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문제 정의
- 본 논문에서는 인간동력항공기 경량 구조에 대한 설계/해석/시험 전반에 대해 간략히 설명한다. 해외 사례를 분석하여 구조설계를 수행하였으며, 하중해석을 통해 구조설계 및 해석에 필요한 하중을 산출하였다.
- 본 논문에서는 한국항공우주연구원에서 개발한 인간동력항공기의 경량 구조 개발 전반에 대해 간략히 설명하였다. 해외 개발사례를 참고하여 구조설계를 수행하였으며, 간략한 하중해석을 통해 구조 설계 및 해석에 사용할 하중을 산출하였다.
- 구조해석을 통해 구조 사이징을 수행하여 중량을 절감하였으며, 최종적으로 주요 부재의 정적시험을 통해 구조 건전성을 확보하였다. 본 논문은 향후 이루어 질 인간동력항공기 개발에 작은 밑거름이 될 것으로 확신한다.
- 2). 항우연의 인간동력항공기 개발은 경진대회 참가가 목적이 아니며 시범기를 개발하면서 습득한 노하우를 참가팀에 전달하는 것에 그 목적이 있다. 그러나 대부분의 참가팀이 비행에 성공하지 못하였다.
제안 방법
- 구조설계 및 해석에 사용할 하중을 산출하기 위해 하중해석을 수행하였다. 하중해석을 위해서는 먼저 항공기의 중량과 무게중심을 결정해야 한다.
- 최종적으로 구조 건전성을 확인하기 위해 구조시험을 수행하였다. 구조시험은 가장 중요한 부재인 주익 주 스파에 대한 정적시험(Static Strength Test)만 수행하였다. 인간동력항공기 대회 규정에는 1.
- 구조해석을 수행하여 안전여유(Margin of Safety, M.S.)가 ‘0(Zero)’ 이하의 값이 산출되면 설계를 변경하거나 복합재료 적층 수를 변경하여 경량화와 구조 건전성을 만족하도록 하였다.
- 해외 개발사례를 참고하여 구조설계를 수행하였으며, 간략한 하중해석을 통해 구조 설계 및 해석에 사용할 하중을 산출하였다. 구조해석을 통해 구조 사이징을 수행하여 중량을 절감하였으며, 최종적으로 주요 부재의 정적시험을 통해 구조 건전성을 확보하였다. 본 논문은 향후 이루어 질 인간동력항공기 개발에 작은 밑거름이 될 것으로 확신한다.
- 구조해석을 통해 최소 안전여유를 ‘0’ 이상 확보함으로서 인간동력항공기 구조 건전성을 확보하였다.
- 해외 사례를 분석하여 구조설계를 수행하였으며, 하중해석을 통해 구조설계 및 해석에 필요한 하중을 산출하였다. 구조해석을 통해 항공기 구조 사이징을 수행하였고, 가장 중요한 구조물인 주익 주 스파(Main Spar)의 정적구조시험을 수행하여 주익 구조 건전성을 확보하였다.
- 5G의 정적하중 하에서 파손이 일어나지 않을 것으로 규정하고 있다. 따라서 1.5G 하중조건에 대해 정적시험을 수행하였다.
- 마일러 표피를 사용하므로 주익은 비틀림에 매우 취약하다. 따라서 스파를 중공 봉으로 설계하여 비틀림 강도를 증가시켰다. 또한, 주 스파의 위치를 압력 중심(Pressure Center)에 위치시켜 비틀림 하중의 작용을 최소화 하였다.
- 따라서 스파를 중공 봉으로 설계하여 비틀림 강도를 증가시켰다. 또한, 주 스파의 위치를 압력 중심(Pressure Center)에 위치시켜 비틀림 하중의 작용을 최소화 하였다.
- 붐은 길이 8m의 CFRP 복합재 중공 봉으로 제작하였다. 러그(Lug)와 브라켓(Bracket)을 이용해 주익, 수평/수직 미익과 연결하였다. 조종사 탑승부는 복합재를 이용해 붐에 접합하였다.
