메이커 제품 펀딩

보급형 3D 프린터를 이용하여 제작하는 오픈소스 로켓엔진
등록일 : 2018-07-23 10:20:17 조회수 : 682 추천수 : 3
프로젝트 진행기관
tumblbug
펀딩 기간
2018-07-01 ~ 2018-07-29
펀딩 금액
2,000,000
메이커 정보
Power-on
문의 및 연락처

사이트 : 비공개

이메일 : 비공개

페이스북 : https://www.facebook.com/postechrc423/

 

기존에 사용된 로켓 및 로켓 엔진의 경우, 항공용 금속이나 세라믹 등 특수소재를 이용하여서만 제작되어져 왔기에, 제작 비용이 굉장히 많이 들고, 제작 기술의 진입 장벽 역시 높아서 로켓기술은 일반인들이 접근하기에는 굉장히 어려운 주제라는 인식이 있었습니다. 메이커 문화의 증진으로 인해 캔위성 등을 만들 능력을 있으나 로켓을 만들 능력이 부족한 사람들에게 새로운 접근 방식을 부여할 수 있습니다. 본 활동에서는 보급형 FDM 3D프린터를 이용하여, 1만원 미만의 재료비로 로켓엔진을 개발하는것을 목표로 하고 있습니다.
  

1. Who is Power-on?

 '기술의 즐거움과 혜택을 많은 사람들 에게 나눌수 있게 하자'

 Power-on은 포항공과대학교에서 로봇 및 자율 창작을 해 오던 동아리로, 최근들어 축적된 기술을 기반으로 항공우주 동아리인 RC423과 co-work를 통해 로켓과 드론과 같은 항공우주분야까지 발을 넓혔습니다. 고체 및 액체연료 추진기관에 대해 연구 또한 진행하고 있습니다. 최근에는 1박2일 포스텍편에 동아리 선배님이 소개되기도 하였습니다. 기술의 즐거움과 혜택을 많은 사람들 에게 나눌수 있게 하기 위하여 의수와 같은 적정기술 뿐만 아니라 접근성을 높히기 위한 오픈소스 개발의 일환으로 본 프로젝트를 진행하게 되었습니다. 

 2. 왜 위성인가?

 

최근들어 스페이스 엑스, 블루오리진 등 여러 대규모의 기업들이 우주개발에 투자를 하고 있습니다. 이들의 경우 대부분 저렴한 가격에 저궤도 혹은 정지궤도에 위성을 올려놓는것을 목표로 하고 있다는걸 여러 뉴스를 통해 알 수 있습니다.  

위성은 통신, gps, 기상관측 등 현대 사회에서 가장 핵심적인 역할을 맡고 있기에, 국내에서도 위성을 올리기 위하여 숱한 노력들을 해왔습니다. 항공우주연구원 역시 국내의 여러 기업들과 힘을 합쳐, 최근에는 75톤급 KSLV-II의 주 엔진의 테스트가 거의 마무리 되었다고 합니다. 이들이 궤도에 올리는 위성의 경우 지금까지는 n톤단위의 위성을 궤도에 올렸었지만 현재의 트랜드는 소형의 위성 수백대를 저궤도로 올리는 것을 목표로 하고 있습니다. 이름하여 큐브셋(CubeSat)이라고 하는 이 위성은 차세대 우주 시장의 주역이 될 것입니다.

3. 캔위성(CanSat)은 무엇일까?



고흥에서 캔 위성을 발사하는 모습

최근들어서는 아두이노 등의 접근성이 높은 MCU가 발달함에 따라 일반인들 역시 이러한 위성에 관심을 갖게 되었습니다. 우리나라에서도 '망원동 인공위성'의 주인공 송호준씨를 시작으로 하여 많은 사례들이 있습니다. 특히나, 매년 개최되는 캔위성 경진대회에서는 중고등학생, 대학생들 역시 음료수캔 만한 '캔위성'을 발사하는 활동에 참여를 하게 됩니다. 이러한 캔위성들은 약 500m~1km가량의 고도에서 미션을 수행하므로 이를 위해 직접 로켓을 개발 하는 팀들도 점점 많아지는 추세입니다.

캔위성을 원하는 고도로 발사하기 위해서는 로켓이 필요합니다. 하지만 이러한 위성을 올려주는 로켓은,  특수한 소재의 금속이나 세라믹 등을 사용하여 제작 하였으므로 일반인들이 사용할 수 없거나, 매우 비싸다는 단점이 있었습니다. 그도 그럴것이, 고체로켓에 들어가는 고체연료는 수십기압, 그리고 일반적인 금속의 녹는점을 넘는 1500도 이상의 열을 발생시키며 연소하기 때문입니다.

이러한 점 때문에 로켓은 금전적인 면에서나, 기술적인 면에서 최소 대학교 동아리 정도가 되어야 만들 수 있는 산물이 되었습니다. 저희는 우주와, 위성에 관심이 있는 사람들은 누구라도 로켓을 쉽고 안전하게 발사 할 수 있도록 하기 위해 3D 프린터를 이용하여 오픈소스로 로켓을 개발 할 수 있도록 할 계획입니다. 

