공기정역학적 진공-공압 셀 폼 |
 이미지 제공: Johnny Yesterday |
A. 2부분 공압 셀의 절반을 측면에서 본 모습으로, 한쪽에 내부 진공 셀이 명확하게 보인다.
B. 2부분 공압 셀의 절반을 끝에서 본 모습으로, 공압 셀의 재료를 통해 내부 진공 셀이 부분적으로 보인다.
C. 2부분 공압 셀의 절반을 등각투영으로 본 모습으로, 내부 진공 셀이 보인다.
D. 2부분 공압 셀의 절반을 등각투영으로 본 모습으로, 내부 오목한 표면이 보인다.
E. 공압 셀을 끝에서 본 모습으로, 내부 진공 셀이 부분적으로 보이며, 8개의 꼭짓점 중심 진공 셀 중 4개가 명확하게 보인다.
F. 공압 셀을 등각투영으로 본 모습으로, 내부 진공 셀이 희미하게 보이며, 8개의 꼭짓점 중심 진공 셀 중 7개가 명확하게 보인다.
G. 에어로백 폼(Aerovac foam) 큐브의 모습.
H. 최소 타입 2 격자 단위의 측면도.
I. 최소 타입 2 격자 단위의 상승 시점 뷰.
공기정역학적 진공-공압 셀 폼(에어로백 폼, 백-폼 등)
에어로백 폼은 진공 공기정역학 기술에 기반을 두고 있지만, 기준 구조에 비해 치명적 고장 저항성을 실질적으로 향상시킨 공기보다 가벼운 비행선, 구조물 등을 만드는 데 사용되는 기술이다.기본적인 진공 공기정역학 기구는 구형 또는 타원체 형태의 얇은 껍질 용기이다. 용기의 벽은 세 개의 층으로 구성된다: 동일한 두께의 내부 및 외부 고체 층, 그리고 그 사이에 벌집, 망상 폼, 또는 공간 프레임 구조를 가진 훨씬 두꺼운 코어 층이다. 이 구조를 충분히 높은 탄성 계수와 인장·압축 강도를 갖춘 재료로 만들면, 좌굴 붕괴에 대해 충분한 안전 계수를 지닌 공기정역학 구조를 생산할 수 있다. 탄화규소, 탄화붕소, 다이아몬드 유사 탄소 및 베릴륨이 적절한 특성을 가지고 있다; 따라서 진공 공기정역학 기구는 중간기술(Middle-tech)1의 고급 제조 능력 범위 내에 있다.
탄화붕소를 활용하면, 진공 공기정역학 기구에 5.42의 안전 계수, 즉 100 kPa의 표준 압력에 대한 좌굴 붕괴를 견디는 데 필요한 최소값보다 442% 높은 수준을 부여할 수 있다. 폴리-아다만틴 복합재와 같은 하이테크(High-tech) 나노제작 재료는 안전 계수를 개선하지만, 단일체 구조는 좌굴이나 파열에 무적이 아니다. 해결책은 세분화이다; 단일체 진공 공기정역학 기구 대신, 그것이 차지할 공간의 부피를 수많은 작은 반복 구조로 테셀레이션한다. 그러나 이 해결책만으로는 충분하지 않다. 표면 곡률 때문에, 밀집된 구체들은 표면의 점에서만 서로 접촉한다. 이 점들은 집중된 응력의 위치이며, 집중된 응력은 쉽게 좌굴 붕괴로 이어질 수 있다. 진공 구체들 사이의 응력은 표면적에 걸쳐 더 균등하게 분산되어야 한다. 이것은 주로 두 가지 다르지만 유사한 방법으로 달성된다.