- 인간동력항공기의 구조 사이징을 위해 구조해석을 수행하였다. 먼저, 구조해석을 위해 유한요소 모델을 생성하였다. 유한요소 모델링과 구조해석에는 MSC.
- 하중해석의 결과로 각 패널에서의 공기하중(Airloads)과 각 질량점에서의 관성하중(Inertia Loads)이 산출된다. 산출된 공기하중과 관성하중을 이용하여 주익과 동체는 전단력(Shear Force, V), 굽힘 모멘트(Bending Moment, M), 그리고 비틀림 모멘트(Torsion, T)를, 수평미익과 수직미익은 전단력과 힌지 모멘트(Hinge Moment, HM)를 구한다. 주익과 동체의 굽힘 모멘트 선도는 Fig.
- )가 ‘0(Zero)’ 이하의 값이 산출되면 설계를 변경하거나 복합재료 적층 수를 변경하여 경량화와 구조 건전성을 만족하도록 하였다. 선형해석을 수행하였으며, 정적해석과 좌굴해석으로 국한하였다.
- 동체(Fuselage), 주익(Main Wing), 수평미익(Horizontal Tail), 수직미익(Vertical Tail)으로 구성되며, 에일러론은 설계하지 않았다. 승강타와 방향타는 별도로 설계하지 않고, 수평미익과 수직미익 전체가 움직이도록 설계하였다.
- 시험하중이 매우 작기 때문에 추(Dead Weight)를 이용하여 시험하중을 부가 하였다. 항공기를 뒤집어 놓은 형태로 주 스파를 설치하고 중력방향으로 시험하중을 부가하였다.
- 인간동력항공기의 구조 사이징을 위해 구조해석을 수행하였다. 먼저, 구조해석을 위해 유한요소 모델을 생성하였다.
- 하중을 분산할 수 있도록 봉을 배치하였으며, 착륙하중을 고려하여 후방 봉은 다른 봉에 비해 더 굵게 설계하였다. 조종사는 2명이며 신체조건을 고려하여 조종석 및 손잡이를 설계하였다.
- 주 스파는 주요 하중부재이며, 총 6개의 CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic) 복합재 중공 봉(Hollow Pipe)으로 설계하였다. 마일러 표피를 사용하므로 주익은 비틀림에 매우 취약하다.
- 항공기를 뒤집어 놓은 형태로 주 스파를 설치하고 중력방향으로 시험하중을 부가하였다. 주요 부위에는 변형률 게이지(Strain Gage)를 설치하여 실시간으로 모니터링 하였다. Fig.
- 주익의 처짐(Deflection)을 최소화하고 주 스파에 작용하는 하중을 분산시키기 위해 동체와 주익의 6m 지점을 와이어로 연결하였다. 설계 완료된 주익은 Fig.
- 최종적으로 구조 건전성을 확인하기 위해 구조시험을 수행하였다. 구조시험은 가장 중요한 부재인 주익 주 스파에 대한 정적시험(Static Strength Test)만 수행하였다.
- 시험하중이 매우 작기 때문에 추(Dead Weight)를 이용하여 시험하중을 부가 하였다. 항공기를 뒤집어 놓은 형태로 주 스파를 설치하고 중력방향으로 시험하중을 부가하였다. 주요 부위에는 변형률 게이지(Strain Gage)를 설치하여 실시간으로 모니터링 하였다.
- 항우연 시범기의 설계목표중량은 조종사 중량(55～60kg)을 고려하여 최대이륙중량(Max. Take-Off Weight, MTOW)을 95kg으로 설정하였다.
- 제작사에서 제공한 CFRP 복합재료 물성치는 Table 4와 같다. 해석에 사용한 물성치는 시험을 별도로 수행하지 않고 제작사에서 제시한 데이터에 제작공법 및 기타 불확실성을 고려한 계수를 적용하여 결정하였다.
- 본 논문에서는 한국항공우주연구원에서 개발한 인간동력항공기의 경량 구조 개발 전반에 대해 간략히 설명하였다. 해외 개발사례를 참고하여 구조설계를 수행하였으며, 간략한 하중해석을 통해 구조 설계 및 해석에 사용할 하중을 산출하였다. 구조해석을 통해 구조 사이징을 수행하여 중량을 절감하였으며, 최종적으로 주요 부재의 정적시험을 통해 구조 건전성을 확보하였다.
