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문제 정의
- 본 연구에서는 미국 연방항공청의 낙뢰보호 설계 요구도에 최적화된 탄소섬유 복합재 항공기 연료시스템의 낙뢰 보호 설계를 제시하였다. 이는 낙뢰피격에 따른 직접 영향으로 발생 가능한 연료탱크 내의 아크 발생 억제를 목표하고 있다.
- 하지만 앞서 언급한 항공기 연료 시스템의 낙뢰보호 설계는 항공기 안전과 밀접한 관련이 있기 때문에 많은 연구가 필요하다. 본 연구에서는 복합재 항공기 연료시스템의 낙뢰 보호 설계를 분석한다.
- 반면 연료영역에 체결되는 Fitting의 볼트, 너트는 비 연료영역에 적용되는 볼트, 너트와 다르게 Fig 5와 같이 연료영역을 관통하지 않게 적용하였다. 이는 볼트 끝의 아크 발생 가능성을 차단하기 위한 목적이다. 이와 같은 설계를 적용되기 위해 본 Fitting이 지지할 조종면과 Fitting이 체결되는 부분의 하중해석이 선행되었다.
- 즉 연료시스템의 설계는 낙뢰피격으로 인한 연료탱크 내부의 아크 발생 및 연료탱크의 깨짐, 구멍 뚫림과 같은 물리적인 손상이 발생하지 않게 설계하는 것을 목표로 하고 있다.
- 0mΩ와 같은 우수한 도전성을 보인다. 탄소섬유로 제작된 구조물이지만 도전성이 없는 복합재로 제작된 연료탱크와 같은 효과를 얻기 위한 목적으로 아래 같은 설계개념을 적용하였다.
제안 방법
- 더불어 Access Cover가 장착되는 Doubler와 Access Cover는 유리섬유로 제작하였다. Access Cover 외부는 낙뢰전류 통전을 위해 Expended Copper Foil을 적용하였고 볼트로 유기되는 낙뢰전류로 인한 아크 발생을 방지하고자 Dome Sealing, Fillet Sealing을 적용하였다.
- Access Cover의 외피는 낙뢰전류 통전을 위해 Expanded Copper Foil을 적용하였다. Filler Cap Adapter와 Expanded Copper Foil 접합지점의 아크 발생 및 접합 지점을 통한 아크의 연료탱크 침투가 예상되므로 Filler Cap Adapter 와 Expanded Copper Foil간 0.5cm의 Gap을 적용하여 아크 발생을 방지하였다. Drain Valve에 적용된 Gap(1cm)와 Filler Cap Adapter에 적용된 Gap(0.
- 본 시편은 실제 항공기 주익 안쪽영역의 Wing box와 연료탱크와 동일하게 제작하였다. 더불어 동체에서 낙뢰전류 전달에 따른 영향성 평가를 위해 항공기 동체를 모사하는 시편을 제작하였고 실제 낙뢰전류 통전에 적용된 Bonding Jumper 항공기 설계와 동일하게 적용하였다.
- Fig 17은 Filler Cap와 Drain Valve의 낙뢰보호 설계 시험에 사용될 chamber의 형상이다. 두 시험은 chamber내에 발화 가능한 가스를 충전하고 진행하였다. Filler Cap은 낙뢰피격 영역 Zone 3에 해당하는 Conducted Current Test 시험이고 Drain Valve는 낙뢰피격 영역 2A에 해당하는 Arc Entry Test 시험이다.
- 즉 단위면적당 흐르는 양을 비교 했을 때 Zone 2A의 전류량이 Zone3의 전류량에 비해 더 크다. 따라서 더 넓은 Gap을 적용하여 낙뢰전류 통전을 방지하였다.
- 시험결과 낙뢰전류 인가 시 연료탱크 내에 아크 발생이 없었음을 확인하였다. 복합재 항공기 연료시스템의 낙뢰보호 설계 입증을 위해 각 시험항목에 맞는 시편을 제작하여 인증시험을 수행하였다. 시험평가는 각 시험항목에 요구되는 낙뢰전류를 인가하여 연료탱크 내에 아크 발생 유무 확인을 통해 수행되었다.
- Access Cover 외부는 효과적인 낙뢰전류 통전을 위해 Expended Copper Foil을 적용하였다. 볼트로 유기되는 낙뢰전류로 인한 아크 발생을 방지하고자 Dome Sealing, Fillet Sealing과 유리섬유를 추가로 적용하였다. 하지만 탄소섬유 구조물과 Expended Copper의 끝부분에 아크 발생 가능성은 여전히 존재한다.
- Filler Cap의 Adapter는 장착 볼트와 너트를 통해 Access Cover에 장착된다. 볼트와 너트 끝으로 발생되는 아크 방지 목적으로 Dome 타입 너트와 Sealant를 적용하였다. Access Cover의 외피는 낙뢰전류 통전을 위해 Expanded Copper Foil을 적용하였다.
