수리온 항공기 운용 중 Fig. 3과 같이 페인트에서 갈라짐이 발생하였다. Fig. 3을 자세히 보면, 우선 페인트 층에서 미세한 갈라짐 현상이 나타나고 아래층의 프라이머 및 PU Strip까지 갈라졌음을 확인 할 수 있다. 또한 이러한 현상은 동절기에 많이 운용된 항공기에서 주로 나타남을 확인 하였다. 결함 발생의 주요한 요인으로는 제작 측면에서 경화온도, 페인트/프라이머 적용 여부, 페인트 종류 그리고 PU Strip 및 프라이머 원자재 특성이 고려되었고, 운용 환경 측면에서 낮과 밤의 온도차에 의한 열충격과 동절기의 저온특성, PU Strip 자재 열화온도 등이 검토되었다.

수리온은 혹한기, 혹서기 및 극심한 일교차 환경에서 노출되어 운용되며, 비행을 하지 않을 때도 야지에서 계류됨으로 이러한 운용 환경에서 발생하는 열충격 및 여러 요인에 의해 PU Strip의 내구성이 저하 될 수 있다. 최근 수리온 항공기에서 나타난 PU Strip 갈라짐 현상도 이러한 여러 가지 요인들로 인해 발생했다고 판단된다. 하지만 이와 같은 갈라짐 현상은 PU Strip이 수리온과 유사하게 적용된 Airbus Helicopter(AH) 사의 EC225, AS532에서도 발생하는 현상으로, 추가적인 근본원인에 대한 조치 없이 PU Strip의 탈착이 예상될 시 교체하여 사용한다. 이렇듯 기술력이 높은 국가의 항공기에서도 발생하는 PU Strip 갈라짐 현상에 대한 명확한 근거가 없으며 연구가 이루어지지 않고 있다.

또한 수리온 사업을 통해 최초로 회전익 항공기를 개발 한 국내 여건상 블레이드의 운용 조건, 비행 환경 및 진동 등 헬기 특성에 따른 블레이드 PU Strip의 건전성에 대한 평가방법이 없는 게 현실이다. 개발 시 환경시험 및 항공기 체계 성능 적합성 측면의 비행시험 위주로 건전성을 확인하였고, PU Strip 단독 구성품의 품질에 관한 구체적인 연구가 수행되지 않았다.

열화/경화 온도 영향성 시험은 PU Strip 자재 열화시험 환경인 100℃에서 100시간, AH(Airbus Helicopter)사 항공기 블레이드 경화온도인 125℃에서 2시간, 수리온 블레이드 경화온도인 135℃에서 2시간의 조건을 적용하여 각각 수행하였다. 그리고 경화온도(시편1)와 열화온도 조건(시편2, 3)을 동시에 주어 조금 더 극한 온도 조건(시편 4, 5)에서 영향성을 살펴보았다. 시편5와 같은 경우는 열화시험을 제외하면 일반적으로 블레이드를 경화시키는 공정과 동일하게 제작 된 시편이다. 이상의 시험조건을 반영하여 Table. 3과 같이 5가지 조건 시편의 인장시험을 수행하였다.

수리온 주로터 블레이드에는 기본적으로 화생방 페인트(MIL-DTL-64159)가 사용하고 있다. 페인트 적용 여부의 영향성을 확인하기 위해 Table. 4와 같이 조건1의 시편5를 그대로 사용한 시편(시편 1)과 조건1의 시편5에 프라이머(MIL-PRF-23377)와 화생방 페인트를 적용한 시편(시편 2)의 인장시험을 수행하였다.

열충격에 의한 영향성 확인은 Table. 5와 같이 조건1의 시편5를 기본으로 운용환경을 고려한 Cycle로 확인하였다. 시험은 –20℃에서 0.5 시간 유지 이후 바로 70℃ 챔버로 옮겨 0.5 시간 유지하는 것을 1Cycle로 하여 총 100 Cycle 수행하였다. BJ-TS3Z-555L장비를 사용하였으며, 조건1의 시편5에 열충격을 가한 시편(시편 2)과 가하지 않은 시편(시편 1)을 비교하여 인장시험을 수행하였다.

수리온에 적용되는 화생방 페인트(CARC, Chemical Agent Resistant Coating, MIL-DTL-64159)는 화생방전에서 원활한 작전 수행이 가능하도록 화생방 물질에 노출 되었을 때 제거가 용이하게 만든 우레탄 계열의 페인트고, 비화생방 페인트(MIL-PRF-85285)는 일반적인 우레탄 계열의 페인트이다. 조건3의 시편2에 Table. 6과 같이 화생방 페인트와 비화생방 페인트를 각각 적용시켜 인장시험을 수행하였다.

