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Nikkei X-TECH_2020.10.19

일본 차기 주력 로켓 H3, 제조 비용 절감의 노하우
그 열쇠는 의외의 3D프린터

차기 국산 주력 로켓으로서 우주항공연구개발기구(JAXA)가 개발을 추진하고 있는 ‘H3 로켓’. 그 메인 엔진인 ‘LE-9’에서 오류가 발견되면서 아쉽게도 시험기 1호기 발사는 2021년으로 연기되었다. 이번 결함의 원인과는 별도로, LE-9에 적용한 다양한 신기술 가운데 필자가 주목한 것은 적층 제조(Additive Manufacturing, 3D 프린팅) 기술의 적용이다. 적층 제조는 일반적으로 생산성이 낮은 것이 단점으로 비용 측면에서 채택하는데 걸림돌이 되기 쉽지만, JAXA는 그와 반대로 LE-9의 비용 절감의 열쇠로 보고 있다.

-- 3D프린팅 기술을 많은 부품에 적용 --
LE-9은 현재의 메인 엔진인 ‘LE-7A’에 비해 구성품 수가 약 20% 삭감된 것으로, 높은 신뢰성과 저비용의 양립을 콘셉트로 개발되었다. 이를 실현하기 위해 적용한 신기술 중 하나가 적층 제조이다. 단면 형상의 적층을 통해 입체 형상을 조형하는 적층 제조는 형상 자유도가 높아 절삭가공 등 기존의 공법으로는 만들 수 없는 복잡한 형상도 조형할 수 있다. 그 결과, 부품의 형상을 최적화하거나 복수의 부품을 일체화하는 등이 가능해짐으로 대폭적인 경량화를 기대할 수 있다.

이번 LE-9은 크게 두 종류의 적층 제조 기술이 적용되었다. 두 기술 모두 재질은 금속이다. 첫 번째 종류는 평평하게 깔린 분말 재료의 표면을 레이저로 주사(走査)해 단면 형상 부분만을 녹인 후 그 위에 분말을 추가하는 동일한 공정을 반복하는 ‘선택적 레이저 용융법’ (SLM: Selective Laser Melting). 두 번째 종류는 레이저를 조사해 금속을 용융한 부분에 분사하는 ‘지향성 에너지 퇴적법’(LMD: Laser Metal Deposition)이다. 후자는 육성(Buildup) 용접에 가까운 방법이다.

구체적으로는 LE-9의 분사기 엘레먼트와 배관, 밸브 케이스에는 레이저 용융법을, 분사기 본체, 연소실 매니폴드, 터보 펌프 케이스에는 에너지 퇴적법이 적용될 계획이다. 이 두 종류를 각각 나누어 적용하는 상세한 이유에 대해서는 현시점에서는 공개되지 않았지만, 적층 제조에서도 방법에 따라 구현할 수 있는 형상이나 정밀도에 차이가 있다. 대략적으로 말하면 레이저 용융법이 치밀하고 정밀도가 높은 조형에 강하며 에너지 퇴적법은 조형 속도가 빠르기 때문에 대형 부품 조형에 적합하다.

JAXA는 LE-9으로의 적층 제조 적용을 단계적으로 추진해나갈 계획이다. 예를 들어 적층 제조 기술을 이용한 분사기는 2021년에 발사될 예정인 시험 1호기에는 도입되지 않는다. 2019년 10월, 실기형 엔진의 연소 시험 결과에 따라 LE-9의 인정연소시험(QT)이 2단계 계획으로 수정되었기 때문이다. 제 1단계(타입 1 엔진)에는 실적이 있는 기계 가공으로 만든 분사기가 탑재, 제 2단계(타입2 엔진)부터 적층 제조로 만든 분사기가 적용된다. 적층 제조로 만든 분사기의 연소 특성을 확인할 필요성이 있기 때문이다.

인정연소시험은 실제 발사에 사용된 엔진과 같은 수준의 설계와 프로세스로 제조한 시험용 엔진을 이용해 기능 및 성능을 확인하고 그 수명을 실증할 목적으로 실시된다. 2020년 2월에 시작된 타입1 엔진의 인정연소시험은 총 8회 실시되었으며, 8회 시험 이후에 앞서 말한 엔진 오류가 발견된 상태다.

2021년에 발사되는 H3의 시험기 1호기에는 타입1 엔진이 탑재된다. 타입2 엔진은 시험기 2호기에 탑재될 계획이며 2022년에 발사될 예정이다.

-- 저비용화를 적층 제조로 실현 --
JAXA는 적층 제조를 LE-9의 저비용화 기술의 하나로 삼고 있다. 앞에서 언급한 바와 같이 적층 제조에서는 부품의 일체화를 포함한 경량화가 가능해 사용하는 재료도 적게 들기 때문이다. 적층 제조는 일반적으로 생산성이 낮다는 것이 단점으로 지적되면서 자동차 부품과 같은 양산품에서는 비용 측면에서 불리하다는 인식이 강하지만, JAXA의 인식이 이와 다르다는 점은 흥미롭다.

현재 적층 제조 기술의 적용 사례가 많은 것은 ‘그램 단위의 경량화로 연비가 크게 향상된다’ 등의 경량화가 제품 가치에 직결되는 분야가 많다. 항공우주분야와 자동차에서도 레이싱카와 고급차 등이다.

적층 제조의 생산성 향상 및 비용 절감이 지속적으로 추진되고 있는 가운데 양산 부품으로의 적용에 따른 어려움은 해소되고 있다. 적층 제조의 장비 제조사와 재료 제조사가 기술적인 개발을 추진하는 한편, 이용자 측에서 가공 노하우도 축적되고 있기 때문이다. 이번 LE-9으로의 적용으로 여러 과제를 해결해 이용하는데 있어서 새로운 노하우를 다수 얻고 있을 것이다. 앞으로 그 구체적 사례들을 취재해 나가고 싶다.

 -- 끝 --

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