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문제 정의
- 전기체 구조시험을 수행하기 위해서 시험후레임, 하중부가장치, 중량보상장치, 자세구속장치, 잭킹장치 등의 주요장치가 필요하고 또한 통합된 시험장비들(제어장비, 데이터획득장비, 유압장비 등)이 필요하다[1~3]. 본 논문에서는 KC-100 전기체 정적시험을 수행하기 위한 시험의 요구도, 시험체 및 더미구조, 시험하중 산출, 시험장치, 시험장비 등에 대하여 소개하였다. 아울러 시험의 정확도를 향상시키기 위하여 개발된 시험장치의 설치절차도 소개하였고 이 절차에 따른 시험 설치의 결과들을 소개하였다.
- 실하중은 표준지시계로 나타난 값으로 기준하중이고 지시 하중은 본 시험장비에서 교정되어 나타나는 하중이다. 본 시험에서는 여러 용량의 로드셀이 사용 되었으나 가장 많이 사용한 25KN용량 로드셀의 교정결과를 예로 보였다. 교정결과 기울기는 압축과 인장에 대하여 각각 매우 선형성이 잘 유지되고 있으며, 압축과 인장에 대해 이상적인 기울기 1 비교하여 각각 0.
- 전기체 정적시험에 필요한 주요장치들로는 시험 후레임, 시험체 자세구속장치, 하중부가장치, 중량보상장치, 잭킹장치 등이 있다[3]. 본 절에서는 본 시험에 사용된 이들 주요장치들에 대하여 살펴본다.
- 본 논문에서는 KC-100 전기체 정적시험을 수행하기 위한 시험의 요구도, 시험체 및 더미구조, 시험하중 산출, 시험장치, 시험장비 등에 대하여 소개하였다. 아울러 시험의 정확도를 향상시키기 위하여 개발된 시험장치의 설치절차도 소개하였고 이 절차에 따른 시험 설치의 결과들을 소개하였다. 마지막으로 수십개 이상의 하중제어채널을 요구하는 전기체 정적시험에서 시험의 정확도에 영향을 주는 하중제어의 오차를 시험데이터를 이용하여 평가하였고 시험 동안 발생하는 반력의 크기를 보였다.
제안 방법
- 시험체의 형상 변화는 하중작용방향의 변화를 야기하며, 각종 오차의 용인들이 이 시스템의 힘과 모우멘트의 평형이 실제로는 유지되지 못하게 될 것이며 이들의 불균형으로 반력이 나타나게 되는 것이다. Fig. 15에서 보는 바와 같이 반력이 발생하게 되면 자세구속장치가 장착된 시험체부에 하중이 작용되므로 이에 대한 허용하중의 크기를 정의하여야 하고 각 시험조건별 허용하는 반력의 크기를 정의하여 시험진행 과정에서 반력의 크기를 감시를 하여야 하고 본 시험에서도 시험체 해석담당자들이 발행한 허용값을 넘지 않는지 주의 깊게 감시하면서 시험을 수행하였다.
- 미익은 사용할 수 있는 시험하중 작용점의 개수가 작은 관계(3개소)로 4번의 방법은 오차율이 크게 나타나므로 3번의 방법으로 시험하중 산출을 수행하였다. 마지막으로 동체의 경우 무게중심(Center of Gravity, 이하CG점) 하중이 일치하지 않을 경우 위에서 언급한 바와 같이 자세구속지점에서 반력이 발생되기 때문에 CG점에서 일치시킬 수 있는 3번의 방법을 사용하였다.
- 주익의 경우 넓은 중요 영역을 가지고 있으므로 전체적인 모멘트 오차가 작게 발생하는 장점을 가진 4번의 방법을 사용하였다. 미익은 사용할 수 있는 시험하중 작용점의 개수가 작은 관계(3개소)로 4번의 방법은 오차율이 크게 나타나므로 3번의 방법으로 시험하중 산출을 수행하였다. 마지막으로 동체의 경우 무게중심(Center of Gravity, 이하CG점) 하중이 일치하지 않을 경우 위에서 언급한 바와 같이 자세구속지점에서 반력이 발생되기 때문에 CG점에서 일치시킬 수 있는 3번의 방법을 사용하였다.
- 본 시험에 사용한 로드셀의 선정 기준은 사용 유압작동기의 용량대비 20%보다는 크도록 하고 최대시험하중이 로드셀 용량의 20%보다는 크도록 하였다. 유압작동기의 선정은 최대시험하중은 유압작 동기 용량의 80%이상이 되지 않도록 하였다.