저온 영향성을 평가하기 위해 –30℃에서 아무 처리도 하지 않은 원자재와 조건1의 시편5에 에폭시 프라이머(MIL-PRF-23377), 화생방 페인트(MIL-DTL-64159) 공정이 수행된 시편을 Table. 7과 같이 구성하여 인장시험을 통해 특성 값을 비교하였다.

조건3의 시편2를 기본으로 Table. 8과 같이 시편을 구성하여 프라이머 재료 및 프라이머 적용/미적용의 영향성을 평가하였다. 프라이머 재료는 현재 에폭시 프라이머(MIL-PRF-23377)가 사용 중이며, 비교재로 우레탄 프라이머(TT-P-2760)를 사용하였다. 또한 프라이머 적용/미적용의 영향성을 알아보기 위해 프라이머를 적용한 한 것(시편 2, 3)과 적용되지 않은 것(시편 1)을 인장시험을 통해 비교하였다.

추가적으로, ASTM D 3359에 따라 금속표면에 도포된 도장의 접착력을 확인하기 위해서 아래 조건에서 Fig. 6과 같이 시편을 제작하여 Dry, Wet 상태에 Tape Test를 수행하였다. Dry Tape Test는 상온에서 시편에 스크래치를 낸 상태에서 Tape를 접착시켰다고 뗐고, Wet Tape Test는 시편에 스크래치를 낸 상태에서 24시간 침지 후 Tape를 접착시키고 떼면서 Tape의 표면을 확인하였다. 시편은 아래의 4가지 시편을 준비하였다.

1-1 : 에폭시 프라이머(MIL-PRF-23377) + 화생방 페인트(MIL-DTL-64159)

1-2 : 화생방 페인트(MIL-DTL-64159)

2-1 : 에폭시 프라이머(MIL-PRF-23377) + 비화생방 우레탄 페인트(MIL-PRF-85285)

2-2 : 비화생방 우레탄 페인트(MIL-PRF-85285)

경화/열화온도 조건별 별 5개 시편으로 확인 한 시험 결과는 Fig. 7 및 Table. 9와 같다. Table. 9를 보면 인장 및 신장율에 길이방향(L)과 폭(W) 방향이 있음을 알 수 있다. 길이방향은 PU Strip 원자재가 사출되어 나오는 방향을 나타내며, 폭은 사출되어 나오는 방향과 90° 방향을 나타낸다. 시편1과 시편5의 길이방향 인장강도를 보면 각 32.5, 33.9 MPa로 차이가 거의 없으며, 길이방향 신장율 역시 618%, 642%로 큰 차이는 나타나지 않음을 알 수 있다. 또한 Fig. 7을 통해서 전반적으로 열화(시편1), 경화(시편2, 3), 열화+경화 온도조건(시편4, 5)에서 인장 강도 및 신장율에 차이가 나타나지 않음을 확인 할 수 있으며, 그에 따라 열화 및 경화 온도는 PU Strip 품질에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 판단되었다.

페인트 자체의 영향성을 알아보기 위한 시험으로 조건1의 시편5에 프라이머(MIL-PRF-23377)+페인트(MIL-DTL-64159)를 적용한 것(시편 2)과 적용하지 않은 것(시편 1)을 비교하였다. Table. 10의 값을 보면 페인트가 적용 되지 않은 시편 1에서 길이 방향 인장 강도는 33.9 MPa, 페인트가 적용 된 시편 2에서 인장 강도는 17.1MPa로 16.8 MPa정도의 인장강도가 감소했으며, Fig. 8에 나타난 바와 같이 신장율 역시 642%에서 450%으로 29% 저하가 나타남을 확인 할 수 있다. 이런 차이가 발생하는 이유로는 페인트는 경화되면 취성을 가지게 되어 폴리우레탄 재질의 Strip과 탄성률 차이에 의한 변형이 쉽게 발생 할 수 있기 때문이다. 이는 PU Strip의 품질에 영향을 미치는 인자로 판단할 수 있다.

열충격 시험은 4.2항의 시편1에 열충격을 100Cycle 수행하였다. Table. 11와 Fig. 9의 결과를 보면 열충격을 적용하였을 때, 길이 방향 신장율이 642%에서 590%으로 8% 저하가 나타남을 확인 할 수 있다. 반복되는 온도 차이에 의해 폴리우레탄 재질의 내구성 저하가 나타난 것으로 사료된다. 이렇듯 열충격도 PU Strip의 품질에 영향을 주는 인자라고 판단된다.

