[논문]경량 수직이착륙 무인기의 복합재료 스키드 착륙장치 최적설계

이정진; 김명준; 김용하; 신중찬; 황경민

doi:10.20910/jase.2015.9.4.055

경량 수직이착륙 무인기의 복합재료 스키드 착륙장치 최적설계
Composite Skid Landing Gear Optimal Design for Light VTOL UAV 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.9 no.4, 2015년, pp.55 - 61

이정진 (한국항공우주연구원) , 김명준 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과) , 김용하 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과) , 신중찬 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과) , 황경민 (한국항공대학교 대학원 항공우주 및 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we peformed optimal design of a composite skid landing gear, one of the solid spring shock absorbers, for light vertical takeoff and landing aircraft. Although a solid spring type has poor energy dissipation capability, it is commonly used for light aircraft where sink speeds are low and shock absorption is non-critical in terms of simplicity, low cost and weight reduction. In this paper, design parameters of solid spring such as sink speed, gear leg length, deflection and landing load factor were reviewed. In order to meet structural requirements such as deflection and strength, finally, we conducted optimal design of the composite skid landing gear for VTOL UAV using genetic algorithm and pattern search algorithm.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

착륙장치의 변형은 강성 및 변형에너지에 직접적으로 연관되는 결과로써 착륙시 발생하는 충격 에너지에 대한 흡수 성능을 정량화할 수 있는 대표적인 특성이라고 볼 수 있다. 또한 강도의 경우 적용된 복합재료의 설계 허용치대비 변형률에 대한 구조 안전성을 평가할 수 있는 지표가 되기 때문에 최적설계의 결과로써 평가하였다.
본 연구에서는 경량 수직이착륙 무인기의 스키드 착륙장치에 대해 변형과 강도를 살펴보았다. 착륙장치의 변형은 강성 및 변형에너지에 직접적으로 연관되는 결과로써 착륙시 발생하는 충격 에너지에 대한 흡수 성능을 정량화할 수 있는 대표적인 특성이라고 볼 수 있다.
또한 탄성체 완충 착륙장치에 높은 비강성 및 비강도를 갖는 복합재료를 적용하면 경량화 설계가 가능하다. 본 연구에서는 최대이륙중량이 30 kg이하이고, 착륙강하속도가 5 ft/sec 이하인 수직이착륙 무인기의 착륙장치에 대해 복합재료를 적용한 설계방법을 소개하였다.기존의 설계된 착륙장치[4,5]와 비교하기 위하여 동일한 하중조건에서 구조해석을 수행하였고, 스키드 착륙장치의 전/후방 1/2 모델에 대해 동일한 변위와 강도를 만족하는 복합재료 스키드의 설계안을 제시하였다.

가설 설정

3 m/s에 해당한다. 무인기의 운용상 조건으로 1 m/s로 제한할 경우 30% 이상의 여유를 갖기 때문에 본 연구의 착륙조건으로 가정하였다.
마찰력은 스트럿에 작용하는 모멘트를 감소하는 방향으로 작용하기 때문에 마찰력이 존재함에 따라 변위는 줄어지고, 또한 변형률도 감소하게 된다. 본 연구에서는 마찰계수를 0.3으로 가정하였다. 만약 마찰계수가 0.
여기서 극한 변형률 ∊ult=6900 μmm/mm으로 가정하였다.
Case 연구로 Cessna 172, Boeing 757, F-14Tomcat에 대해 착륙장치 스트로크의 길이에 대해 살펴보았다. 여기서는 타이어의 변형은 무시하였고, 착륙시의 양력은 항공기 중량과 같다고 가정하였다.

