항공기, 자동차를 포함하는 모든 수송수단 설계에 있어서 내추락성 설계가 강조되고 있으나, 심각한 부상 또는 사망으로 이어지는 사고는 지속적으로 발생해 왔고, 앞으로도 발생할 것이다. 심지어 생존 가능으로 분류되는 사고에서조차도 상당한 수준의 인명사고가 있어 왔음은 주지의 사실이다. 그러나 이러한 사고들이 반드시 불가피하다고만 할 수는 없다. 만약 좌석, 구속장치, 탑승공간 강도조건 등 탑승자 보호계통이 적절히 또는 바르게 설계된다면 추락상황에서의 생존성은 획기적으로 증대될 수 있다. 이를 위해서는 급격한 가속도 변화환경에서의 인체 허용한도 특성을 충분히 이해해야 하며, 이를 바탕으로 인체 허용한도 제한치 이내에서 하중조건이 유지되도록 탑승공간을 설계하여야 한다. 본 논문에서는 급격한 가속도 변화환경에서의 인체 허용한도의 중요성과 예측되는 추락환경 변화에 따른 설계요구도 변화 필요성을 강조함으로써 내추락성 설계에 대한 공감대를 넓히고자 한다.
항공기, 자동차를 포함하는 모든 수송수단 설계에 있어서 내추락성 설계가 강조되고 있으나, 심각한 부상 또는 사망으로 이어지는 사고는 지속적으로 발생해 왔고, 앞으로도 발생할 것이다. 심지어 생존 가능으로 분류되는 사고에서조차도 상당한 수준의 인명사고가 있어 왔음은 주지의 사실이다. 그러나 이러한 사고들이 반드시 불가피하다고만 할 수는 없다. 만약 좌석, 구속장치, 탑승공간 강도조건 등 탑승자 보호계통이 적절히 또는 바르게 설계된다면 추락상황에서의 생존성은 획기적으로 증대될 수 있다. 이를 위해서는 급격한 가속도 변화환경에서의 인체 허용한도 특성을 충분히 이해해야 하며, 이를 바탕으로 인체 허용한도 제한치 이내에서 하중조건이 유지되도록 탑승공간을 설계하여야 한다. 본 논문에서는 급격한 가속도 변화환경에서의 인체 허용한도의 중요성과 예측되는 추락환경 변화에 따른 설계요구도 변화 필요성을 강조함으로써 내추락성 설계에 대한 공감대를 넓히고자 한다.
Design with crashworthiness concept has been emphasized for almost aircraft and motor vehicles. However, crashes accompanied serious injury and death have been continuously occurred, and will be occurred subsequently. What was worse, it is a well-known fact that there were a good many crashes classi...
Design with crashworthiness concept has been emphasized for almost aircraft and motor vehicles. However, crashes accompanied serious injury and death have been continuously occurred, and will be occurred subsequently. What was worse, it is a well-known fact that there were a good many crashes classified as survivable accidents in which fatal injuries were reported. But we cannot say that fatal injuries were inevitable consequences of those crashes. If crashworthy design for seat, restraint systems, and cabin strength were adequate or right, survivability in a crash event could be maximized greatly. To substantiate the right crashworthiness, we must thoroughly understand the characteristics of human tolerance under abrupt acceleration change, and the cabin design should be combined with proper use of energy absorbing technologies that reduce accelerations experienced by the occupants. In this paper, the emphasis on the human tolerance under abrupt accelerations as well as the necessity of change in design requirements for crash environment will be stressed to widen the belt of consensus for the right crashworthy design.
Design with crashworthiness concept has been emphasized for almost aircraft and motor vehicles. However, crashes accompanied serious injury and death have been continuously occurred, and will be occurred subsequently. What was worse, it is a well-known fact that there were a good many crashes classified as survivable accidents in which fatal injuries were reported. But we cannot say that fatal injuries were inevitable consequences of those crashes. If crashworthy design for seat, restraint systems, and cabin strength were adequate or right, survivability in a crash event could be maximized greatly. To substantiate the right crashworthiness, we must thoroughly understand the characteristics of human tolerance under abrupt acceleration change, and the cabin design should be combined with proper use of energy absorbing technologies that reduce accelerations experienced by the occupants. In this paper, the emphasis on the human tolerance under abrupt accelerations as well as the necessity of change in design requirements for crash environment will be stressed to widen the belt of consensus for the right crashworthy design.