4. 왜 하필 3D프린터인가?

CNC, 밀링머신보다는 접근성이 높고, 무한상상실과 같은 곳에서 비교적 쉽게 구할 수 있는 보급형 3D프린터를 이용하여 로켓엔진을 제작 할 수 있다면 일반인들의 위성, 더 나아가서 우주에 대한 관심이 늘어날 수 있지 않을까 하는 생각에서 기술 개발을 시작하였습니다. '보급형 3D프린터를 이용한 로켓엔진 제작 방법' 을 오픈소스화 함으로써 로켓에 대해 전문적인 지식을 가지지 않은 사람이라도 로켓을 사용 할 수 있게 됩니다. 

지금까지 3D프린터로 출력한다는 아이디어가 없었던 것은 아닙니다. 하지만 현재까지 나사, 스페이스 엑스 등에서 출력 비용이 매우 비싸고 일반인들은 접근도 어려운 금속 3D프린터를 이용하여 로켓 엔진을 제작한 사례는 많았지만, 플라스틱을 이용하여 보급형 3D프린터로 제작한 사례는 한두건을 제외하고는 거의 없었습니다.

Q. 플라스틱을 기반으로 한 프린터를 사용하면 도중에 엔진이 녹지 않을까요? 

A. 그레인은 초당 6~8mm가량 연소하는데 연소중에는 그레인 자체가 단열재 역할을 하여, 연소실 중심 온도가 1500도에 달하지만 모터케이스의 온도는 연소 도중에도 100도 정도밖에 올라가지 않기 때문에 큰 열적 부담을 주지 않기에, 충분히 엔진을 구성 할 수 있습니다.

2017년 4월 말경에, MIT 로켓 연구회에서 아래와 같은 고체로켓엔진을 제작하였습니다.

추진력은 7kg에 약 2.2초 정도를 연소한다고 합니다.

 

하지만 이는 Carbon fiber를 이용하여 강화된, 다소 비싼 필라멘트를 사용하여 프린팅을 하였고 (kg당 20만원상당), 연소 기압역시 3.5기압 정도로 굉장히 낮아서 성능이 떨어지고 가격은 상당히 비싸다는 단점이 있었습니다. 그래서 이러한 단점을 극복하기 위해서 저희 동아리에서는 설계를 좀 더 개선 해 보았습니다. 

5. 3D 프린터를 이용한 로켓엔진의 개발 과정

내압의 목표는 약 20기압정도로 하고, 상용 FDM프린터에서도 잘 사용할 수 있는 소재를 이용하며, 필라멘트 가격도 상대적으로 저렴한 소재를 이용하여 제작하는것을 목표로 하였습니다. 또한, MIT에서 개발한 엔진의 경우 1회용이었지만 이번에 개발하는 엔진은 플라스틱소재임에도 불구하고 주요 부품들은 모두 재활용이 가능하도록 제작하는것을 목표로 하였습니다.

재활용을 가능하게 하기위해서 기존에는 통짜로 한번에 뽑았던 엔진을 여러 파트로 나누어서, 완전히 분해/조립이 가능하도록 설계하였습니다. 이전에는 메인 구조물을 ABS소재로 뽑았었는데 내경이 커지고 내압이 높아질수록 ABS는 쉽게 폭발하였습니다. 그래서 주로 압력을 받는 구조물인 연소실은 폴리카보네이트로, 나머지 부품인 노즐, 벌크헤드, 연료 몰드는 전부 abs로 출력하여 단가를 낮추었습니다. 이번에는 좀 더 추진력과 내압을 높혀서, 내부기압 20bar에 추력 220N, 연소시간 4초정도 되는 엔진을 제작하였습니다.

총 충격량이 900N s정도로  3kg정도의 탑재체를 싣고 약 1.5km를 비행할 수 있습니다.

아래는 로켓엔진의 단면도 입니다.

 

엔진은 총 4개의 부품으로 구성이 되어 있습니다. 여기서 가장 초점을 맞추어야 하는 부분은, 내부압력이 20기압이나 되기 때문에 원통형의 챔버가 터지거나 찢겨나갈수 있다는 점이고, 또 하나는 프린터의 공차 때문에 생기는 얇은 틈으로 고온 고압의 가스가 비집고 들어가서 부품을 녹이거나, 용접시킬수 있다는점입니다.

둘중 하나라도 발생하게 되면 로켓이 폭발하거나, 각각 부품을 재활용 할 수 없기 때문에 두 문제점 모두 확실히 잡아야 하는 부분입니다.

다음은 연소실의 모습입니다.

폴리카보네이트를 이용하여 출력한 연소실 부분입니다. 두께는 7mm정도가 되고, 무게는 350g정도가 됩니다. 폴리카보네이트 필라멘트가 56000원 정도 하므로 2~3만원정도로 제작이 가능합니다. 앞으로 진행할 연구에서는 PLA와 같은 저렴한 소재로도 로켓을 뽑을 수 있도록 할 계획입니다.