첫 번째 방법에서는 각 진공 셀을 공압 셀 샌드위치의 코어 내부에 감싸 매달아 둔다. 공압 셀은 각 진공 셀이 서로 직접 접촉하는 것을 격리하는 역할을 하며, 그들 사이에 완충재를 제공하여 표면에 걸쳐 하중을 균등하게 분산시킨다. 이 공압 셀들은 다양한 형태를 가질 수 있다. 가장 효율적인 설계는 구형으로 절단된 꼭짓점을 가진 정육면체 셀로 구성된다. 진공 공기정역학 기구는 체심 입방 격자 구조로 배열된다; 더 큰 직경의 진공 구체는 각 단위 셀의 중심점에 위치하며, 약간 작은 진공 셀2은 8개의 모서리(꼭짓점) 지점에 위치한다. 설명 목적으로 공압 셀은 많은 이미지에서 반투명하게 표시된다. 실제로 에어로백 폼 덩어리의 가장 바깥쪽 공압 셀은 탄소 동소체로 구성된 경우 진공 셀과 공압 셀 봉투에 UV 차폐를 제공하기 위해 불투명하거나 알루미늄으로 미러 처리된다.
두 번째 방법에서는 진공 셀이 유클리드 공간에서 면심 입방(fcc) 또는 육방 최밀 충전(hcp) 격자 구조로 테셀레이션된다. 어느 구 충전 기하학에서든, 각 진공 셀의 중심은 하나 이상의 가상 사면체의 꼭짓점에 위치한다. 각 공압 셀의 중심은 가상 사면체 중 하나의 중심에 중심이 맞춰진다.
공압 셀은 대기에 풍부하지만 전체 대기 조성보다 몰 질량이 낮은 기체로 채워진다. 예를 들어, 지구와 유사한 대기에서는 질소가 될 것이다. 공압 셀 봉투는 충분히 낮은 질량을 가지고 있어 셀이 양의 부력을 가진다. 중간기술 수준에서는 아라미드 또는 탄소 섬유가 셀에 사용되는 일반적인 재료이다. 중간기술 에어로백 폼의 진공 및 공압 셀은 하이테크 분자 제조 기술을 사용하여 생산된 것보다 더 크다. 왜냐하면 중간기술 재료는 0.4 µm 두께의 내구성 있는 공압 셀 봉투를 만들 수 있는 충분한 인장 강도를 가지고 있지 않기 때문이다. 진공 셀이 더 큰 이유는 진공 셀을 이루는 재료 자체의 한계 때문이 아니라, 공압 셀의 크기와 연결되어 있기 때문이다. 하이테크 공압 셀은 직조된 펜타-그래핀 또는 질화붕소 나노리본으로 제작된다. 구멍과 절단과 같은 경미한 손상을 스스로 수리하고, 셀 봉투의 벽에 내장된 분자 분류 로터 펌프를 사용하여 재팽창할 수 있는 셀 설계가 존재한다.
직경이 50 cm보다 훨씬 작은 단독 공기정역학 진공 셀이 소형 드론과 같은 다양한 응용 분야에 존재하지만, 여러 가지 이유로 에어로백 폼에서는 비정형적이다. 제곱-세제곱 법칙은 크기가 작아질수록 공압 셀을 재료 면에서 더 비효율적으로 만들며, 결국 음의 부력을 가지게 되는 지점에 도달하여 진공 셀이 들어 올려야 하는 페이로드가 된다. 또한 101 kPa의 대기압 하에서 약 2.8의 안전 계수를 가진 탄화붕소로 구성된 50 cm 직경 진공 셀은 1.288 kg/m^3의 대기 밀도에서 약 42 그램의 양력 용량을 가진다.
진공 비행선 및 기타 대규모 부양 비행체와 구조물에 자주 사용된다.
1/ A. Akhmeteli and A. Gavrilin. 'Layered Shell Vacuum Balloons.' 특허 출원 번호: US 20070001053A1
2/ 작은 셀과 비교한 큰 셀의 상대적 직경은 20:17 비율로 표현된다.
관련 문서
관련 주제
개발 노트
글: Johnny Yesterday
최초 게시일: 2015년 4월 8일.
최초 게시일: 2015년 4월 8일.