- 본 시험에서는 초도비행을 위한 5가지 시험조건(조종면, 플랩 하중조건과 연료탱크 내압시험) 및 6가지의 국부하중시험 조건(Pilot seat, Passenger seat, Engine, Nose landing gear, Turn Over 등)을 포함하여 총 22가지 시험조건이 고려되어 수행되었다[3]. 본 시험에서는 각 시험별로 극한하중까지 시험을 진행하였고 시험진행의 순서는 초도비행을 위한 전기체 시험, 나머지 전기체 시험, 국부하중 시험, 최종적으로 환경 요소반영 극한하중시험 순으로 진행되었다.
- 본 시험에서는 시험의 정확도를 높이기 위하여 「시험장 기준표시」절차, 시험체 설치절차,하중부가장치 설치절차 등을 개발하였다. 시험장 기준표시 절차는 참고문헌 [4]에 자세히 기술하였고 이 결과로서 “개선된 후레임”의 설계를 완성한 후 확보한 기준과 참고점들을 활용하여 시험체와 시험장치의 설치효율 및 시험의 정확도를 향상시키도록 하였다.
- 본 시험에서는 초도비행을 위한 5가지 시험조건(조종면, 플랩 하중조건과 연료탱크 내압시험) 및 6가지의 국부하중시험 조건(Pilot seat, Passenger seat, Engine, Nose landing gear, Turn Over 등)을 포함하여 총 22가지 시험조건이 고려되어 수행되었다[3]. 본 시험에서는 각 시험별로 극한하중까지 시험을 진행하였고 시험진행의 순서는 초도비행을 위한 전기체 시험, 나머지 전기체 시험, 국부하중 시험, 최종적으로 환경 요소반영 극한하중시험 순으로 진행되었다.
- 본 시험의 설계하중에서는 자세구속장치에 하중이 작용하지않으며, 이를 만족하기 위하여 시험하중 산출에서도 시험하중자체로 평형상태를 잘 유지하도록 하였고 각 구성품별로 아래와 같이 하중을 산출하였다.
- 시험하중 산출 방법은 전단력과 모멘트를 사용하여 계산되는 모멘트 평형식을 기본으로 하는 참고문헌[5, 6]과 같다. 본 연구에서의 시험하중 산출은 참고문헌[6]에서 분류한 모멘트 평형식이 사용되지 않는 1번(구간별 전단 하중 일치 방법)과 2번(구간별 모멘트 일치 방법) 을 제외한 3번(구간별 대표하중 선정 방법(Ⅰ))과 4번(구간별 대표하중 선정 방법(Ⅱ)) 방법을 사용하여 수행하였다.
- 본시험의 시험하중 산출은 항공기설계자(KAI) 가 제공한 설계하중(VMT; Shear force, Bending moment, Torsion)을 기준으로 시험조건별로 중요영역과 기타영역을 정의하여 그들이 영역에 대 해 일치점에서 각각 2%와 10%이내의 허용오차율을 적용하였다. 시험하중 산출 방법은 전단력과 모멘트를 사용하여 계산되는 모멘트 평형식을 기본으로 하는 참고문헌[5, 6]과 같다.
- 소형복합재료 항공기인 KC-100의 전기체 정적 구조시험을 수행하기 위하여 시험하중산출, 시험 장비, 시험장치의 설계, 설치를 수행하였다. 시험의 정확성 유지를 위하여 시험체설치 및 주요시험장치의 설치절차를 개발하여 적용하였고 설치 결과가 허용오차 이내에 잘 설치가 되었음을 확인하였다.
- 시험체 설치 절차에서는 시험체 조립공정에서 표시한 시험체 스킨의 스테이션선들과 시험장 기준선과를 비교하면서 시험체를 정확한 위치에 설치하도록 하였다. 스트랩(또는 패드) - 휘플트리 - 유압작동기로 구성되어 시험체에 하중을 부가하는 하중부가장치의 스트랩과 패드는 시험체 스킨에 부착시 기준이 되는 선들을 마일러를 통하여 표시한 후 부착 또는 설치하였고 유압작동기는 시험장 기준표시와 후레임에 표시된 참고점들을 이용하여 보다 정확하게 설치하였다.
- 시험장 기준표시 절차는 참고문헌 [4]에 자세히 기술하였고 이 결과로서 “개선된 후레임”의 설계를 완성한 후 확보한 기준과 참고점들을 활용하여 시험체와 시험장치의 설치효율 및 시험의 정확도를 향상시키도록 하였다.