이 부품은 노즐입니다. 연료가 연소하면서 발생시키는 고온 고압의 가스를 버티고, 그 가스를 초음속으로 가속시켜주는 부품이라고 보시면 될 것 같습니다.

이부분에서 가장 Heat Flux가 높으므로, 즉 열적 부하가 많이 가해지므로 일반 플라스틱으로 부품을 구성하면 쉽게 녹아내려 제 기능을 못할것입니다. 그래서 이부분은 ABS로 제작한 다음, 안쪽에 이번에 새로 개발한 '삭마재'라는 재료를 부어 넣습니다.

이 삭마재는 열에 매우 강하지만, 경화제를 넣어야 경화가 되기 때문에 굳히기 전까지는 유동성을 가지고 있어서 노즐모양 몰드에 넣고 경화제를 넣어준 후 3시간 정도 기다리면 형태를 갖추게 됩니다.

연료를 굳히는 몰드 역시도 3D프린터를 이용하여 출력하였습니다. 이를 이용하여, 기존의 연료 몰드보다 훨씬 저렴하고 간편한 방식으로 연료를 제작 할 수 있습니다. (기존 몰드는 중간에 코어봉 빼기가 힘들었죠..)

4개의 부품인 노즐-벌크헤드-몰드-연소실을 전부 조립한 모습입니다. 이를 이용하여, 바로 연소실험을 진행하였습니다.

옆에서 찍은 사진입니다.

생각보다 단면은 크게 그을리지도 않고 양호한 모습을 보여줍니다. 저 틈으로 유출된 가스는 거의 없어 보이는군요.

원래 노즐의 가장 좁은 부분인 노즐목 지름은 13.50mm였는데 13.83mm로 다소 증가한 모습을 보여주지만 1500도의 온도에서 5초간 노출된것 치고는 열 저항이 굉장히 우수한 것을 볼 수 있습니다.

가장 무겁고 출력시간이 긴 연소실의 경우 상당히 양호한 모습을 보여줍니다. 살짝 그을린정도 말고는 녹거나, 눌러붙은곳도 없이 재활용이 가능할 정도의 형상을 보여주고 있습니다. 이를 통해, 3D프린터를 이용해서도 재활용이 가능한 로켓 엔진을 만들 수 있음을 보여주고 있습니다.

6. 프로젝트의 가치와 선물

본 팀은 펀딩받은 돈을 이용하여 연구가 종료 된 이후 관련된 자료들을 모두 후원자들을 통해 오픈소스화 할 계획입니다. 해당 내용을 오픈소스화 함으로써 로켓에 대해 전문적인 지식을 가지지 않은 사람이라도 로켓을 사용 할 수 있게 됩니다. 특히 본 팀의 개발자료는 3D프린터와 연료만 있다면 간편하게 로켓을 만들 수 있게 때문에 더욱 그렇습니다. 따라서 캔위성 대회와 같은 분야에서 위성을 만들 능력을 있으나 로켓을 만들 능력이 부족한 사람들에게 새로운 접근 방식을 부여할 수 있습니다.

이러한 오픈소스 자료는 교육용으로도 사용될 수 있을것입니다. 앞서 언급했듯, 3D프린터만 있다면 로켓의 제작과정 및 구조를 전부 보여줄 수 있기 때문에 교육자료로써의 가치가 높습니다. 실제로 본 동아리에서는 논산대건고등학교, 포항동지고등학교, 충남삼성고등학교 등에 해당 자료를 이용하여 R&E를 진행 한 적이 있습니다.

텀블벅에 이렇게 글을 올리는 이유는 물론 자금이 부족해서, 많은 사람들에게 도움을 요청하고자 한 것도 있지만 이 글을 보시는 많은 분들이 로켓 활동에 관심을 보여주셨으면 하는 의도에서도 이렇게 글을 올립니다. 

저희는 펀딩 받은 돈을 이용하여, 1만원 미만의 재료비로 고도 약 1km를 비행 할 수 있는 일회용 로켓 엔진과, 3만원 미만의 재료비로 고도 1km를 비행할 수 있는 재활용 가능한 로켓 엔진을 개발하여, 설계 도면과 자료, 그리고 STL 파일 등 모델링 파일을 배포하는것이 목표입니다.

후원 시 선물의 경우, 1만원짜리 도면 및 STL파일의 경우, 메일을 통하여 전송을 해 드릴 계획이며 5만원 이상의 선물의 경우는 착불로 배송을 해 드릴 계획입니다.

*15만원, 25만원 선물의 경우, 일정에 따라 약간의 지연이 발생 할 수 있습니다! 이점 유의해주시기 바랍니다!!

7. 질문 및 문의

후원자 문의의 경우 현재 검토 요청 주시는 메일 주소로 받아보시게 되므로 창작자에게 문의하기로 안내 부탁드립니다.

저희 동아리의 소식은 아래의 페이스북 페이지에서 확인 하실 수 있습니다! 문의 역시 아래의 페이지를 통해서도 가능합니다!

https://www.facebook.com/postechrc423/