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문제 정의
- 1979년 도버 해협 횡단에 성공한 Gossmar Albatross는 기체 무게가 33kg에 불과할 정도로 경량화 되어있는 것이 특징이다. 본 논문에서는 이러한 조건들을 만족하기 위해 인간동력항공기를 경량으로 만들기 위한 방법을 제시하고, 완성된 항공기를 이용하여 성공적인 비행을 하기 위한 비행 훈련에 대해 수록하고 있다.
- 본 연구에서는 인간동력항공기의 제작과 비행시험에 대한 내용을 다루었다. 국제적으로는 40여년 이상의 역사를 가지고 있으나 국내에서는 두 번째로 시도된 인간동력항공기 개발에 있어 무게를 최소화하기 위한 제작 과정을 연구하고, 아울러 좁은 활주로 상에서 측풍을 이겨내며 직선 비행을 위해서는 조종 훈련이 그 무엇보다 중요하다는 것을 알 수 있었다.
제안 방법
- 또한 지상에서 착륙을 위한 보조자들의 행동 방법에 대해서도 원칙을 정하여 항공기 기체가 한 쪽 방향으로 쏠려 날개 한쪽이 바닥에 닿는 경우 절대 날개 쪽을 접근하지 못하게 하는 규칙도 정하게 되었다. 기체가 이륙하기 위해서 조종석 뒤쪽에서 밀어주는 보조요원과 양날개 가운데 부분에서 받쳐 주는 두 명의 보조요원을 두었는데, 기체가 이륙하기 전에는 뒤에서 미는 보조요원이 이륙 가능 여부를 판단해서 이륙을 취소할 수 있는 권한을 가지도록 하였으며, 보조 요원으로부터 기체가 벗어난 이후에는 모든 권한을 조종사가 가지며, 이륙이나 비행 중지 여부를 결정하도록 하였다.
- 부분품 제작 완료 후 조립은 무게를 고려하여 최소한의 접착제만을 사용하도록 하였다. 날개의 형상을 위한 rib의 조립은 항공기 양력 발생 여부에 영향을 미치게 되므로 레이저 수평계 등을 이용하여 신중하게 작업을 수행하였다.
- 조종석 하부 바퀴는 앞 뒤 지름이 서로 다르게 설계가 되었으나, 바퀴를 고정하는 캐스터는 동일한 개념으로 설계 제작하였다. 다만, 앞쪽 바퀴를 고정하는 캐스터는 지름이 서로 다른 두 개의 바퀴를 교환으로 사용가능하고, 또한 고정 위치를 바꾸면서 항공기 기체의 받음각 조절이 가능토록 제작이 되었다.
- 설계 당시 설정된 정적 여유(static margin)에 따라 원활한 비행을 위해서는 수평꼬리날개의 초기 트림각(trim)을 결정하여야 했다. 두 명의 조종사가 신장과 몸무게가 서로 달라 무게 중심이 변하기 때문에 각기 다른 트림 각도를 정했으며, 또한 전방 풍의 속도에 따라서도 조절 각도를 달리 하였다. 트림 각도는 수 차례의 비행 시험 결과를 통계처리하여 약 -5o에서 -9o 사이에서 택하였다.
- 헬스클럽에서 사용하는 운동기구 안장을 이용하여 몰드를 제작하였으며, 이 몰드에서 카본 재질의 조종석을 제작하였다. 등받이 각도는 선발 된 두 조종사가 가장 편하게 조종할 수 있는 각도를 선택하였으며, 두 조종사의 신장이 다른 점을 고려하여 조종석에서 위치 조절이 가능토록 하였다.
