항공기용 수냉식 냉각판은 고집적/고발열 안테나 장비에 적용되는 부품으로, 우수한 방열 성능을 확보하여야 한다. 따라서 내부는 여러 채널의 냉각 유로를 가지는 복잡한 형태로 설계되어 있다. 이를 실제 구현하기 위해서는 내부 유로 가공이 완료된 두 판을 하나로 접합하는 방안이 필요하다. 접합부의 견고한 접합성, 타 부품을 실장하고 구조적 역할에 대한 필요성 등으로 인해 접합 대상을 가열하고 압착하여 접합하는 방식의 공법을 적용하였다. 이 접합 공법의 장점은 별도의 접착제를 사용하지 않고 모재의 융점을 이용하여 접합하는 방식으로 접합 시 별도의 접합면이 식별되지 않으며 접합성이 좋아 접합부의 기계적 강도가 이외의 영역보다 좋게 나타난다.

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대상 냉각판의 주 재질은 알루미늄 합금으로 기본적으로 열처리된 소재를 사용하게 되는데 가열/압착 방식의 공정을 적용한 후 열처리 풀림 현상이 발생하여 알루미늄 합금의 기계적 성질이 열처리 전과 유사한 상태가 된다. 따라서 알루미늄 합금의 기계적 강도를 확보하기 위해 별도의 열처리 공법이 필요하게 되며, 접합 공법과 열처리 공법이 포함된 특수 접합 공정을 확립하였다. 특수 접합 공정을 이용하여 제작된 시편에 대한 특성 시험을 통해 기계적 강도 등의 물성치를 확보하였으며, 작업성 및 공정 운용 환경 등을 고려하여 구조 해석상의 허용 규격은 시편시험을 통해 확인된 최소 값을 고려하여 설계하였다.

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방열판의 변형이 발생하지 않아야 하는 Proof 압력시험 조건에 대해서는 항복강도(Yield Strength)에 대한 안전율을 계산하였으며, Burst 압력에 대해서는 변형이 있더라도 파손이 되지 않는 조건에 따라 극한강도(Ultimate Strength)에 대한 안전율을 계산하였다. 해석 결과는 Burst 압력이 내부에 발생했을 때, 최대 약 93.3Mpa이 발생하였으며, 마진을 고려하여 SF 값을 1.5로 계산하였을 때, Proof 및 Burst 압력에 대한 안전율은 각각 0.51/ 0.1로 계산되었다. 구조 해석을 통해 일차적으로 검증된 수냉식 냉각판은 제작성 확인을 거쳐 실제 내압 안전성 측정을 위해 내압 시험기에 판을 설치 후 냉각액을 주입하여 확인하였다. 시험 안전을 위해 바로 시험 압력을 인가하지 않고 단계를 높여가는 식으로 시험을 진행하였으며, 압력을 높여가는 단계에서의 냉각판 변형은 Dial Gage를 통해 확인하였다.

3D 스캔 및 Dial Gage 측정 결과에 따르면 Proof 압력 인가 후 시험 전 대비 최대 0.024mm의 측정 차가 발생하나 Dial Gage 측정위치 및 계측기 오차 등을 고려 하였을 때 변화가 거의 없다고 판단할 수 있다. Burst 압력 시험 후 변화량은 최대 0.084mm로 변형이 발생하였다. 그러나 3D 스캔 결과 상태는 시험 전보다 오히려 좋은 결과, 즉 모델링 대비 전체적인 치수 편차가 줄어든 것을 확인할 수 있다. 이는 접합 및 열 처리 등에서 발생한 미세한 수축/팽창, 뒤틀림 등이 압력을 받은 후 오히려 교정되는 효과를 나타낸 것으로 추측된다.

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이 시험 결과는 제품의 일반공차인 ±0.2mm 보다 작은 수치로 내압에 대한 변형은 거의 발생하지 않았으며, 별도의 누수현상도 발생하지 않았다. 본 연구의 결과로 특수 접합 공정을 통한 알루미늄 합금의 기계적 특성 파악, 구조 M&S 및 실제 시험을 통한 항공기용 수냉식 냉각판에 대한 내압 구조 안전성을 확인하였으며, 특수 접합 공정에 대한 신뢰성을 확보할 수 있었다.

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출처 : 특수 접합 공정을 적용한 항공기용 수냉식 냉각판의 내압 성능 분석(한국군사과학기술학회 2018 추계학술대회)