- 시험체 설치 절차에서는 시험체 조립공정에서 표시한 시험체 스킨의 스테이션선들과 시험장 기준선과를 비교하면서 시험체를 정확한 위치에 설치하도록 하였다. 스트랩(또는 패드) - 휘플트리 - 유압작동기로 구성되어 시험체에 하중을 부가하는 하중부가장치의 스트랩과 패드는 시험체 스킨에 부착시 기준이 되는 선들을 마일러를 통하여 표시한 후 부착 또는 설치하였고 유압작동기는 시험장 기준표시와 후레임에 표시된 참고점들을 이용하여 보다 정확하게 설치하였다.
- 시험체와 하중부가장치의 설치는 2.1.4절에서 기술한 바와 같이 본 시험을 위하여 개발된 절차에 따라 수행되었다. 시험체 설치의 결과는 Table 5와 같고 설치오차는 허용오차인 ±2.
- 아울러 장비의 오작동으로 인해 기체에 과하중이 작용되는 것을 방지하기 위한 기계적 안전 장치가 사용되며, 대표적으로 과하 중방지장치(Overload Protection System)가 있고 이들에 대한 자세한 내용은 참고문헌[7]에서 확인할 수 있다. 이 장치에는 하중제한밸브와 미터링 밸브가 있고 하중제한 밸브는 시험전 조절장치를 통하여 유압작동기별 최대하중의 110%~120% 범위에서 하중작용이 되도록 밸브를 조절하였다. 미터링밸브는 시험이 비상중단(shurdown)시 시험체에 내재된 변형율 에너지가 방출되는 과정에서 시험체에 연결된 인접한 여러개의 유압작동기들에서 하중 제거율이 유사하게 유지되도록 하는 장치로 시험 전 40%DLL상태에서 여러번의 인위적인 비상중단을 작용하여 반응하는 유압작동기들의 하중값들로부터 밸브들을 조절하였다.
- 주익에 사용된 방법의 특성상 CG점에서 오차가 발행하게 되며, 이 오차를 상쇄시키도록 동체 CG 부분에 적용하여 전기체 평형상태를 유지시켰다. 이상에서 설명한 구성품별 하중산출을 하였고 조종면 및 플랩, 주익, 미익, 동체의 순서로 계산하였다.
- 장비 교정은 하중측정 센서인 로드셀과 측정 장비를 연결한 상태에서 표준 로드셀 및 지시계를 사용하여 목표하중을 부가한 후 시험장비에서의 하중값이 같은 숫자가 나오도록 장비의 인자들(게인, 인가전압, 인장압축 기울기 비 등을 조정하여 수행한다. 측정장비와 로드셀은 선형특성이 우수한 것들을 사용하고 있고 대표적인 교정의 결과는 Fig.
- 특히, 한국항공우주연구원은 전기체 정적시험과 피로시험을 준비 및 수행하였고 이를 위하여 시험하중 산출, 시험장치 설계, 장비준비, 시험수행 등을 담당하였다. 전기체 구조시험은 항공기 인증의 주요 일정에 맞추어 진행되었고 비용의 절감을 위하여 정적시험 종료 후 피로시험을 수행하여 동일 시험 장치들을 최대한 공동으로 사용하였다.
- 조종면과 플랩을 제외한 날개와 동체는 스트랩-휘플트리로 구성하였고 단순한 당김(pull)방식의 하중부가를 적용하였다. 조정면과 플랩은 패드-휘플트리로 구성하여 밀고당김(push-pull)방식의 하중부가를 하였다(Fig. 8). 날개 box와 동체에 대한 자세한 장치들에 대한 소개는 참고문헌[3]에 기술되었다.
- 조종면과 플랩에서 하중분포는 무시하고 힌지 모멘트 값만을 만족하도록 요구하였기 때문에 모멘트 평형식을 사용하지 않고 힌지 모멘트만 위치시켰다. 조종면과 플랩은 주익과 미익에 위치 하므로 주익 및 미익의 설계 VMT에서 조종면과 플랩이 차지하는 시험 VMT를 제외한 계산을 수행하였다. 주익의 경우 넓은 중요 영역을 가지고 있으므로 전체적인 모멘트 오차가 작게 발생하는 장점을 가진 4번의 방법을 사용하였다.
- 하중부가장치는 각 시험조건에 맞는 하중분포를 시험체에 부가할 수 있도록 하는 장치로 스트랩(또는 패드)와 휘플트리로 구성 된다. 조종면과 플랩을 제외한 날개와 동체는 스트랩-휘플트리로 구성하였고 단순한 당김(pull)방식의 하중부가를 적용하였다. 조정면과 플랩은 패드-휘플트리로 구성하여 밀고당김(push-pull)방식의 하중부가를 하였다(Fig.