- 이후 비정상 착륙에서도 기체 손상을 줄이기 위한 노력을 하여 지상 계류 시에도 날개의 처짐을 줄이기 위한 와이어를 새로 설치하는 등 노력을 기울였다. 또한 지상에서 착륙을 위한 보조자들의 행동 방법에 대해서도 원칙을 정하여 항공기 기체가 한 쪽 방향으로 쏠려 날개 한쪽이 바닥에 닿는 경우 절대 날개 쪽을 접근하지 못하게 하는 규칙도 정하게 되었다. 기체가 이륙하기 위해서 조종석 뒤쪽에서 밀어주는 보조요원과 양날개 가운데 부분에서 받쳐 주는 두 명의 보조요원을 두었는데, 기체가 이륙하기 전에는 뒤에서 미는 보조요원이 이륙 가능 여부를 판단해서 이륙을 취소할 수 있는 권한을 가지도록 하였으며, 보조 요원으로부터 기체가 벗어난 이후에는 모든 권한을 조종사가 가지며, 이륙이나 비행 중지 여부를 결정하도록 하였다.
- 부분품 제작 중 가장 애로 사항이 있었던 부분으로서 날개 앞전의 곡률 반경이 작아서 일반적인 열선 작업으로는 일정한 두께로 제작하기 힘들어 열선의 온도와 절단 속도를 낮춰 최적의 조건을 찾은 다음 작업을 수행 하였다. 그림 2.
- 붐과 조종석을 연결하는 구조물은 모두 카본 시트를 이용하여 작업을 수행하였다. 세 겹의 시트를 사용하여 구조적인 안전성을 확보하였다.
- 수평 및 수직 꼬리 날개의 변위 조종을 위한 구동기는 붐 위에 설치가 되며, 고정을 위한 브라켓을 카본으로 제작하였다. 구동기를 위한 배터리는 무게를 고려하여 설치 위치를 결정하였다.
- 조종석 페달을 설치하기 위한 브라켓은 작용하는 하중을 고려하여 알루미늄으로 기계가공을 하였다. 용접 없이 알루미늄 블록을 기계 가공으로 제작하여 제작 정밀도를 높이고 무게가 최소화 될 수 있도록 하였다. 카본 구조물과는 에폭시 본딩으로 결합을 하였다.
- 이동을 고려하여 주날개와 수평 및 수직꼬리날개, 그리고 프로펠러는 착탈이 가능하도록 제작이 되어 완전 분해 후 조립에 걸리는 시간이 두시간을 넘지 않도록 하였다.
- 최적으로 선정된 이 트림 각도는 설계당시 예상보다 큰 값이었는데, 이는 항공기의 동체에 해당하는 붐의 강성에 의해 휨 변형이 발생하고 실제로는 수평꼬리날개의 영향이 약 2o 정도 줄어들기 때문인 것으로 확인되었다. 이륙 직전 수평 꼬리날개를 약 -2o 정도 더 조절하여 이륙하였으며, 이륙 직후에도 고도가 낮아질 경우 수평 꼬리 날개를 조절하도록 하였다. 다만, 수평 혹은 수직 꼬리 날개를 조절 한다는 것은 항력 증가를 의미하며, 이때는 조종사가 파워를 더 낼 수 있도록 하였다.
- 조종석 페달을 설치하기 위한 브라켓은 작용하는 하중을 고려하여 알루미늄으로 기계가공을 하였다. 용접 없이 알루미늄 블록을 기계 가공으로 제작하여 제작 정밀도를 높이고 무게가 최소화 될 수 있도록 하였다.
- 조종석은 엉덩이 부분과 등받이 그리고 손잡이의 세 부분으로 나누어 제작이 되었다. 헬스클럽에서 사용하는 운동기구 안장을 이용하여 몰드를 제작하였으며, 이 몰드에서 카본 재질의 조종석을 제작하였다.
- 총 92회의 비행 훈련을 고흥항공센터에서 수행하였다. 최초 훈련에서 비행을 시도하여 높이 약 100mm의 이륙을 경험하고 계속해서 좀 더 높은 비행을 위해 노력을 하였으나, 지상에서의 활주 연습이 없이는 비행을 할 수 없다는 사실을 간과한 덕에 아래의 사진과 같이 비행기가 대파하는 경험을 하게 되었다. 그림 3.