현재 수리온에 사용 중인 화생방 페인트(MIL-DTL-64159)와 다른 종류의 비화생방 우레탄 계열의 페인트(MIL-PRF-85285)를 사용 하였다. Table. 12과 Fig. 10을 보면, 길이방향 인장 강도는 두 종류가 값이 같고 폭 방향은 비화생방 페인트가 적용된 시편 2가 시편 1보다 2.9MPa정도 우수하나 이 정도 값의 차이는 거의 영향성이 없으며, 신장율 역시 길이 방향에서 2% 정도 차이가 나타나지만 거의 영향성이 없다고 사료된다. 즉, 화생방 페인트와 비화생방 페인트의 인장강도 및 신장율 차이가 크지 않다는 것을 확인 할 수 있으며, 따라서 페인트 종류는 PU Strip 품질에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 확일 할 수 있다.

저온에서의 영향성을 평가하기 위해서 –30℃에서 아무 공정도 가하지 않은 PU Strip 원 자재와 조건1의 시편 5에 프라이머(MIL-PRF-23377) 및 페인트(MIL-DTL-64159)를 적용한 자재의 인장 시험을 수행하였다. Table. 14 및 Fig. 11과 같이 여러 공정을 수행한 자재의 인장 및 신장율 값이 낮게 나타는 것을 확인 할 수 있었다. 특히 길이 방향의 신장율이 433%에서 365%로 15%정도가 감소하였다. 일차적으로 여러 공정 수행이 폴리우레탄의 내구성을 저하시켰고, 저온에서 더욱 내구성이 감소하여 PU Strip의 품질을 저하시킨 것으로 판단된다.

현재 사용 중인 에폭시 프라이머(MIL-PRF-23377)와 우레탄 프라이머(TT-P-2760)을 비교하였다. Table. 13과 Fig. 11에서 나타나는 것과 같이 우레탄 프라이머를 적용하였을 때의 시편 2가 에폭시 프라이머를 적용한 시편 1보다, 길이 및 폭 방향 인장 강도가 약 5MPa 정도 높게 나타나는 것을 확인 할 수 있으나, 이 값의 차이는 PU Strip의 품질에 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 사료된다. 또한 프라이머 종류보다는 적용 여부가 큰 효과가 나타낸다는 것을 확인 할 수 있다. 페인트 만 적용된 시편1의 기계적 특성 값과 프라이머와 페인트가 동시에 적용된 시편2, 시편 3의 기계적 특성 값을 비교해보면, 프라이머가 추가적으로 적용되었을 때, 길이방향 인장강도가 최대 7.5MPa, 폭 방향으로 최대 17.5MPa 정도의 저하가 나타났으며, Fig. 11과 같이 신장율은 폭 방향으로 최대 7% 저하가 나타나 전반적인 기계적 특성의 감소를 확인 할 수 있다. 프라이머는 기본적으로 PU Strip과 페인트가 잘 접착되도록 하는 역할을 하며 경화되면서 취성을 띄는 것이 특징이다. 하지만 이 취성에 의해 PU Strip의 특성이 저하될 수 있으며, 이러한 프라이머 적용은 공정 변경을 통해 조정이 가능하므로 프라이머를 미적용 하여 PU Strip 품질을 향상 시킬 수 있다. 물론 프라이머가 제거 되어도 접착력에 문제가 없어야 하며, 이 점에 대해서는 페인트 접착력 시험을 통해서 검증하도록 하였다.

페인트 접착력을 확인하기 위해 Dry Tape Test와 Fig. 13의 Wet Tape Test를 수행하였다. 준비된 시편 1-1, 1-2, 2-1, 2-2 (Fig. 14)에 스크래치를 낸 후 Tape을 붙였다 떼는 시험이며, Tape에 붙어 나오는 페인트를 측정했다. Dry, Wet Tape Test에서 모두 Tape에 페인트가 붙어 나오지 않았으며, 프라이머를 미적용 하여도 페인트와 PU Strip 간의 접착력에는 이상이 없는 것으로 나타났다. 즉, 페인트와 PU Strip 간 접착력을 위해 사용되어진 프라이머의 효과는 미미했으며, 오히려 프라이머의 취성이 PU Strip의 갈라짐을 야기할 수 있다고 사료된다.