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뉴스페이스 시대 우주소재, 개발 넘어 價·신뢰성 검증체계 必

美·유럽·日, QPL·QML 등 소재·부품 인증체계 구축

韓 전문 시험인프라 부재, 시험평가·데이터 기반 필요

2.3 우주 환경 소재 평가 및 인증

뉴스페이스 시대에 접어들어 우주 분야의 산업화가 진행됨에 따라 국가 주도 개발 시기에 크게 고려하지 않았던 우주 소재 및 부품의 가격 경쟁력 향상 요구가 높아지고 있다. 국내에서도 소형위성 개발기업을 중심으로 소재 및 부품 비용을 절감함과 동시에 신뢰성을 향상할 기술 개발이 필요하다. 미국의 우주용 소재 및 부품의 인증체계는 NASA Part Selection List(NPSL), DLAQPL(Qualified Parts List) 및 DLA-QML(Qualified Manufacturer List)에 기반을 두고 있으며, 이는 과거 군사 규격에 기반하여 항공산업과 비슷한 인증체계를 구축하였다.

유럽의 우주용 소재 및 부품의 인증체계는 ESCC(Q-60) 및 ECSS를 중심으로 항공산업과 유사한 구조인 EPPL(European Preferred Parts List) Part I/II, QPL(Qualified Parts List), QML(Qualified Manufacturer List) 등으로 구성되어 있으며, 소재는 ECSS(Q-70)를 기반으로 한다. 일본의 우주 소재 및 부품 인증체계는 NASDA QPL(Qualified Parts List), JAXA(Japan Aerospace Exploration) QPL(Qualified Parts List), JAXA-QML(Qualified Manufacturer List), JAXA ADS(applicatio data sheet, ADS) List 등에 기반하고 있다. 반면, 우리나라는 아직 우주용 소재 및 부품 인증제도를 구비하지 못했으며, 우주산업의 기반이 되는 소재, 부품 및 공정의 인증체계를 갖추는 것은 관련 산업을 육성하는 데 기초가 되는 중요한 요소이다.

우주 환경 소재는 원자산소, 복사 및 진공과 열주기 등과 같은 우주 환경에 크게 영향을 받는다. 우주 환경 영향성 중에서 위성용 재료에 영향을 미치는 중요한 고려 대상에는 진공(vacuum), 복사(radiation), 온도(temperature), 원자산소(atomic oxygen), 부식(corrosion), 응력부식(stress corrosion cracking), 수소취성(hydrogen embrittlement), 자기특성(magnetism), 액체 호환성(fluid compatibility), 기체방출 특성(outgassing), 내화성(flammability) 등이 있다.

▲ <표 1> 미국 우주 환경 소재 및 공정 규격
▲ <표 2> 유럽 EPPL 인증 부품 목록 구성

우주 환경용 소재의 적합성은 지상 환경, 발사 환경 및 우주 환경 요소(지상 온/습도, 지상 하중, 발사 진동 및 충격하중, 저진공, 자외선, 원자산소, 입자복사)에 의한 소재 특성이 임무수명 기간 동안 유지되어 요구조건을 만족하는지이다. 우주 환경에는 지상 및 발사 환경과 다르게 원자산소에 의한 자재 침식, 자외선에 의한 색상 변화, 고진공에 의한 기체방출 현상, 전하에 의한 충/방전 현상, 극심한 온도변화에 따른 열팽창 수축, 미세 운석 및 입자에 의한 외부 충돌 등이 있다. 이러한 우주 환경 요소가 자재에 미치는 영향은 개별적으로 나타나지 않고 상호작용을 일으키며 자재 특성 변화를 초래하기 때문에 지상에서 우주용 자재를 정확하게 검증하는 데 많은 어려움이 있다.

우주용 자재 선정 및 검증 규격으로 NASA 및 ESA 기술표준, 미국방 규격(MIL-STD) 및 ASTM 표준규격 등으로 정의되어 있으며, 이 중 나사 마샬 스페이스 플라이트 센터(NASA Marshall Space Flight Center)에서 1998년 발행한 MSFC-HDBK-527은 우주 환경에서 금속 및 비금속 자재의 적합성 여부를 판정한 정보를 수록하고 있다.

