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문제 정의
- 본 연구를 통해 항공기의 착륙장치 낙하시험을 위한 시험 장비를 개발하고 장비의 적합성을 검증하여 착륙장치 개발에 있어 필수적인 낙하시험을 국내 기술로 가능토록 하여 착륙장치의 개발 기반을 마련하였다.
제안 방법
- 그림에서 보여 지는 바와 같이 기둥(①)은 4 개로 구성되어 시험장치의 비틀림을 방지하는 프레임으로 구성되어 있으며 장비 전체의 하중 및 시험 시 하중을 안정적으로 지탱하고 내부의 가이드 기등으로 가해지는 하중을 최소화한다. 또한 대각선 방향으로 두 개의 자가 설치되어 평형 확인 및 착륙장치의 변위를 간단히 육안으로 확인 가능하도록 고려하였다. 4개의 가이드 기둥 (②)은 원형 연마봉을 적용함으로써 낙하 속도의 안정적 확보는 물론 마찰력을 최소화하며 착륙장치 장착 이송장치의 상하 운동을 제공하는 역할을 수행한다.
- 또한 시험 대상인 착륙장치 장착을 위한 jig 부분과의 연결을 원활히 해야 함은 물론 시험자의 안전성을 고려하여 설계 및 제작하였다. 또한 본 연구에서 개발된 장비는 소형 및 무인기 착륙장치의 정적 시험 기능을 보유함은 물론 유압 액츄에이터를 이용하여 직접 하중 부가가 가능하므로 더미 (Dummy) 하중 부가 없이 Iso-thermal 시험이 가능토록 고안되어 설계 및 제작 되었다. Iso-thermal 시험이란 단열 압축 시험으로 시험체가 외부에서 받은 하중에 대하여 실리더 내부의 공기 탄성(air-spring)이 외부에서 가해진 하중에 의해 온도의 변화를 가지지 않는 상태까지 시간을 두고 확인하여 내부 공기가 이상기체 상태방정식을 따르는지를 확인하는 시험이다.
- 탈착을 위해 볼트로 탈착이 가능한 리브를 적용하였다. 또한 상부 프레임(Upper frame, ③) 및 외부 기둥과의 안정적인 연결로 변형을 최소화하고 형강을 이용하여 안정적으로 상부의 유압 시스템 장치를 지탱한다. 유압시스템의 비정상적인 작동시의 안전 확보를 위해 기계적인 안전장치(Winch, ⑤)를 설치하였다.
- 시험장치의 마찰력을 최소화하여 자유 낙하 시 발생될 수 있는 최고속도에 근접한 낙하속도를 가지도록 하여야 하며, 시험 본연의 목적인 낙하 반력 하중(Ground reaction), 타이어 변위, 착륙장치 내부 압력, 완충장치의 변위(Stroke) 등의 결과를 적절히 얻을 수 있도록 설계되어야 한다. 또한 시험 대상인 착륙장치 장착을 위한 jig 부분과의 연결을 원활히 해야 함은 물론 시험자의 안전성을 고려하여 설계 및 제작하였다. 또한 본 연구에서 개발된 장비는 소형 및 무인기 착륙장치의 정적 시험 기능을 보유함은 물론 유압 액츄에이터를 이용하여 직접 하중 부가가 가능하므로 더미 (Dummy) 하중 부가 없이 Iso-thermal 시험이 가능토록 고안되어 설계 및 제작 되었다.
- 연결판(Connect plate, ⑧)의 구조는 상위지지부와 하위 지지부로 나누며 상위지지부는 베어링, 커버, 축로 구성되어 있으며 하위 지지부는 시험체 장착부로 구성되어 시험체를 탈착할 수 있다. 또한 시험체의 능동적으로 교체가 가능하여 시험체의 치수 변경 시 능동적인 치수 변경이 가능토록 하였으며, 상위지지부의 축은 베어링과 유압 장치에 의해 자동으로 자유낙하가 가능토록 설계하였다. 유압장치(Hydraulic system)은 착륙장치 장착 이송장치를 상하 운동시키기 위한 유압 실린더(Main cylinder, ⑨) 와유압실린더와 착륙장치 장착 이송장치를 연결하여 이동시키는 후크(Hook, ⑩) 그리고 후크를 작동 시 키기 위한 보조 실린더 (Secondary cylinder, ⑪)로 구성된다.
- Iso-thermal 시험은 징. 비에 부착된 유압 액츄에이터를 이용하여 하중을 부가하여 시험을 실시하였다. 그림 7에서 보여지는 바와 같이 시험 결과와 이론결과가 잘 일치함을 알 수 있다.
- 식(1)에서 보여 지는 바와 같이 낙하시험 장치는 설계하중인 2톤에 대해서 안정적인 설계 결과를 보여준다. 수직 하중 뿐만 아니라 시험 조건으로 요구된 6°및12°경사 조건에 대해 안전함을 해석으로 검증 하였다.
- 또한 환봉과 베어링 사이에는 마찰이 최소한으로 발생토록 설계하여야 한다. 시험자의 안전을 위하여 윈치와 와이어를 이용한 2 차 안전장치를 적용하였으며, 가이드 기둥 외부에 전체 지그의 수직 하중을 지탱하는 기등을 따로 두어 내부 가이드 기둥 파손 시 외부 기둥에서 하중을 지지 하도록 설계를 하였다.