제안 방법

Fig. 2와 같은 최대이륙중량이 22kg인 수직이착륙무인기에서 110 kg(5g 착륙하중조건)의 하중이 수직력으로 작용할 때 지면 마찰력이 없는 경우와 마찰계수 0.3인 조건에서 구조해석을 수행하였다. 착륙장치에 적용된 재료는 Table 1의 직물섬유와 일방향 섬유이며, 총 22장을 교차 적층하여 상온경화 방식으로 성형을 하였다.
Figure 7과 같은 2개의 beam으로 구성된 외팔보형태에서 각 구간별로 각각의 독립된 최적의 설계변수(굽힘강성, 두께, 너비)를 도출하여 강성에 근접하도록 복합재료 두께와 적층수, 너비를 조절하였다. 변위는 빔으로 구성된 빔이론을 사용하여 Eq.
기하학적인 조건으로 너비(w)는 1차 선형 관계식을 갖도록 하였으며, 두께(h)와 너비(w)는 뿌리부가 끝단보다 크고, 너비와 두께비는 4h ≤ w ≤ 20h로 하였다. 구간별 재료의 물성치가 1.5배 이상의 변화가 발생하지 않도록 하였다.
본 연구에서는 최대이륙중량이 30 kg이하이고, 착륙강하속도가 5 ft/sec 이하인 수직이착륙 무인기의 착륙장치에 대해 복합재료를 적용한 설계방법을 소개하였다.기존의 설계된 착륙장치[4,5]와 비교하기 위하여 동일한 하중조건에서 구조해석을 수행하였고, 스키드 착륙장치의 전/후방 1/2 모델에 대해 동일한 변위와 강도를 만족하는 복합재료 스키드의 설계안을 제시하였다. 최적설계는 유전자 알고리즘(genetic algorithm)과 패턴찾기 알고리즘(pattern search algorithm)으로부터 구한 변수값(너비, 두께, 탄성계수)을 구하였다[6,7].
최적화 알고리즘을 적용하지 않을 경우 낮은 강성 및 강건한 강도를 동시에 만족하는 것은 쉽지가 않다. 마찰계수가 0.3인 조건에서 1.3 m/s의 강하속도로 착륙할 때 40mm의 변위가 발생하면서 5g의 하중을 받도록 설계하였다. 보이론(beamtheory)과 유전자 알고리즘, 패턴찾기 알고리즘을 혼용하여 최적화를 수행하였다.
3 m/s의 강하속도로 착륙할 때 40mm의 변위가 발생하면서 5g의 하중을 받도록 설계하였다. 보이론(beamtheory)과 유전자 알고리즘, 패턴찾기 알고리즘을 혼용하여 최적화를 수행하였다. 등방성 재질로는 강성과강도를 동시에 만족하기가 어려웠으나, 강성의 변화를 갖도록 함으로써 최적의 스키드를 설계할 수 있었다.
제한 함수로 변위와 강도, 그리고 기하학적인 조건을 주었다. 변위는 수직변위만을 목표범위의 1% 이내로 제한하였고, 강도조건은 안전계수 1.
최적설계는 유전자 알고리즘(genetic algorithm)과 패턴찾기 알고리즘(pattern search algorithm)으로부터 구한 변수값(너비, 두께, 탄성계수)을 구하였다[6,7].지면 마찰력에 의해 설계값이 달라지나, 본 연구에서는 지면 마찰력을 0.3으로 가정하여 설계 기준을 정하였으며, 마찰력의 변화에 따른 특성을 분석하였다.

대상 데이터

3인 조건에서 구조해석을 수행하였다. 착륙장치에 적용된 재료는 Table 1의 직물섬유와 일방향 섬유이며, 총 22장을 교차 적층하여 상온경화 방식으로 성형을 하였다. 두께는 6mm이고, 너비는 30mm에서 16.

이론/모형

본 연구에서는 지면 마찰계수가 0.3인 조건에서 5g의 착륙하중에 의해 스트럿의 변위가 40 mm (강하속도 1.3 m/sec)이상 발생하는 스키드 착륙장치를 설계하기 위하여 최적화 알고리즘인 유전자 알고리즘과 패턴찾기 알고리즘을 횬용하여 사용하였다.
기존의 설계된 착륙장치[4,5]와 비교하기 위하여 동일한 하중조건에서 구조해석을 수행하였고, 스키드 착륙장치의 전/후방 1/2 모델에 대해 동일한 변위와 강도를 만족하는 복합재료 스키드의 설계안을 제시하였다. 최적설계는 유전자 알고리즘(genetic algorithm)과 패턴찾기 알고리즘(pattern search algorithm)으로부터 구한 변수값(너비, 두께, 탄성계수)을 구하였다[6,7].지면 마찰력에 의해 설계값이 달라지나, 본 연구에서는 지면 마찰력을 0.