- 조종석은 엉덩이 부분과 등받이 그리고 손잡이의 세 부분으로 나누어 제작이 되었다. 헬스클럽에서 사용하는 운동기구 안장을 이용하여 몰드를 제작하였으며, 이 몰드에서 카본 재질의 조종석을 제작하였다. 등받이 각도는 선발 된 두 조종사가 가장 편하게 조종할 수 있는 각도를 선택하였으며, 두 조종사의 신장이 다른 점을 고려하여 조종석에서 위치 조절이 가능토록 하였다.
대상 데이터
- 5에 각각의 제작 사진을 수록하였다. 기본적으로 카본 시트 3장을 사용하여 제작하였으며, 형상을 위한 몰드를 이용하여 수작업으로 제작하였다. 주날개 및 수평꼬리 날개용 U자형 브라켓은 에폭시를 이용하여 붐에 부착 후 리벳으로 최종 조립을 완료하였다.
- 건축용 자재로 주로 사용되는 재질로서 밀도와 단열 특성에 따라 1호에서 4호로 종류가 나누어진다. 당초 설계에서는 밀도 20 kg/m3 이상인 3호의 물성치를 고려하였으나, 두께 100 mm 제품이 생산되지 않아 밀도 30 kg/m3 이상인 1호 아이소핑크를 사용하여 제작을 하였다.
- 부분품들을 결합하고, 카본 시트지를 이용한 형상 제작에 필요한 에폭시는 Jeffco사 1307 LV레진과 3176 MED 하드너를 사용하였다.
- 인간동력항공기의 설계 목표중량은 55 ∼ 60kg의 조종사 중량을 고려하여 공허중량 40kg미만으로, 총중량 100kg으로 설계를 진행하였다.
- 주 날개 6 m 지점과 조종석 프레임을 연결하는 와이어 연결 브라켓은 알루미늄 가공으로 제작하였다. 초기 설계에서 와이어는 정상 비행에서의 날개 휨 변형만 고려하여 날개 아랫부분만 고정하였으나, 이후 설계 변경을 통해 계류 때의 아랫방향 휨 변형도 줄이기 위해 아랫부분도 와이어로 고정하기 위해 원형의 고리가 있는 형태로 변경이 되었다.
- 총 92회의 비행 훈련을 고흥항공센터에서 수행하였다. 최초 훈련에서 비행을 시도하여 높이 약 100mm의 이륙을 경험하고 계속해서 좀 더 높은 비행을 위해 노력을 하였으나, 지상에서의 활주 연습이 없이는 비행을 할 수 없다는 사실을 간과한 덕에 아래의 사진과 같이 비행기가 대파하는 경험을 하게 되었다.
성능/효과
- 제작이 완료된 이후 최종 무게 측정 작업을 수행하였으며, 두 대의 저울을 이용하여 앞뒤 바퀴에서의 무게를 측정한 결과 조종사 탑승 시 9:1의 무게 배분 결과를 얻었으며, 이는 설계시 고려된 무게 중심(0.21c ~ 0.26c)을 만족하는 범위 임을 확인하였다.
- 트림 각도는 수 차례의 비행 시험 결과를 통계처리하여 약 -5o에서 -9o 사이에서 택하였다. 최적으로 선정된 이 트림 각도는 설계당시 예상보다 큰 값이었는데, 이는 항공기의 동체에 해당하는 붐의 강성에 의해 휨 변형이 발생하고 실제로는 수평꼬리날개의 영향이 약 2o 정도 줄어들기 때문인 것으로 확인되었다. 이륙 직전 수평 꼬리날개를 약 -2o 정도 더 조절하여 이륙하였으며, 이륙 직후에도 고도가 낮아질 경우 수평 꼬리 날개를 조절하도록 하였다.
후속연구
- 또한 날개 고정용 브라켓이 비행 상태에서의 하중을 고려하여 제작되어, 비정상적인 착륙 등 날개에 하중이 많이 가해지는 경우 파손의 우려가 있어 이에 대한 보강도 추후 필요할 것으로 판단하였다.
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