최근 미국 NASA는 MAPTIS(Material and Process Technical Information System)라는 재료 및 공정 데이터베이스를 웹(web) 기반으로 운용하면서 외부에는 비공개하고 있으며, ESA 및 일본 우주항공연구개발기구(The Japan Aerospace Exploration Agncy, JAXA)도 역시 ESMAT와 NIMS(Nims Materials Database, MatNavi)라는 머티리얼(material) 데이터베이스를 별도 운영하나 이 역시 일부 구 데이터(old data)를 제외하고는 외부 비공개라서 유럽연합 및 JAXA 이외에는 접근할 수 없다. 따라서 우리나라는 재료 및 공정과 관련해서 2000년 이전 자료에만 제한적으로 확인할 수밖에 없다.

▲ <그림 1> 우주 환경에 따른 영향
▲ <그림 2> 소재에 미치는 우주 환경의 영향
▲ <표 3> 궤도에 따른 우주 환경이 소재에 미치는 영향
▲ <표 4> 우주 환경용 소재 선정에 관한 ESA 규격

고진공, 자외선, 입자복사 및 원자산소와 같은 우주 환경 요소가 자재에 미치는 영향은 개별적인 현상이 아니라 상호 복합적으로 작용하여 나타나는 현상이며, 지상에서 우주 환경용 소재의 성능변화를 정확하게 예측하는 데는 많은 기술적 한계가 존재한다. 이를 극복하고자 우주 환경을 복합적으로 모사하는 지상 시험 장비를 개발하거나 국제우주정거장 및 우주왕복선 등을 활용한 우주 환경의 장기 노출시험을 지속적으로 수행하는 등 우주용 신소재 활용을 위한 연구개발에 박차를 가하고 있다.

NASA의 경우, 저궤도 고도에서 장기간 노출된 우주용 자재의 성능변화를 연구할 목적으로 LDEF 실험위성을 1984년 우주왕복선 챌린저호에 장착하여 발사하였다. 챌린저호 사고로 회수계획이 지연되어 1990년 콜롬비아호가 회수하였으며, 장기간 우주 환경에 노출된 시편을 확보한 좋은 기회로서 LDEF 실험위성을 통해 우주 환경이 영향을 미친 소재 성능변화에 관해 많은 연구가 이루어졌다. LDEF 실험위성 이후 NASA는 2001년부터 <그림 3>과 같이 국제우주정거장 외부에 가방 크기의 시편 패널을 장착하여 장기간 우주 환경에 노출한 후 우주왕복선으로 지상 회수하는 MISSE 프로그램을 운영하고 있다.

▲ <그림 3> 소재의 우주 환경 실험 예, NASA LDEF
▲ <그림 4> 우주용 소재 실험 예, NASA MISSE

선진 우주 기관(NASA, ESA)의 경우 우주 프로그램에 사용되는 자재 선정기준은 NASA-STD-6016, ‘Standard Materials and Processes Requirements for Spacecraft’ ECSS-Q-70-71, ‘Data for selection of space materials and processes’로서 세부 선정 분류기준은 아래와 같이 규정하고 있다.

·Temperature ·Thermal cycling ·Vacuum outgassing ·Manned environment ·Offgassing and toxicity ·Bacterial and fungus growth ·Flammability ·Radiation ·Electrical charge and discharge ·Lightning strike ·Chemical(corrosion) ·Stress corrosion resistance ·Fluid compatibility ·Galvanic compatibility ·Atomic oxygen ·Micrometeoroids and debris ·Moisture absorption and desorption

세부 선정 분류기준 및 소재 특성에 영향을 미치는 파라미터에 따른 고려사항들은 아래와 같다.

·진공 : 우주 환경의 영향 중 진공의 영향으로 재료는 기체방출이 발생하고 이로 인한 다양한 문제가 위성 시스템에 영향을 미치게 된다.

·복사 : 우주 환경 복사 특성은 인공위성의 성능 중 특히 내/외부 구조물 및 유닛들의 열 조절(Thermal control)과 전기전자부품(EEE Part)의 성능 특성에 많은 영향을 미친다.