- 본 시험은 발화가스가 채워진 Chamber에 Filler Cap 시편을 장착하여 수행하였다. 시편은 실제 연료탱크의 Zone 3영역보다 작은 한정된 영역을 시편으로 제작한 점과 면을 통해 전류가 전달되는 점을 감안하여 낙뢰환경분석에서 분석된 결과보다 적은 전류를 인가하여 시험하였다. 시험결과 낙뢰전류 인가 시 연료탱크 내에 아크 발생이 없었음을 확인하였다.
- 복합재 항공기 연료시스템의 낙뢰보호 설계 입증을 위해 각 시험항목에 맞는 시편을 제작하여 인증시험을 수행하였다. 시험평가는 각 시험항목에 요구되는 낙뢰전류를 인가하여 연료탱크 내에 아크 발생 유무 확인을 통해 수행되었다. 시험결과 낙뢰전류 인가 시 모든 시험항목에서 아크 발생이 없었음을 확인하였다.
- 실제 유리섬유 층이 추가로 적용된 부분은 Skin 안쪽, 즉 연료와 맞닫는 부분 및 연료탱크 내부의 Spar 면이다. 연료 탱크를 구성하는 Rib은 가능한 유리섬유 복합재로 제작된 Rib으로 교체하였고 하중 문제로 교체가 불가능한 Rib은 유리섬유를 추가 적용하였다.
- Fig 7은 낙뢰영역 Zone 2A 또는 연료영역에 위치한 Access Cover의 설계개념으로 낙뢰전류의 원활한 통전과 Access Cover가 장착되는 부분의 아크 발생 절대방지를 목표로 하고 있다. 연료탱크 내부 절연층을 만들어주기 위하여 탄소섬유로 제작된 주익의 안쪽(연료탱크 내부 영역)에 유리섬유를 추가 적용하였다. 더불어 Access Cover가 장착되는 Doubler와 Access Cover는 유리섬유로 제작하였다.
- 이는 볼트 끝의 아크 발생 가능성을 차단하기 위한 목적이다. 이와 같은 설계를 적용되기 위해 본 Fitting이 지지할 조종면과 Fitting이 체결되는 부분의 하중해석이 선행되었다.
- Fig 21은 동체 시편에서 낙뢰피격 영역 Zone 3에 해당하는 전류를 인가했을 때 시험형상 및 파형정보이다. 인가해준 낙뢰전류는 실제 동체의 일부를 시편으로 제작한 점과 면을 통해 전달되는 전류임을 감안하여 낙뢰 환경분석에서 분석된 결과보다 적은 전류를 인가하여 시험을 진행하였다. 시험결과 낙뢰전류 인가 시 연료탱크 내에 아크 발생이 없었음을 확인하였다.
- 피격영역 분석은 소형항공기 형상을 바탕으로 수행하였고 환경 분석은 학계 발표이론을 바탕으로 분석하였다. 인증시험은 낙뢰보호 설계가 적용된 실제 항공기 형상을 시편으로 제작하여 미국에 위치한 낙뢰시험 기관에서 인증시험을 수행하였다. 시험 결과 제시된 낙뢰보호의 적합성을 입증하였다.
- 이는 낙뢰피격에 따른 직접 영향으로 발생 가능한 연료탱크 내의 아크 발생 억제를 목표하고 있다. 제시된 낙뢰보호 설계는 연료탱크의 위치, 재질, 장착 장비 등을 고려하여 설계되었다. 제시된 연료시스템의 낙뢰보호 설계 검증을 위해 미국 연방항공청의 인증절차에 따라 낙뢰피격 영역 분석, 낙뢰환경 분석, 인증시험을 수행하였다.
- 제시된 낙뢰보호 설계는 연료탱크의 위치, 재질, 장착 장비 등을 고려하여 설계되었다. 제시된 연료시스템의 낙뢰보호 설계 검증을 위해 미국 연방항공청의 인증절차에 따라 낙뢰피격 영역 분석, 낙뢰환경 분석, 인증시험을 수행하였다. 피격영역 분석은 소형항공기 형상을 바탕으로 수행하였고 환경 분석은 학계 발표이론을 바탕으로 분석하였다.
- 제시된 연료시스템의 낙뢰보호 설계 검증을 위해 미국 연방항공청의 인증절차에 따라 낙뢰피격 영역 분석, 낙뢰환경 분석, 인증시험을 수행하였다. 피격영역 분석은 소형항공기 형상을 바탕으로 수행하였고 환경 분석은 학계 발표이론을 바탕으로 분석하였다. 인증시험은 낙뢰보호 설계가 적용된 실제 항공기 형상을 시편으로 제작하여 미국에 위치한 낙뢰시험 기관에서 인증시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 시편은 실제 항공기 주익과 같은 크기로 주요 낙뢰피격 점(Pitot Tube 끝, 주익 끝, Aileron 끝)이 포함되어 제작하였다. 그리고 연료탱크의 아크 발생 여부를 확인하기 위해 낙뢰보호 설계가 적용된 연료탱크까지 시험시편에 포함하였다.
- 본 논문에서 다루는 소형항공기 연료시스템의 아크 발생이 예상되는 영역으로는 연료탱크의 구조물 접합 부위, 연료탱크를 관통하는 하드웨어, 연료탱크에 장착되는 하드웨어(Access Cover, Filler Cap, Drain Valve)로 분석되었다.
