UAV 드론 분야에서 복합소재의 적용

응용 분야와 사용 목적의 차이로 인해 무인 항공기와 기존 운반 항공기는 제작 재료 및 동체 구조 측면에서 상당한 차이를 보입니다. 운반 항공기 설계 시 가장 먼저 고려해야 할 사항은 인명 안전 계수이며, 항공기 구조 및 재료 하중 지지에 대한 관련 표준 및 요건이 존재합니다. 그러나 드론은 인명 안전 성능 문제를 고려할 필요가 없으며, 동체 구조 설계 및 제작 재료에 대한 다양한 시도와 선택의 폭이 넓습니다. 복합재는 강성, 강도, 내진성 및 피로 저항성, 열팽창 계수 측면에서 더 우수한 성능을 나타내므로 무인 항공기 제작에 선호되는 소재입니다.

（1） 무인 항공기용 복합재료의 응용부품

1. 구조 부품: 드론의 주요 구조, 날개, 꼬리날개 및 기타 부품은 복합 소재로 제작될 수 있습니다. 복합 소재는 가볍고 강도가 높으며 피로 저항성과 내충격성이 우수하여 무인 항공기의 수명 연장과 비행 성능 향상에 기여합니다.
2. 모터실: 모터, 제어기 등 무인 항공기의 핵심 부품도 복합 소재를 사용하여 보호할 수 있습니다. 복합 소재는 우수한 전자파 차폐 성능을 제공하여 전자파 간섭을 효과적으로 줄이고 무인 항공기 전기 시스템의 안정적인 작동을 보장합니다.
3. 방열 소재: 드론은 비행 중에 많은 양의 열을 발생시키며, 복합 소재를 사용하여 방열 핀을 만들면 드론이 효과적으로 열을 발산하고 장비의 정상적인 작동을 보장하는 데 도움이 됩니다.
4. 연료 시스템: 무인 항공기 연료 시스템에 복합 소재를 적용하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다. 예를 들어, 복합 소재 수소 저장 탱크는 드론의 동력원으로 사용되는 수소 가스를 저장하는 데 사용될 수 있습니다.
5. 센서 케이스: 드론에는 GPS, 기압계, 자이로스코프 등 다양한 센서가 장착되어야 합니다. 복합 소재를 사용하면 가볍고 고강도의 케이스를 제작할 수 있으며, 이를 통해 센서를 외부 환경의 영향으로부터 보호하고 정확성과 안정성을 보장할 수 있습니다.

（2） 드론 복합소재 부품 제조 공정 분석

1. 열간프레스 성형 공정

열간 프레스 성형 공정은 무인 항공기용 복합재 부품의 내외부 품질을 경량화하고 균일한 수지 함량과 우수한 기계적 물성을 확보할 수 있습니다. 따라서 무인 항공기의 주요 하중 지지 부품 및 고속 주행 요건을 충족하는 복합재 부품 제조에 선호되는 공정으로 자리 잡았습니다. 열간 프레스 성형 공정의 단점은 낮은 경제성인데, 이는 주로 제조 장비, 초기 투자비, 그리고 가공 비용에 대한 높은 요구 사항으로 나타나며, 이는 이 기술의 대중화를 어느 정도 제한합니다. 따라서 경제적 이점을 고려하여 저온 저압 성형 기술은 실제 드론 제조 공정에서 쉽게 대체되는 경우가 많습니다.

2. 진공백 성형 공정

진공 백 성형 기술의 장점은 비용 효율성이 높고, 최소의 투자 비용으로 이상적인 제조 결과를 얻을 수 있으며, 공정 운영의 난이도가 낮아 보급 및 구현이 용이하다는 것입니다.단점은 성형 압력이 비교적 낮아 구현 대상이 대부분 품질 기준 요구 사항이 비교적 낮은 복합 재료 부품이라는 것입니다.적용 범위 관점에서 진공 백 성형 기술은 소형 저속 무인 항공기용 복합 재료 제조에 비교적 널리 사용됩니다.운영 방법의 관점에서 진공 백 성형 기술의 예비 작업은 주로 사전 함침 재료 배치와 습식 배치의 두 가지 방법을 포함합니다.운영 효율성의 관점에서 사전 함침 재료 배치 공정에서 복합 부품의 접착 코팅은 균일하고 안정성과 품질이 우수합니다.