·온도 : 일반적으로 위성은 필요시 내/외부 다중 박막 차폐(multi layer insulator, MLI)를 통해 직접적인 모든 태양활동에 따른 열적 영향을 받지 않도록 설계되나, 기본적으로 태양의 활동에 따른 온도변화에 대처할 수 있는 온도변화 범위에서 모든 유닛이 정상 작동하도록 먼저 기본적으로 재료적인 측면에서 고려되어야 한다.

·원자산소 : 저궤도상에서 원자산소의 생성은 태양에서 전달되는 극자외선방출(Extreme-UV Radiation) 에너지를 산소분자가 흡수하여 분자의 광분해(Photo-dissociation) 현상을 유발하고 산소분자의 화학적 결합이 분리됨에 따라 저궤도상에 원자산소를 생성되게 된다. 분리된 원자산소는 약 4~5ev 에너지를 가지고 궤도속도에 해당하는 약 7~8km/sec 속도로 위성 표면에 충돌하게 되며, 충돌한 원자산소는 외표면 자재의 화학적 원자 결합 부위에 침투하여 부식 산화작용을 하고, 연속된 원자산소의 충격에너지를 받아 자재 표면에서 이탈함으로써 점진적으로 자재 두께를 감소시키게 된다.

이를 위하여 가스 분포 및 태양활동에 의한 원자산소 밀도변화 데이터를 알아야 하며 태양활동의 주기 역시 계산해야 한다. 저궤도 위성의 원자산소 충돌 총량을 예측하고자 고도별 기체 밀도를 정의하는 대기모델(Atmosphere Model)에 대한 연구가 오래전부터 많이 이루어져 왔다. 현재까지 적용되는 모델로는 NASA 고다드우주센터(Goddard space flight center, GSFC)에서 개발한 NRL MISISE-00 Model이 대표적이며, 기타 MET V2.0 및 DTMB78 Model 등이 있다.

KOMPSATs의 경우, 태양활동에 따른 저궤도 원자산소 밀도를 예측하려고 MISISE-00 Model을 사용하였으며, ESA에서 제공하는 스페이스 인바이런먼트 인포메이션 시스템(space environment information system, SPENVIS)을 이용한다.

·부식 : 일반적인 위성의 부식은 금속의 전기 화학적 산화(electrochemical oxidation)가 대표적이다. 금속재료의 경우, 특히 이종 재료의 갤바닉 부식(galvanic corrosion) 등이 중요 고려 대상이다. 이러한 기준은 MIL-STD-889 및 ECSS-Q-70-71을 따라야 한다.

·응력부식 : 응력부식(stress corrosion cracking, SCC)은 금속부식의 일종으로서, 지속적인 인장 스트레스(sustained tensile stress)와 부식(corrosion) 간의 상호 복합된 작용에 따라 설계된 금속의 강도 이전에 파괴되는 현상이다. 위성의 금속재료 선정 시 SCC의 특성을 반영하여 선정해야 한다. 이러한 기준은 NASA MSFC-SPEC-522 또는 ECSS-Q-70-36 문서에 규정되어 있다.

·수소취성 : 수소취성(hydrogen embrittlement)은 금속이 수소에 노출되었을 때 쉽게 깨지는 현상이다. 고온에서는 수소의 용해도가 증가하여 금속으로 침투하기 쉬우며, 수소 원자가 금속의 매트릭스와 재결합하여 금속의 연성(ductility)과 인장강도(tensile strength)를 감소시키게 된다. 고강도강 또는 타이타늄 합금의 경우 이러한 수소취성에 대한 민감도를 고려하여야 한다.

·자기특성 : 위성용 재료로 자성을 띠는 재료는 사용이 금지되며, 특수한 목적의 자성재료는 반드시 식별되고 특별히 관리되어야 한다. 특히 EMC 관점에서 운용장비, 전자장비 등의 최대 자기모멘텀(magnetic momentum)의 일반적인 요건은 모든 방향으로 0.5m2 이하로 규정하고 있고, 자력계(magnetometer)의 자기장 역시 모든 위성 장비에서터 50mG 이하로 규정하고 있다.