- Fig 11은 주익 안쪽영역 시험시편 형상이다. 본 시편은 실제 항공기 주익 안쪽영역의 Wing box와 연료탱크와 동일하게 제작하였다. 더불어 동체에서 낙뢰전류 전달에 따른 영향성 평가를 위해 항공기 동체를 모사하는 시편을 제작하였고 실제 낙뢰전류 통전에 적용된 Bonding Jumper 항공기 설계와 동일하게 적용하였다.
- Fig 10은 주익 바깥영역 시험시편 형상이다. 본 시편은 실제 항공기 주익과 같은 크기로 주요 낙뢰피격 점(Pitot Tube 끝, 주익 끝, Aileron 끝)이 포함되어 제작하였다. 그리고 연료탱크의 아크 발생 여부를 확인하기 위해 낙뢰보호 설계가 적용된 연료탱크까지 시험시편에 포함하였다.
- Fig 23는 Filler Cap이 장착된 시편에 낙뢰피격 영역 Zone 3에 해당하는 전류를 인가했을 때 시험형상 및 파형정보이다. 본 시험은 발화가스가 채워진 Chamber에 Filler Cap 시편을 장착하여 수행하였다. 시편은 실제 연료탱크의 Zone 3영역보다 작은 한정된 영역을 시편으로 제작한 점과 면을 통해 전류가 전달되는 점을 감안하여 낙뢰환경분석에서 분석된 결과보다 적은 전류를 인가하여 시험하였다.
- 본 시편에 적용된 Filler Cap및 장착 하드웨어는 실제 항공기에 적용한 것과 동일하다. 시편의 크기는 가로: 68cm, 세로: 68cm로 축소 제작하였다. Zone 3와같이 낙뢰전류 전달에 따른 영향성 평가 시에는 시편 축소에 따라 인가 전류가 달라질 수 있다.
- 시험시편은 실제 항공기에 적용된 연료시스템의 낙뢰보호 설계를 검증할 수 있게 실제항공기와 동일한 자재 및 설계가 적용되었다. 시편제작에는 앞서 선정한 시험 품목당 낙뢰피격 점과 낙뢰 전류 전달을 고려하여 아래와 같이 제작하였다.
- 시험품목 선정을 위해서는 설계된 항공기의 연료탱크 및 연료탱크에 장착되는 장치(Drain Valve, Filler Cap)의 위치를 고려하였다.
이론/모형
- Access Cover는 도전성이 없는 유리섬유로 제작하여 아크 발생을 방지하였다. Access Cover 외부는 효과적인 낙뢰전류 통전을 위해 Expended Copper Foil을 적용하였다. 볼트로 유기되는 낙뢰전류로 인한 아크 발생을 방지하고자 Dome Sealing, Fillet Sealing과 유리섬유를 추가로 적용하였다.
성능/효과
- 시험결과 낙뢰전류 인가 시 모든 시험항목에서 아크 발생이 없었음을 확인하였다. 따라서 제시된 복합재 항공기 연료시스템의 낙뢰보호 설계는 적합하다는 것을 입증하였다.
- 인증시험은 낙뢰보호 설계가 적용된 실제 항공기 형상을 시편으로 제작하여 미국에 위치한 낙뢰시험 기관에서 인증시험을 수행하였다. 시험 결과 제시된 낙뢰보호의 적합성을 입증하였다.
- 시험평가는 각 시험항목에 요구되는 낙뢰전류를 인가하여 연료탱크 내에 아크 발생 유무 확인을 통해 수행되었다. 시험결과 낙뢰전류 인가 시 모든 시험항목에서 아크 발생이 없었음을 확인하였다. 따라서 제시된 복합재 항공기 연료시스템의 낙뢰보호 설계는 적합하다는 것을 입증하였다.
- 인가한 전류는 낙뢰 환경분석에서 분석된 결과에 부합하는 적절한 낙뢰전류이다. 시험결과 낙뢰전류 인가 시 연료탱크 내에 아크 발생이 없었음을 확인하였다.
후속연구
- 낙뢰보호 설계는 항공기 제질 및 크기에 따라 다르게 적용될 수 있는 점을 감안하였을 때 향후 연구 범위는 넓다고 판단된다. 비록 본 연구가 탄소섬유 복합재 소형항공기의 연료시스템이라는 한정된 부분에서 진행되었지만, 향후 개발될 탄소섬유 복합재 항공기 연료시스템의 설계 및 인증에 유용하게 사용될 것으로 예상된다.
- 낙뢰보호 설계는 항공기 제질 및 크기에 따라 다르게 적용될 수 있는 점을 감안하였을 때 향후 연구 범위는 넓다고 판단된다. 비록 본 연구가 탄소섬유 복합재 소형항공기의 연료시스템이라는 한정된 부분에서 진행되었지만, 향후 개발될 탄소섬유 복합재 항공기 연료시스템의 설계 및 인증에 유용하게 사용될 것으로 예상된다.
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