성능/효과

등방성 재질로는 강성과강도를 동시에 만족하기가 어려웠으나, 강성의 변화를 갖도록 함으로써 최적의 스키드를 설계할 수 있었다. 복합재료를 적용하여 최적설계값을 만족하는 설계안을 도출하였으며, 기존의 스키드 착륙장치와 비교하였을 때 강하속도가 1.3 m/s로 착륙할 때 동체에 전달되는 하중은 자중의 15배에서 5배로 감소하며, 무게는 약 60% 절감되었다.
Figure 10, 11의 최적설계 스키드 착륙장치의 스트럿에 대해 최적설계안과 기존의 설계를 Table 3에서 비교하였다. 최적설계안은 기존의 설계안에 비해 무게는 약 61% 경감되었고, 강하속도는 3배 이상이 상승하였고, 변위는 10배가 증가되어 스키드 착륙장치가 충격에 잘 견디게 설계가 되었음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	착륙장치의 충격을 흡수하는 방식으로 사용되는 것은?	착륙장치는 항공기의 이륙과 착륙을 돕는 주요 장치로써 기체가 담당할 수 있는 정도까지 에너지를 흡수하여 전달하는 역할을 한다. 충격을 흡수하는 방식으로는 일반금속재료나 고무로 만들어진 스프링이나, 가스나 오일을 가진 유체 스프링이 사용되고 있다. 탄성완충장치(elastic shock absorber)는 완충효율이 50%이고, 무게 대비 효율비가 10% 이하인 반면 Oleo-Pneumatic 방식은 완충효율과 무게 대 효율비가 80% 정도로 매우 높기 때문에 대부분의 대형 항공기에 적용되고 있다[1].
	착륙장치의 역할은 무엇인가?	착륙장치는 항공기의 이륙과 착륙을 돕는 주요 장치로써 기체가 담당할 수 있는 정도까지 에너지를 흡수하여 전달하는 역할을 한다. 충격을 흡수하는 방식으로는 일반금속재료나 고무로 만들어진 스프링이나, 가스나 오일을 가진 유체 스프링이 사용되고 있다.
	Oleo-Pneumatic 방식이 대형 항공기에 주로 사용되는 이유는 무엇인가?	충격을 흡수하는 방식으로는 일반금속재료나 고무로 만들어진 스프링이나, 가스나 오일을 가진 유체 스프링이 사용되고 있다. 탄성완충장치(elastic shock absorber)는 완충효율이 50%이고, 무게 대비 효율비가 10% 이하인 반면 Oleo-Pneumatic 방식은 완충효율과 무게 대 효율비가 80% 정도로 매우 높기 때문에 대부분의 대형 항공기에 적용되고 있다[1]. 그러나 고정형 방식의 착륙장치 형태를 가진 소형 경량 항공기는 무게의 비효율에도 불구하고 설계의 단순성, 신뢰성, 유지보수, 그리고 저렴한 비용의 측면에서 탄성체 형태의 스프링 방식을 사용하고 있다.

참고문헌 (7)

Norman S. Currey, Landing Gear Design Handbook, Lockheed-Georgia Co., 1982
Norman S. Currey, Aircraft Landing Gear Design: Principles and Practices, AIAA Education Series, 2004
"FAR Part 23", Jan. 2008
이정진," 탄성체 착륙장치 스트러트 사이징," 항공우주시스템공학회 춘계학술대회, 2013
이정진," 탄성체 착륙장치의 Strut 사이징 Trade 연구," 한국항공우주학회 추계학술대회, 2013
Goldberg DE, Genetic algorithms in search, operation, and machine learning, Addison-Wesley Publishing Company Inc,. Boston, 1989.
Kolda, Tamara G., Robert Michael Lewis, and VirginiaTorczon. Optimization by direct search: new perspectives onsome classical and modern methods, SIAM Review, 2003.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증