·액체 호환성 : 위성용 재료는 액체산소 또는 산소가스 및 다른 액체에 접촉되는 경우가 있을 수 있으므로 일반적으로 액체 호환성(fluid compatibility)을 가져야 한다. 위성용으로 사용되는 반액체는 Hydrazine(N2H4), 모노메탈하이드라진(monomethyl hydrazine, MMH), Nitrogen Tetroxide(N204), Nitrogen Monoxide(NO) 및 IPA 등이 있을 수 있다. 금속 및 비금속 재료는 이러한 액체에 반응해서는 안 되며, 금속재료인 경우는 특히 추진제(propellant)에 노출되었을 경우라도 표면 부식이 발생해서는 안 된다.

·기체방출 특성 : 우주 환경의 다양한 영향에 따라 발생하며, 기체방출 특성 (outgassing)은 고진공 상태에서 재료에서 방출되는 기체의 특성이다. 통상적으로 인공위성에 사용되는 재료의 규정은 TML(Total Mass Loss) (또는 RML(Recovered Mass Loss)) <1% 및 CVCM(Collected Volatile Condensable Material) <0.1%이다. 이러한 기체방출 특성은 NASA MSFC-SPEC-1443, ECSS-Q-ST-70-02C 또는 ASTM E595/JSC SP-R-0022에 따라 시험이 시행된다.</p>

·내화성 : 위성용 재료는 또한 기본적으로 내화성(flammability)을 가져야 한다. 다양한 화염 및 화염 전파 시험(flammability and propagation test)은 ECSS-Q-70-21에 따라 시행해야 한다. 통상적으로 위성용 재료는 비행용으로 사용되는 중요 유기재료(organic material)는 비화염 특성(nonflammable)이어야 하고, 공기 중 해당 형상을 구현하여 시험 시 자체적으로 화염소멸(self-extingushing)이 가능하여야 한다.

2.4 국내외 선도연구기관

1) 경량금속 소재

위성체를 적용할 수 있는 경량금속 소재기술 분야의 국내외 선도 연구기관 및 주요 연구내용은 <표 5>, <표 6>과 같다.

▲ <표 5> 경량금속 기술-국내 선도연구기관
▲ <표 6> 경량금속 기술-해외 선도연구기관

2) 고분자 복합재

우주 환경용 고분자 복합재 분야 연구의 국내외 선도연구기관은 <표 7>과 <표 8>에서 확인할 수 있다. 국내는 정부 출연연구원과 대학교에서 고온용 고분자와 복합재료 연구를 활발히 진행하고 있고, 해외에서는 특히 국가 주도의 연구기관에서 오래전부터 우주용 고분자 및 탄소섬유 등의 원천 소재부터 복합재 제조 공정연구까지 깊이 있게 연구되어 왔다.

▲ <표 7> 고분자 복합재 기-국내 선도연구기관
▲ <표 8> 고분자 복합재 기술-해외 선도연구기관

3) 평가 및 인증

우주 환경용 시험평가 및 인증에 관련된 국내외 선도연구기관은 <표 9>, <표 10>에서 확인할 수 있다. 우주 선진국인 미국, 유럽, 일본, 중국은 정부 주도의 시험기관이 설립되어 있으며 부품을 제작하는 민간에서 시험을 시행하는 경우도 있다. 반면, 국내에서는 우주 환경용 소재, 부품을 전문적으로 시험하는 기관은 없으며 한국항공우주연구원이 자체적으로 시험을 실시하거나 국내 관련 기업 및 연구소와 협력해 우주 환경에 필요한 시험을 시행하고 있다.

우주선, 위성 등과 같은 체계 인증은 각 국가의 우주 기관별로 자체적으로 구축한 기준과 제도에 따라 이루어진다. 우리나라는 아직 독자적인 인증제도가 구축되어 있지 않으며, 우주 선진국의 체계 및 제도를 활용하여 개발 및 검증요건을 부여하고 있다. 하지만 위성, 우주발사체 등을 제작하는 데 사용하는 소재는 항공용 소재기준(금속의 경우 MMPDS, 복합재는 CMH-17)에 근거하여 설계된다.

▲ <표 9> 우주 환경 시험평가기술-국내 선도연구기관
▲ <표 10> 우주환경 시험평가기술-해외 선도연구기관

출처 : 신소재경제(https://www.amenews.kr/)