- 조종면과 플랩은 주익과 미익에 위치 하므로 주익 및 미익의 설계 VMT에서 조종면과 플랩이 차지하는 시험 VMT를 제외한 계산을 수행하였다. 주익의 경우 넓은 중요 영역을 가지고 있으므로 전체적인 모멘트 오차가 작게 발생하는 장점을 가진 4번의 방법을 사용하였다. 미익은 사용할 수 있는 시험하중 작용점의 개수가 작은 관계(3개소)로 4번의 방법은 오차율이 크게 나타나므로 3번의 방법으로 시험하중 산출을 수행하였다.
- 첫번째 시험(U1) 데이터를 이용하여 시험하중 데이터 분석결과를 소개하였다. U1 시험은 Table 4에 있는 바와 같이 총 29개의 하중채널로 구성 되었으며 1~6까지는 시험체 자세구속장치에 설치된 하중 모니터용 채널이고 23개의 제어체널로 구성되었다.
- 시험장비의 시스템 설정값에 의해 시험체를 보호하여 안전장치로서의 역할을 하며, 허용오차와 허용한계치 등을 정의하여 값을 설정한다. 하중제어는 시험의 안전성과 정확성을 만족하기 위해 오차(Error)와 한계치(Limit) 값을 결정 하였다. 본 시험에서 적용한 오차와 한계치는 Table 2와 같으며, 시험하중크기와 로드셀의 최대용량을 기준으로 산출되었다.
대상 데이터
- 첫번째 시험(U1) 데이터를 이용하여 시험하중 데이터 분석결과를 소개하였다. U1 시험은 Table 4에 있는 바와 같이 총 29개의 하중채널로 구성 되었으며 1~6까지는 시험체 자세구속장치에 설치된 하중 모니터용 채널이고 23개의 제어체널로 구성되었다.
- 날개 box와 동체에 대한 자세한 장치들에 대한 소개는 참고문헌[3]에 기술되었다. 대표적으로 첫 시험조건(U1)에 대한 하중부가장치의 정보들은 Table 4와 같으며, 총 23개의 유압작동기를 사용하였다. 이 Table 4의 "Test load (N)"와 “Total (N)"은 극한하중값이고 이들은 각각 항공기 좌표 (Fig.
- 자세한 내용은 참고문헌 [3]에 기술되었다. 본 시험에 사용하는 6개의 단위 장치는 각각의 스프링-링크 조립체로 구성된다. 각 조립체는 두 개의 스프링들을 조립하여 구성되고 각 스프링은 압축방향으로 힘을 가하면서 조립을 하게 되며, 이때 작용하는 하중의 크기를 조립체의 사전하중 (Pre-load)으로 정의한다.
- 한 편 각 시험조건별로 하중부가장치는 정확한 하중 작용을 부가하기 위하여 하중부가장치를 변경하여 설치하였다. 본 시험에서 사용한 하중부가를 위한 유압작동기의 채널수는 일정하지 않으며, 최대 30여개의 채널로 시험이 진행되었다.
- 본 시험에서는 하중, 압력, 스트레인, 변위값을 측정하기 위해서 시험체 거동특성을 위한 측정 센서들(스트레인 게이지/변위측정장치)을 주날개, 동체, 꼬리날개, 더미에 각각 142/14, 165/5, 76/12, 5/0개를 사용하였으며 채널수로는 각각 244, 234, 104, 5로 총 587채널이 사용되었다. 한 편 각 시험조건별로 하중부가장치는 정확한 하중 작용을 부가하기 위하여 하중부가장치를 변경하여 설치하였다.
- 주제어장치는 시험장비 제어를 총괄하고 서보제어장치는 시험체에 하중을 부가할 유압작동기를 제 어하며, 이는 유압작동기에 부착되는 로드셀과 서보밸브를 통해 이루어 진다. 본시험에 사용되는 로 드셀은 이중 신호가 출력되는 센서를 사용하였다. 서보밸브의 역할은 목표하중에 해당되는 명령신호 (Command)와 로드셀에서 출력되어 감지되는 피드백(Feedback)을 실시간으로 연산하여 오차에 해당 하는 신호(CMF, Command Minus Feedback)를 입력받아 유압작동기의 유량을 제어하여 시험체에 목표하중을 작용한다.
- 시험을 통하여 획득된 데이터들은 하중, 스트레인, 그리고 변위들이다. 시험체의 거동 데이터인 스트레인과 변위값은 시험체 설계자들이 분석을 하여 시험체의 건전성을 확인하게 된다.
- 전기체 정적시험 장비는 미국 MTS사의 항공기 구조시험 전용인 Aero-90 시스템이 사용되었고, Fig. 6은 통합 시험장비의 구성도이다. Fig.