3. 압축 성형 공정

압축 성형 공정의 장점은 높은 생산 효율, 간편한 조작, 우수한 경제성, 높은 성형 압력, 그리고 드론 제조 시 투입 비용과 생산 품질의 균형을 이룰 수 있다는 것입니다. 적용 범위 측면에서 볼 때, 이 성형 공정은 주로 UAV 폼 샌드위치 구조의 복합재 부품 제조에 사용됩니다. 작업 공정 측면에서 성형 공정은 ① 폼 코어 제작 및 스킨 포장, ② 성형, 압착 및 경화의 두 단계로 나뉩니다. 구현 효과 측면에서 볼 때, 드론 날개 패널의 복합재 부품에 이 공정을 적용함으로써 드론 날개의 미관과 정확성이 크게 향상되었습니다. 또한, 압축 성형 공정의 최적 효과를 보장하기 위해 압축기의 합리적인 선택에도 주의를 기울여야 합니다.

4. 저온성형기술

저온 성형 기술의 장점은 비교적 낮은 공정 비용과 제어 가능한 에너지 소비입니다. 60~80도에서 저온 고분자 수지를 원하는 형상으로 경화할 수 있어 현재 열간 프레스 성형 공정을 효과적으로 보완합니다. 적용성 측면에서 저온 성형 기술은 복합재 부품에 대한 우수한 치수 공차를 가질 뿐만 아니라 상온 및 상압에서 복합 재료를 직접 경화 및 성형할 수 있습니다. 따라서 다양한 유형의 드론에 널리 사용됩니다. 운영 효율성 측면에서 고온 성형 기술 제품과 비교했을 때 저온 성형 기술은 무인 항공기의 제조 비용을 크게 절감하는 동시에 복합재 부품의 우수한 품질을 보장할 수 있습니다. 또한 저온 성형 기술에서 좋은 결과를 얻기 위해서는 수지 및 저온 성형 프리프레그의 지속적인 개선에 주의를 기울여야 합니다.

（3） UAV용 복합소재 비중

드론의 주요 구조 및 날개 구성 요소는 일반적으로 복합재, 알루미늄 합금 등 가볍고 강도가 높은 소재로 제작됩니다. 이러한 소재는 비교적 고가이지만 가벼워 드론의 비행 성능 향상에 도움이 됩니다. 드론 비용에서 구조재가 차지하는 비중은 약 20~30%입니다.

드론 구조물에서 복합재의 중량 비율은 드론의 종류, 크기 및 적용 시나리오에 따라 달라집니다. 일반적으로 드론 구조물에서 복합재의 중량 비율은 50% 이상에 달할 수 있습니다. 대략적인 추정치는 다음과 같습니다.

소형 무인 항공기: 소형 무인 항공기의 경우, 복합 소재의 사용 비율이 상대적으로 높아 전체 중량의 70~80%에 달할 수 있습니다. 이는 소형 ​​드론이 비행 성능 향상을 위해 경량 소재를 사용하는 경우가 많기 때문입니다. 복합 소재는 높은 강도와 ​​강성을 가지고 있어 소형 드론의 구조적 요건을 충족할 수 있습니다.

중형 드론: 중형 드론의 구조재 비중은 상대적으로 낮으며, 복합재가 전체 무게의 약 50~60%를 차지합니다. 중형 드론은 연료, 센서, 탑재체 등 더 많은 하중을 실어야 할 수 있기 때문에 구조재 선택 시 성능과 무게의 균형을 더욱 중시합니다.

대형 무인 항공기: 대형 무인 항공기 구조에서 복합재의 중량 비율은 약 30~40%로 비교적 낮을 수 있습니다. 이는 대형 무인 항공기가 더 큰 하중과 풍하중을 견디기 위해 알루미늄 합금, 티타늄 합금 등과 같은 무거운 구조재를 주로 사용하기 때문입니다. 또한, 대형 드론은 연료, 장비, 인력을 수용할 공간이 더 넓은 경우가 많기 때문에 복합재의 사용 비율이 상대적으로 낮습니다.