는 사용할 수 없다.

(2)와 같은 가혹한 환경을 견디려면 금속 재료를 100% 사용해야 한다. 브리지스톤이 잘 다루는 고무나 수지와 같은 고분자 재료는 달표면에서는 경도가 크게 변화하는 데다가 열화가 빠르기 때문에 사용할 수 없다.

(3)의 경우는, 달표면은 레골리스라고 불리는 미세한 모래로 덮여 있어 주행 시 타이어가 가라앉아 파묻힐 가능성이 있다. 이에 접지면을 크게 확보해 레골리스에 파묻히지 않고 주행할 수 있는 타이어를 설계할 필요가 있다.

-- 낙타 발바닥에서 착상 --
1세대는 사막에서 짐을 옮기는 낙타의 발바닥에서 착상을 얻어 타이어를 개발했다. 내환경성이 높은 스테인리스강(SUS) 막대를 코일 형상으로 하고, 그것을 엮어 타이어 형상으로 한 뒤, 타이어의 트레드부(노면과 접촉하는 면)에 SUS제의 부드러운 펠트(섬유를 압축해 옷감으로 만든 부직포)를 배치했다.

브리지스톤은 이것을 ‘코일 스프링 구조’라고 부른다. 스프링의 강성과 인장력 등으로 하중을 지탱하며, 펠트를 통해 고운 모래와의 사이의 마찰력을 높여 주파성을 확보한다.

브리지스톤은 돗토리 사구(돗토리현)에 있는 달표면 실증 필드에서 이 타이어의 테스트를 거듭해 트레드부에 금속 펠트를 붙임으로써 주파성이 높아지는 것을 확인했다고 한다.

-- 공기 충전이 필요 없는 타이어에서 힌트 --
그러나 개발을 시작할 당시에는 알 수 없었던 달표면의 주행 환경과 미션의 정의, 미션을 수행하기 위해 차량에 요구되는 조건 등이 차츰 분명해졌다. 이를 통해 “1세대의 타이어 구조에는 큰 브레이크스루가 필요한 것을 알게 되었다”(오타 부장).

그래서 브리지스톤은 이전부터 구상해 온 타이어 구조를 도마 위에 올려 2세대 개발에 착수했다. 브리지스톤이 중기사업계획(2024-2026)의 탐색 사업으로서 계속해서 개발하고 있는, 공기 충전이 불필요한 차세대 타이어 ‘에어 프리’의 기본 콘셉트를 답습한 구조이다.

에어 프리는 타이어 측면에 배치한 특수 형상의 수지 스포크로 하중을 지탱하는, 공기를 사용하지 않는 지상용 타이어다. 스포크는 지면에 접지하는 고무와 휠을 연결해 하중을 지탱할 뿐 아니라 충격을 흡수하는 기능도 갖는다. 펑크가 나지 않는 것이 가장 큰 장점이다.

-- 스포크 구조로 내구성과 주파성을 양립 --
물론 달표면용 타이어에는 에어 프리와 같은 수지를 사용할 수 없다. 2세대 타이어는 SUS제 판스프링으로 스포크를 구성해 굽힘 강성으로 하중을 지탱하는 ‘스포크 구조’로 했다. 게다가 1세대를 통해 얻은 지식을 응용해, 회전 방향으로 분할한 트레드부에 SUS제 펠트를 부착했다.

일반적으로 타이어의 내구성과 주파성은 상반된 관계에 있다. 2세대는 스포크 구조로 함으로써 1세대보다 내하중이 증가해 내구성이 높아졌다. 반면 타이어가 쉽게 변형되지 않기 때문에 그대로는 모래 위의 주파성은 떨어진다.

그래서 2세대는 접지면인 트레드부에 사각형 형상의 금속 펠트를 붙였다. 1세대는 접지면이 타원 형상이 되는데 비해, 더 큰 접지 면적을 확보할 수 있기 때문에 모래에 파묻히지 않게 되면서 주파성도 높아진다고 한다.

2세대는 설계 자유도가 높은 점도 특징이다. “1세대의 코일 스프링 구조라면 코일의 조립법이 한정적이지만, 2세대는 스포크의 형상이나 두께, 폭 등을 구조 시뮬레이션을 통해 최적화할 수 있다”(브리지스톤 타이어연구제1부).

현재 유인여압로버는 개발 중이다. 차량의 사양이나 타이어에 요구되는 조건 등은 앞으로 업데이트될 가능성이 높다. 브리지스톤에서는 돗토리 사구에서 2세대 타이어의 주행 테스트를 실시하는 등 데이터를 취득해 개량해 나갈 방침이다.

브리지스톤 타이어연구통괄부문의 유미이(弓井) 부장은 실용화를 위한 과제에 대해 이렇게 말한다. “실제 달표면이 어떤 상황이며, 탐사차로서 어떻게 달리게 할지 아직 불분명한 부분이 남아 있다. 유인 탐사차는 가령 타이어가 바위에 부딪히더라도 우주비행사의 안전을 지켜야 한다. 그것을 어떻게 보장할 것인가는 큰 과제다”.

 -- 끝 --

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