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문제 정의
내추락성과 관련되는 현안들을 충분히 이해하기 위해서는 특정한 항공기가 겪게 될 추락환경에 대한 명확한 이해뿐만 아니라 가속도 변화에 대한 인체 허용한도 및 탑승자 보호체계 기본원리에 대한 이해가 함께 전제되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 가속도 변화환경에서의 인체 허용한도의 중요성뿐만 아니라 추락환경 변화에 따른 설계요구도 변화 필요성을 강조하기 위해 관련 연구결과들을 체계적으로 정리하고, 나아가서 이를 통해 내추락성 설계에 대한 공감대를 넓히고자 한다.
여기서 해면 등급이란 풍속 및 파고를 기준으로 특정지역 및 시점에서 수면조건을 정의하기 위한 세계기상기구(WMO, World Meteorological Organization) 규약으로, 주로 파고를 기준으로 0(Calm, glassy)부터 9(Phenomenal, 파고 14m 이상)까지 분류하고 있다. 여기서는 수면충돌(water impact)을 예로 들어 추락환경에 따른 내추락성 요구도 변화 필요성을 설명하려고 한다.
내추락성 설계개념을 적용한 탑승자 보호계통이 예측되는 모든 운용환경에서 유사 시 탑승자 모두를 보호할 수는 없으므로 설계요구도를 개발하는 과정에 적절한 절충(trade-off)이 이루어져야 한다. 이때 고려해야 하는 여러 인자들이 있으나 추락속도 다음으로 중요하게 인식되는 것이 추락표면 조건이므로 여기서는 이에 대해 논의하고자한다.
제안 방법
1 m/s이었다. 그림에서와 같은 불균일한 시험결과 특성에 의해 충돌속도, 충돌시간(duration) 등의 분석에 오류가 있을 수 있으므로 생체역학적으로 가장 중요한 구간을 선택하여 평균가속도를 구했다. 평균가속도를 구하는 과정은 다음과 같다.
대상 데이터
262개 데이터가 수집되었으며, 대부분의 경우에 치명적인 부상은 없었던 것으로 나타났다. 여기서는 20G 이상을 기록한 202개 사례를 분석하였으며, 센서는 드라이버 무릎 바로 밑의 바닥에 견고하게 장착함으로써 차대(chassis)에서의 가속도 변화가 측정되게 하였다.
General Motors 주관으로 1993년부터 1998년사이에 Indianapolis Race Car에 발생했던 사고사례를 분석했는데[5], 인체 허용한도 관점에서 요약 정리하면 다음과 같다.
262개 데이터가 수집되었으며, 대부분의 경우에 치명적인 부상은 없었던 것으로 나타났다. 여기서는 20G 이상을 기록한 202개 사례를 분석하였으며, 센서는 드라이버 무릎 바로 밑의 바닥에 견고하게 장착함으로써 차대(chassis)에서의 가속도 변화가 측정되게 하였다. 참고로 충돌방향 기준으로 전방, 측방, 후방 각각 13, 143, 46개 자료가 수집되었다.
예측되는 추락표면에는 개활지를 포함하는 야전지형, 수면, 활주로 등이 포함된다. 이러한 지면조건은 다시 토양 압축도(soil compressibility)나 해면 등급(sea state)에 의해 세분화될 수 있다.
여기서는 20G 이상을 기록한 202개 사례를 분석하였으며, 센서는 드라이버 무릎 바로 밑의 바닥에 견고하게 장착함으로써 차대(chassis)에서의 가속도 변화가 측정되게 하였다. 참고로 충돌방향 기준으로 전방, 측방, 후방 각각 13, 143, 46개 자료가 수집되었다.
성능/효과
실제 사례에 대한 분석결과는 수면충돌에 의한 효과가 또 다른 나쁜 가능성을 갖는다는 것을 보여주고 있다[6]. 상당한 비율의 추락사고에서 헬기는 전복되거나 가라앉는 것으로 나타났으며, 이렇게 되는 시점도 충돌 직후인 것으로 확인되었다. 탑승자가 탈출하기에 충분한 만큼의 시간동안 헬기가 직립자세를 유지할 때 생존 기회는 최대가 되며, 헬기가 물위에 떠 있기만 한다면 어느 정도 기운 상태에서도 생존 기회를 보장할 수 있다.
내추락성설계에 의해 생존률을 향상시킨 예는 이러한 개념이 최초로 본격적으로 도입된 UH-60 Black Hawk 및 AH-64 Apache 개발 및 사고사례 분석에서 찾을 수 있다. 이러한 내추락성 개념이 Indianapolis 및 NASCAR 경주용 자동차 설계에 적용되어 앞서 제시되었던 헬기 분석결과를 훨씬 능가하는 인체 허용한도 능력을 보여주었다.
