[논문]체계적인 헬리콥터 내추락성 설계개념 연구

황정선; 정재권; 현영오

doi:10.20910/jase.2013.7.2.035

체계적인 헬리콥터 내추락성 설계개념 연구
A Study on the Systematic Crashworthiness Design Concept 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.7 no.2, 2013년, pp.35 - 41

황정선 (국방과학연구소) , 정재권 (국방과학연구소) , 현영오 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Crashworthiness design concept in the helicopter development is still under evolutionary stage. Survivability in the event of a crash was remarkably improved and this fact can be recognized by the analysis results on the AH-64 Apache and UH-60 Black Hawk crash accidents. Those two models are the first ones in which the crashworthiness design concept was applied with a full-scale requirement. Here we need to notice that under-design of the system results in unexpected injuries and deaths while over-design of the crashworthy elements result in unnecessary weight and costs. If landing gear system would be verified to have enough energy absorption capability in the specified vertical velocity interval, then design requirements of the airframe, fuel system and seats could be modified positively. In this paper, the right and systematic crashworthiness design concept is reviewed on the assumption that design requirements of some crashworthy elements could be partially tailored.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 내추락성 설계 기본원리를 짚어 본 후 다양한 사고사례 분석결과를 고찰한 바탕 위에서 궁극적으로는 각 계통 내추락성 설계요구도 절충(trade-off)을 포함하는 바람직한 내추락성 설계개념을 제시하려고 한다.

대상 데이터

수리온의 내추락성 설계 요구도에 대한 검증은 1차적으로 비선형 Hybrid 충돌 전산 프로그램인 KRASH를 이용하여 이루어졌으며, 중앙동체 부분 조립체에 대한 실제 충돌시험을 통해 KRASH 해석결과의 신뢰도를 확인함과 아울러 설계과정에서 설정된 내추락성 요구도가 모두 충족되었음을 확인하였다[5,6]. 주요 확인대상은 생존공간 감소량, 엔진 및 트랜스미션 지지부 가속도 수준, 좌석 거동 등이었다.

성능/효과

1970년대 미 육군이 내추락성 연료계통 개념을 도입하기 이전에 발생한 생존 가능한 추락사고에서 식별된 사망자의 약 42%가 화재에 의한 것이었다. 그 이후로 장거리 비행을 위해 내추락성을 갖지 않은 외부 연료탱크를 장착한 경우를 포함하여 화재 관련 사망사고는 현저히 감소하였다. 이와 같이 내추락성 연료계통을 설계에 적용함에 따라서 미 육군 헬기 추락사고에서 심각한 화재 가능성이 현저히 줄어들었으며, 결론적으로 추락 이후의 일련의 과정에서 승무원이 의식을 상실하거나 기체 내부에 갇히는 경우가 획기적으로 줄어들었다.
또한 AH-64 Apache와 AH-1 Cobra 사고사례 분석결과를 보면, 10.7-16.8 m/s(35-55 ft/sec)수직충돌조건에서 AH-64 탑승자의 생존 가능성이 AH-1 탑승자에 비해 월등하게 높은 것으로 나타나 있다. AH-1 헬기 설계에 적용된 내추락성 개념이 매우 부분적이었음을 감안할 때 위 결과는 당연한 것으로 받아들일 수 있다(Fig.
분석 UH-60 Black Hawk와 UH-1 Iroquois에 대한 사고사례 분석결과를 보면, 12.2-18.3 m/s(40-60 ft/sec) 수직충돌조건에서 대부분의 UH-60 탑승자는 생존했으나, 모든 UH-1 탑승자는 치명적인 부상을 입은 것으로 나타나 있다. 이러한 차이는 UH-60 헬기에 본격적으로 최초 도입된 내추락 특성이 주된 이유이다(Fig.
최근 국내에서 개발된 기동형 헬기인 수리온(Surion)도 선진 사례를 따라서 MIL-STD-1290을 근거로 하여 UH-60 Black Hawk와 거의 대등한 수준으로 내추락성 설계를 하였다. 수리온의 내추락성 설계 요구도에 대한 검증은 1차적으로 비선형 Hybrid 충돌 전산 프로그램인 KRASH를 이용하여 이루어졌으며, 중앙동체 부분 조립체에 대한 실제 충돌시험을 통해 KRASH 해석결과의 신뢰도를 확인함과 아울러 설계과정에서 설정된 내추락성 요구도가 모두 충족되었음을 확인하였다[5,6]. 주요 확인대상은 생존공간 감소량, 엔진 및 트랜스미션 지지부 가속도 수준, 좌석 거동 등이었다.
위 결과들을 근거로, 내추락성 설계개념이 본격적으로 도입된 UH-60 Black Hawk와 AH-64 Apache 분석결과를 상호 비교하면, 10.7-15.2 m/s(35-50 ft/sec) 영역에서는 AH-64의 생존률이 다소 높은 것으로 나타났다(Fig. 4). 뒤에서 다시 언급되겠지만 화재 발생 여부를 고려하지 않은 상태에서의 생존 가능 최대 충돌속도가 15.
항공기 추락 생존성 설계지침(ACSDG, Aircraft Crash Survival Design Guide)[4]이 내추락성 설계요구도 세부사항과 관련하여 MIL-STD-1290을 뒷받침하고 있는데, ACSDG에서는 항공기가 적절하게 설계되는 경우 탑승자의 생존을 가능하게 하는 일련의 추락과정을 정의하고 있다. 이 설계지침은 AH-64 및 UH-60 내추락성 설계에 직접적인 영향을 미쳤으며, 이 두 헬기 기종은 실제 추락조건에서 이전 세대의 헬기들에 비해 월등한 내추락 성능을 보여주었다.
그 이후로 장거리 비행을 위해 내추락성을 갖지 않은 외부 연료탱크를 장착한 경우를 포함하여 화재 관련 사망사고는 현저히 감소하였다. 이와 같이 내추락성 연료계통을 설계에 적용함에 따라서 미 육군 헬기 추락사고에서 심각한 화재 가능성이 현저히 줄어들었으며, 결론적으로 추락 이후의 일련의 과정에서 승무원이 의식을 상실하거나 기체 내부에 갇히는 경우가 획기적으로 줄어들었다.
Army Aeromedical Research Laboratory) 연구진 의견에 따르면, 몇몇 사고 사례에서는 이러한 킬빔 설계조건에 의해 전방 조종실 주변의 구조 강건 성이 침해 받는 것으로 나타났다. 즉, 단계적인 충돌과정에 CPG 공간이 비틀어지면서 (충돌에너지를 흡수하기 위한) 조종석 행정경로(stroke path)가 막힘으로써 등뼈 부상을 야기하는 과다한 하중을 발생시키는 것으로 확인되었다.
1 m/s(56 ft/sec)이다. 충돌 후 화재 발생 여부를 고려하지 않은 상태에서 생존 가능 충돌조건이 최대 15.2 m/s(50 ft/sec)임을 감안할 때 CWFS 개념에서의 19.8 m/s 조건은 추가적인 생존 가능성이 보장되지 않는 상태에서 중량만 증가시키는 즉, 과잉설계 (over-design) 효과를 갖는 것으로 판단된다.