- 또한 상부 프레임(Upper frame, ③) 및 외부 기둥과의 안정적인 연결로 변형을 최소화하고 형강을 이용하여 안정적으로 상부의 유압 시스템 장치를 지탱한다. 유압시스템의 비정상적인 작동시의 안전 확보를 위해 기계적인 안전장치(Winch, ⑤)를 설치하였다.
- 그림에서 좌측에 제시된 사진은 착륙장치 이송 장치의 전체 제작된 형상을 보여 주며, 우측의 그림은 연결판에 대한 상세한 모습을 보여준다. 이송 프레임 (Carriage, ⑥)은 가이드 기둥인 환 봉과 연결되는 4개소의 구멍을 가지고 있고 구멍에는 플랜지 베어링(⑦)이 장착되어 낙하운동을 원활하게 유지 하도록 설계 및 제작되었다.
- 방식으로 설계 되었다. 착륙장치 이송 프레임의 상하 운동을 위해 가이드 기등으로 환봉을 적용하였으며 고체 베어링을 사용하여 유압실린더를 이용하여 시험 시 마찰력을 최소화 하여 원활한 운동을 할 수 있도록 고안 하였다.
- 항공기 착륙장치의 원활한 낙하 속도 확보 및 마찰을 최소화하기 위하여 축방향 힘을 지탱하는 4개소의 기등에 베어링을 연결하여 착륙장치 이송 프레임(그림 1의 ⑥)의 상하 운동을 하게 하는 방식으로 설계 되었다. 착륙장치 이송 프레임의 상하 운동을 위해 가이드 기등으로 환봉을 적용하였으며 고체 베어링을 사용하여 유압실린더를 이용하여 시험 시 마찰력을 최소화 하여 원활한 운동을 할 수 있도록 고안 하였다.
대상 데이터
- 유한요소 해석에 사용된 요소는 8절점 솔리드 요소(Solid element)# 사용하였으며 적용된 하중은 낙하시험 대상 착륙 장치의 최대 적재하중의 4배의 하중으로 설정된 설계요구 조건인 2톤의 정적 하중을 적용하여 해석하였다. 해석 결과 그림 3에서 보여 지는 바와 같이 상부프레임의 유압실린더 장착부에 국부적인 최대 Von-Mises 응력 81 MPa이 발생되었음을 알 수 있다.
이론/모형
- 착륙장치 낙하 시험 시 본 시험장치의 주 구조물에 대한 구조 안정성을 검증하기 위해 유한요소법을 적용하여 해석을 수행하였다.
성능/효과
- 표 2에서 부가된 더미 중량 대비 정적 마찰력의 비율은 표 2와 그림 5에서 보여 지는 바와 같이 무시 할 만큼 작은 값을 보여준다. 따라서 본 연구에서 설계 제작된 낙하 시험장비는 마찰력 최소화 낙하시험 요구 조건에 대해 만족함을 확인하였다.
- 여기서 g는 중력가속도를 나타낸다. 식 (3)과 (4)의 결과로부터 본 연구에서 진행한 시험 장치가 착륙장치의 낙하 시험 시 마찰이 거의 없이 적절한 낙하속도를 가지는 것을 확인 하였으며, 이 결과는 본 연구를 통해 개발된 소형항공기 착륙장치 낙하 시험 장비는 항공기 착륙장치의 낙하 시험을 원활히 수행하기에 적절한 장비임을 나타낸다.
- 증가시키면서 실제 적용된 하중과 하중 센서에서 읽은 값과의 차이를 나타낸다. 적용된 더미 중량이 1 톤 이하에서 최대 14 kg의 마찰력이 측정 되었으며, 더미 하중 1 톤 ~ 2 톤 사이에서는 최대 19 kg의 마찰력이 측정 되었다. 표 2에서 부가된 더미 중량 대비 정적 마찰력의 비율은 표 2와 그림 5에서 보여 지는 바와 같이 무시 할 만큼 작은 값을 보여준다.
후속연구
- (5) 본 장비는 소형항공기 착륙장치의 정적 시험이 가능함은 물론 유압 실린더를 이용하여 원하는 하중의 부가가 가능하므로 별도의 더미 중량 부가 없이 Iso-thermal 시험이 가능토록 함.
- 소형 항공기의 시험을 위한 낙하 시험 장비는 비행체의 착륙 시에 발생될 수 있는 착륙 모드에 대한 조건을 시험하기 위한 시험 장치이다. 시험장치의 마찰력을 최소화하여 자유 낙하 시 발생될 수 있는 최고속도에 근접한 낙하속도를 가지도록 하여야 하며, 시험 본연의 목적인 낙하 반력 하중(Ground reaction), 타이어 변위, 착륙장치 내부 압력, 완충장치의 변위(Stroke) 등의 결과를 적절히 얻을 수 있도록 설계되어야 한다. 또한 시험 대상인 착륙장치 장착을 위한 jig 부분과의 연결을 원활히 해야 함은 물론 시험자의 안전성을 고려하여 설계 및 제작하였다.
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