이론/모형
- 시험체 자세구속장치는 시험동안 시험체가 강체운동을 구속하는 장치이고 시험동안 시험체의 변형은 구속하지 말아야 한다. 이를 위하여 6개의 단위 장치들이 필요하고 현재 국내에서 가장 많이 사용하는 스프링-링 크방식[1, 2]을 본 시험에서도 사용하였다.
- 1절의 (4)항에서 설명한 바와 같이 시험체를 정확한 위치에 설치하는 공정에서 필요하고 자세구속장치에 부착된 로드셀 교체하고자 할 때, 자세구속장치를 시험체로부터 분리 하고 대신 잭킹장치를 사용하게 되는 장치이다. 일반적으로 유압식 장치를 이용하여 잭킹자치로 사용해 왔으나[1, 2] KC-100 전기체 구조시험을 수행하면서 처음으로 수동으로 비교적 손쉽게 사용할 수 있는 터언버클식 장치를 사용하였다. 자세구속장치와 잭킹장치를 함께 나타낸 것이 Fig.
성능/효과
- 본 시험에서는 여러 용량의 로드셀이 사용 되었으나 가장 많이 사용한 25KN용량 로드셀의 교정결과를 예로 보였다. 교정결과 기울기는 압축과 인장에 대하여 각각 매우 선형성이 잘 유지되고 있으며, 압축과 인장에 대해 이상적인 기울기 1 비교하여 각각 0.091%와 0.06% 정도의 기울기 오차가 존재하며, 각 측정값에서의 최대 오차정도는 압축과 인장에 대해 각각 0.24%와 0.08%정도로 매우 정확하였고 최대오차는 전체 영역에 대하여 26N이었다.
- 아울러 시험의 정확도를 향상시키기 위하여 개발된 시험장치의 설치절차도 소개하였고 이 절차에 따른 시험 설치의 결과들을 소개하였다. 마지막으로 수십개 이상의 하중제어채널을 요구하는 전기체 정적시험에서 시험의 정확도에 영향을 주는 하중제어의 오차를 시험데이터를 이용하여 평가하였고 시험 동안 발생하는 반력의 크기를 보였다.
- 소형복합재료 항공기인 KC-100의 전기체 정적 구조시험을 수행하기 위하여 시험하중산출, 시험 장비, 시험장치의 설계, 설치를 수행하였다. 시험의 정확성 유지를 위하여 시험체설치 및 주요시험장치의 설치절차를 개발하여 적용하였고 설치 결과가 허용오차 이내에 잘 설치가 되었음을 확인하였다. 시험하중 데이터 결과 분석을 통하여 시험제어가 허용된 오차인 SNPE이내에서 잘 유지되고 있음을 알 수 있었고 전기체 시험의 제어 오차 크기는 7.
- 3N 범위에 있음을 알 수 있었다. 시험체 자세제어장치에서 유발되는 반력은 시험하중이 증가하면서 증대되었고 최대 크기 는 약 2,000N정도이고 반력의 발생 요인을 기술 하였다. 향후 연구에서는 반력의 발생요인들에 대한 정량적인 분석을 하고자 한다.
- 시험의 정확성 유지를 위하여 시험체설치 및 주요시험장치의 설치절차를 개발하여 적용하였고 설치 결과가 허용오차 이내에 잘 설치가 되었음을 확인하였다. 시험하중 데이터 결과 분석을 통하여 시험제어가 허용된 오차인 SNPE이내에서 잘 유지되고 있음을 알 수 있었고 전기체 시험의 제어 오차 크기는 7.86N ~22.3N 범위에 있음을 알 수 있었다. 시험체 자세제어장치에서 유발되는 반력은 시험하중이 증가하면서 증대되었고 최대 크기 는 약 2,000N정도이고 반력의 발생 요인을 기술 하였다.
후속연구
- 중량보상장치는 시험체의 무게와 시험치구(패드, 스트랩, 휘플트리 등) 무게를 윗방향으로 들어서 이 무게로 인한 시험체의 내부응력이 이론적으로 없도록 하는 장치이다. 본 시험에서는대부분 추와-도르레로 구성하여 사용하였고 특별히 시험체의 변형이 별로 없는 유압작동기 및 치구에 대한 중량보상은 번지 케이블로 제한적으로 사용한 바가 있다[3].
- 시험체 자세제어장치에서 유발되는 반력은 시험하중이 증가하면서 증대되었고 최대 크기 는 약 2,000N정도이고 반력의 발생 요인을 기술 하였다. 향후 연구에서는 반력의 발생요인들에 대한 정량적인 분석을 하고자 한다.
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