- 본 논문에서는 인간동력항공기 경량 구조에 대한 설계/해석/시험 전반에 대해 간략히 설명한다. 해외 사례를 분석하여 구조설계를 수행하였으며, 하중해석을 통해 구조설계 및 해석에 필요한 하중을 산출하였다. 구조해석을 통해 항공기 구조 사이징을 수행하였고, 가장 중요한 구조물인 주익 주 스파(Main Spar)의 정적구조시험을 수행하여 주익 구조 건전성을 확보하였다.
대상 데이터
- 7은 ARGON을 이용하여 수행한 공기력 패널(Aerodynamic Panel) 모델을 보여주고 있다. 1420개의 패널을 사용하였다.
- 구조해석 대상은 CFRP 복합재로 구성된 구조물과 이를 연결하는 구조물(러그, 브라켓 등)로 제한하였다. 마일러 표피는 모델링하였으나, 공기하중과 관성하중을 복합재 구조에 전달하는 역할만 한다.
- 3는 항우연 시범기 설계 계략도이다. 동체(Fuselage), 주익(Main Wing), 수평미익(Horizontal Tail), 수직미익(Vertical Tail)으로 구성되며, 에일러론은 설계하지 않았다. 승강타와 방향타는 별도로 설계하지 않고, 수평미익과 수직미익 전체가 움직이도록 설계하였다.
- 따라서 앞전과 뒷전에는 표피 가드를 사용하여 변형으로 인한 공력형상 변화를 최소화 하였다. 리브는 주익에 총 106개를 사용하였으며, 스파와 연결되는 위치에는 발사(Balsa) 나무를 사용하여 보강하였다.
- 7과 같으며, 450개의 질량점으로 모델링 하였다. 설계 총 중량은 95 kg이다.
- 주익은 4°의 붙임각(Incidence Angle)이 있으며, 바깥쪽(Outboard) 주익은 상반각(Dihedral Angle)을 갖는다. 익형은 SG6043을 사용하였다. 수평/수직 미익은 대칭 익형을 사용하였으며, 붙임각과 상반각은 없다.
- 주 스파 절반(12m)이 시험 대상이며, 동체 연결부위를 실제와 같이 모사한 치구에 설치하였다. 시험체에 추를 걸기 위한 추 트레이를 설치 하였다.
- 주익 스팬(Span)은 24m이며, 주 스파와 보조 스파(Trailing Spar), 리브(Rib), 표피 가드(Skin Guard), 마일러 표피(Mylar Skin)로 구성하였다. 주익 설계중량은 약 16kg 이다.
- 표피 가드와 리브는 폴리스틸렌 폼(Polystyrene Foam)을 이용하여 설계하였다. 마일러 표피를 사용함으로 인해 익면의 공력형상 유지가 어렵다.
- 한국항공우주연구원(항우연) 주관으로 인간동력항공기 경진대회를 2012년 10월 13일에 개최하였으며, 성공적으로 대회를 마무리 하였다. 항우연도 인간동력항공기를 제작하여 시범비행을 하였으며, 240m 비행에 성공하였다(Fig.
- 한국항공우주연구원(항우연) 주관으로 인간동력항공기 경진대회를 2012년 10월 13일에 개최하였으며, 성공적으로 대회를 마무리 하였다. 항우연도 인간동력항공기를 제작하여 시범비행을 하였으며, 240m 비행에 성공하였다(Fig. 2). 항우연의 인간동력항공기 개발은 경진대회 참가가 목적이 아니며 시범기를 개발하면서 습득한 노하우를 참가팀에 전달하는 것에 그 목적이 있다.
이론/모형
- 비행하중해석은 고정익 항공기 하중해석 프로그램인 ARGON을 사용하여 수행하였다[5,6]. Fig.
- 먼저, 구조해석을 위해 유한요소 모델을 생성하였다. 유한요소 모델링과 구조해석에는 MSC.Software의 Patran과 Nastran을 각각 사용하였다. Fig.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.