후속연구
+Gz 방향에서 피시험자가 0.04초 동안 최대 16G까지 뚜렷한 부상 없이 견딜 수 있었는데, 후속 관련연구들을 통해 이 방향에서의 인체 허용한도는 20∼25G인 것으로 정리되었다.
특히 지상이 아닌 해상에서 주로 운용되는 헬기나 바퀴를 갖는 고정식 착륙장치가 없는 헬기의 경우에는 내추락 특성에서도 기본적인 차이가 불가피하다. 따라서 새로운 항공기를 개발할 때에는 개념연구 단계에서부터 예상되는 추락과정, 특히 추락표면 특성에 대한 면밀한 연구가 선행되어야 할 것이다.
단순히 안전을 위한 투자라는 인식을 벗어나 인명 보호를 위한 투자라는 인식전환이 필요하다고 생각한다. 자동차나 항공기 안전분야에서의 개선 가능성은 무한하다고 생각하며, 이를 위해서는 무엇보다도 교육을 통한 인식 전환 그리고 공공의 이해를 증진시키기 위한 노력들이 수반되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
추락 및 충돌사고에서 심각한 부상 없이 잠재적으로 생존 가능했던 이유 두 가지는 무엇인가?
모든 항공기 추락사고의 약 85% 에서는 탑승자들의 심각한 부상 없이 잠재적으로 생존 가능(potentially survivable)했던 것으로 평 가되었는데[1], 이는 분석대상인 추락사고의 85% 가 다음의 두 기본범주에 들었기 때문이다. 첫째는 추락과정에서 확인된 하중결과가 급격한 가속도 변화환경에서의 인체 허용한도 제한치(human tolerance limit) 이내에 있었다는 것이며, 둘째로는 탑승자와 인접한 구조요소들이 추락과정에서 요구되는 생존공간을 제공하면서 그 기능을 유지 했다는 것이다[2]. 달리 말하면 일반적인 견해와는 달리 대부분의 항공기 추락사고는 엄밀한 의미에서 “사고”가 아니었다는 것이다[1].
생존 가능한 사고란 무엇인가?
달리 말하면 일반적인 견해와는 달리 대부분의 항공기 추락사고는 엄밀한 의미에서 “사고”가 아니었다는 것이다[1]. 여기서 “생존 가능한 사고(survivable accident)”는 좌석 및 구속장치를 통해 탑승자에게 전달되는 하중이 급격한 가속도 변화상황에서 인체 허용한도를 초과하지 않거나 추락과정에서 탑승자에게 필요한 생존공간을 제공할 수 있도록 탑승자 주변의 구조요소가 제 기능을 유지한 것으로 평가된 사고 즉, 이론적으로는 심각한 부상 또는 사망사고 발생이 예상되지 않는 사고조건을 말한다[2].
생존성을 결정짓는 두 개의 중요한 요소는 무엇인가?
또한 생존성을 결정짓는 두 개의 중요한 요소 즉, 탑승자를 향하는 하중전달체계와 추락과정에서 유지되어야 할 구조건전성의 수준이 대부분 항공기 설계단계에서 결정된다는 사실을 기억할 필요가 있다. 추락과정에서 어떤 수준으로 탑승자를 보호할 것인가를 결정하는 과정은 설계단계에서의 일련의 “절충(trade-off)” 과정으로 설명될 수 있다.
참고문헌 (7)
Shanahan D.F., "Human Tolerance and Crash Survivability," RTO HFM Lecture Series on "Pathological Aspects and Associated Biodynamics in Aircraft Accident Investigation," Madrid, Spain, Oct. 2004.
Shanahan D.F., "Basic Principles of Helicopter Crashworthiness", Report No. 93-15, Fort Rucker, Alabama : U.S. Army Aeromedical Research Laboratory, 1993.
Eiband, A.M., "Human Tolerance to Rapidly Applied Accelerations : A Summary of the Literature," NASA Memorandum, Memo 5-19-59E, June 1959.
Melvin, J.W., Baron, K.J., Little, W.C., Gideon, T.W., and Pierce, J., "Biomechanical Analysis of Indy Race Car Crashes," 42nd Stapp Car Crash Conference, Tempe, Arizona, Nov. 1998.
Coleshaw SRK, "Surviving a Helicopter Crash in Water - The Way Forward?," Journal of Ocean Technology, Vol.5, No.4, 2010.
JSSG-2010-7, "Crew Systems: Crash Protection Handbook,"U.S. Department of Defense, Oct. 1998.
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