Research Highlight (한재흥 교수)

- 종이접기 기술 기반 전개형 우주 방호 구조 -

  이번 Research Highlight에서는 우리 학과 한재흥 교수의 연구인 “종이접기 기술 기반의 전개형 우주 방호 구조” 연구를 소개한다.

  최근 발사체 기술이 발전함에 따라, 심우주 탐사 및 유인 우주 미션 등과 같은 우주 미션의 범위가 확대되었다. 그러나 우주 환경에는 고에너지 우주 방사선, 미소유성체의 초고속 충돌과 같은 다양한 위험 요소가 있어 사람과 장비에 치명적이다. 따라서 지속적이고 장기적인 유인 미션을 위해서는 우주 방호구조가 필수적이다. 하지만 아직까지 달이나 화성에서 활용된 실제 우주 방호구조 사례는 없으며, 이를 개발하는 것은 도전적인 과제이다. 이는 운송을 위해 발사체에서 요구하는 부피 제약조건과 우수한 방호 성능을 위한 두꺼운 재료 및 큰 규모의 건축에 대한 요구조건이 서로 상충하면서 발생한다. 뿐만 아니라, 기존에 제시된 방식들은 현장에서의 설치에 많은 시간과 자원을 요구하기 때문에 초기 우주 방호구조로는 실용적이지 않을 수 있다.

  한편, 종이접기 기술은 체계적인 패턴에 따라 얇은 평판을 접음으로써 구조물의 형상, 크기 및 기계적 물성치를 변형시킬 수 있으며, 이러한 특유의 성질을 이용하여 최근에는 로봇이나 우주 구조물뿐만 아니라 건축물과 같은 대형 구조에도 활용되고 있다. 그러나 종이접기 기술을 이용하여 대형 구조를 설계하고 전개하는 것은 매우 복잡하고 도전적이다. 왜냐하면 얇은 패널로 이루어진 종이접기 기반 큰 스케일의 구조의 경우, 하중에 의해 쉽게 변형되고 구조적으로 취약하며, 전개가 불안정해지기 때문이다. 반면 패널이 두꺼워지게 되면 패널 사이의 간섭에 의해 전개 모션이 제한되며, 이를 해소하기 위해서는 패턴의 복잡도가 높아져야 하며 최종적으로는 전개 구동을 복잡하게 한다.

< KAIST AE 한재흥 교수 >

  기존의 우주 쉘터 개념의 한계를 극복하기 위해, KAIST 항공우주공학과의 스마트 구조 및 하드웨어 시스템 연구실 (지도교수: 한재흥) 에서는 종이접기 기술을 기반으로 하는 전개형 우주 쉘터 개념을 제안하였다 (그림 1). 제안된 전개형 우주 쉘터의 기초가 되는 종이접기 패턴은 두꺼운 패널을 적용할 수 있으면서도 간단한 메커니즘으로 전개와 수납이 가능하기 때문에, 효율적인 운반성, 우수한 방호 성능, 신속하고 안정적인 전개와 같은 우주 방호구조의 요구조건을 만족할 수 있다.

< 그림 1. Conceptual figure of Origami-based Deployable Space Shelters >

< 영상 1. Deployment of Proof-of-concept Model >

  전개형 우주 쉘터 디자인의 기초 패턴은 그림 2 (a)에 나타낸 바와 같이 하나의 평면을 이용하여 다양한 형태로 접을 수 있으며, 최종 형상은 옆면이 피라미드로 둘러 쌓인 형태를 갖는다. 이 패턴은 설계 파라미터에 따라 최종 형상과 내부의 사용가능한 부피가 달라진다. 제시된 패턴은 납작한 수납 형태에서 그림 2 (b)와 같은 전개 과정을 통해 최종적인 쉘터 형상을 갖는다. 전개 과정동안 패널부에는 변형이 발생하지 않기 때문에 두껍고 단단한 패널을 적용할 수 있으며, 패널의 두께나 구조의 크기에 따라 설계가 가능하다.

< 그림 2. Foundational Pattern for the Deployable Space Shelter (a) Various Patterns and Operational Shapes, (b) Folding Process of Paper Model and Thick-paneled Model >

  이러한 패턴을 기반으로 하는 전개형 우주 쉘터 구조는 컴팩트한 수납이 가능하기 때문에 발사체를 통한 효율적인 운반이 가능하다. 정량적인 예시로, SpaceX의 Falcon-9의 탑재 부피 공간을 고려하면, 구조물이 40mm 두께의 패널로 구성되고 높이 약 2m, 지름 약 5m 크기의 최종 형상을 갖는 우주 쉘터 구조를 단 한 번의 발사로 최대 20대 이상을 동시에 운반할 수 있다.

< 그림 3. Efficient Storage of Multiple Shelters in One Launch Vehicle (Launch Vehicle Image Credit: SpaceX) >

  해당 연구에서 제시한 새로운 형태의 우주 방호구조 개념은 미래 우주 임무에 필수적인 우주 방호 구조 개발의 새로운 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구의 선행 결과로 관련 분야 SCI급 국제학술지인 'AIAA Journal, Vol. 61, No. 12’ (Impact Factor: 2.5)과 'Journal of Mechanical Design, Vol. 145, No. 12' (Impact Factor: 3.3)에 게재하였다. 현재는 대형 미터급 모델을 제작하여 전개 시험 등의 연구들을 수행하고 있으며 실제 우주 임무에 활용 가능함을 더욱더 입증해 나가고 있다.

원문        한재흥 교수[jaehunghan@kaist.ac.kr]

편집                    이승찬[aero_sc@kaist.ac.kr]