후속연구

내추락성 설계라는 것이 조종사를 포함한 탑승자 모두의 생명을 담보로 하고 있기 때문에 기존에 설정된 설계기준을 수정하여 적용하는데 따른 부담이 큰 것이 사실이다. 그러나 유사기종의 사고사례 분석자료가 충분하다면, 또한 내추락성 해석에 대한 신뢰성이 확보된다면 보다 효율적이고 체계적인 내추락성 설계가 가능할 것이다.
이와 같이 연료계통, 착륙장치뿐만 아니라 조종석, 탑승석 등에 적용되는 내추락성 요구도도 이러한 관점에서 필요 시 적절하게 수정할 필요가 있으며, 신뢰성 있는 해석과정이 전제된다면 내추락성을 적용 받는 기체구조에 대해서도 동일한 접근이 시도되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수리온의 내추락성 설계 요구도에 대한 검증은 어떻게 이루어졌는가?	최근 국내에서 개발된 기동형 헬기인 수리온(Surion)도 선진 사례를 따라서 MIL-STD-1290을 근거로 하여 UH-60 Black Hawk와 거의 대등한 수준으로 내추락성 설계를 하였다. 수리온의 내추락성 설계 요구도에 대한 검증은 1차적으로 비선형 Hybrid 충돌 전산 프로그램인 KRASH를 이용하여 이루어졌으며, 중앙동체 부분 조립체에 대한 실제 충돌시험을 통해 KRASH 해석결과의 신뢰도를 확인함과 아울러 설계과정에서 설정된 내추락성 요구도가 모두 충족되었음을 확인하였다[5,6]. 주요 확인대상은 생존공간 감소량, 엔진 및 트랜스미션 지지부 가속도 수준, 좌석 거동 등이었다.
	내추락성이란?	헬리콥터를 설계하는 데 있어서 내추락성(Crashworthiness) 설계개념을 본격적으로 도입한 경우를 임무유형별로 보면 70년대에 개발된 UH-60 Black Hawk와 AH-64 Apache가 최초라고 할 수 있다. 내추락성은 “항공기 및 내부계통 그리고 각 구성품들이 추락상황에서 탑승자를 부상으로부터 보호할 수 있는 능력”으로 정의할 수 있다[1]. 군용 헬기를 위한 내추락성 요구도는 MIL-STD-1290A(AV)[2]에 정의되어 있는데, 이 규격서는 90년대 중반에 효력이 말소되었다가 2006년에 별도의 개정 없이 다시 효력을 되찾았다.
	군용헬기를 위한 내추락 요구도가 명시된 MIL-STD-1290A(AV)가 일시 취소되었던 이유는 무엇인가?	군용 헬기를 위한 내추락성 요구도는 MIL-STD-1290A(AV)[2]에 정의되어 있는데, 이 규격서는 90년대 중반에 효력이 말소되었다가 2006년에 별도의 개정 없이 다시 효력을 되찾았다. 상기 규격서가 일시 취소되었던 이유는 규격서에 제시된 제약조건들에서 벗어나 보다 창의적이고 혁신적인 설계를 유도하기 위해서였다[3]. 그러나 상기 규격서에 버금가는 성과가 안 나타나 다시 Old Version을 적용하게 된 것이다.

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