[논문]소형 무인기 구조 안전계수

김성준; 이승규; 김태욱

doi:10.12985/ksaa.2017.25.2.012

소형 무인기 구조 안전계수
Structural safety factor for small unmanned aircraft 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.25 no.2, 2017년, pp.12 - 17

김성준 (한국항공우주연구원) , 이승규 (한국항공우주연구원) , 김태욱 (한국항공우주연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

Manned aircraft structural design is based on structural safety factor of 1.5, and this safety factor is equivalent to a probability of failure of between 10-2 and 10-3. The target failure probability of FARs is between 10-6 and 10-9 per flight according to aircraft type. NATO released STANAG 4703 to established the airworthiness requirements for small UAV which is less than 150kg. STANAG 4703 requires the Target Level of Safety according to MTOW. The requirements of failure probability for small UAV is between 10-4 and 10-5. In this paper, requirements of airworthiness certification for small UAV were investigated and the relationship of safety factors to the probability of structural failure is analyzed to reduce measure of safety factor and structural weight of unmanned aircraft.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

5를 적용하고 있다. 본 연구에서는 최대 이륙 중량(Maximum Take Off Weight)이 50 kg 이하인 소형 무인기에 대한 안전 계수의 적용방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 목표안전수준에 대한 감항규정 분석과 구조안전계수와 파손확률 관계를 해석하였다.

가설 설정

Elishakoff는 안전계수와 신뢰성과의 상관관계를 여러 가지 확률 분포에 대하여 검토하였다[11]. 본 연구에서는 구조물의 작용 응력과 파단 강도를 정규 분포로 가정하여 안전계수와 신뢰성의 상관관계를 해석하였다. 작용응력과 재료의 파단강도는 식(1~2) 로 표현할 수 있다.

제안 방법

본 연구에서는 최대 이륙 중량(Maximum Take Off Weight)이 50 kg 이하인 소형 무인기에 대한 안전 계수의 적용방안을 제시하고자 한다. 이를 위하여 목표안전수준에 대한 감항규정 분석과 구조안전계수와 파손확률 관계를 해석하였다.

대상 데이터

즉 오토클레이브 성형(Autoclave curing)과 오븐 (Oven curing) 성형으로 시편을 제작하고 시험을 수행하여 B-basis 강도 값을 구하였다. 본 연구에서는 T800급 탄소섬유 복합재료인 H3055 프리프레그(Prepreg)를 사용하였다. Table 3은 H3055의 재료물성이다.

데이터처리

구조물에 작용하는 작용응력의 변동계수와 안전 계수가 구조물의 신뢰도에 주는 영향을 해석하였다. Figs.

성능/효과

3으로 감소시켜도 소형무인기의 목표파손요구 수준을 충족시킴을 알 수 있다. 즉 소형무인기의 경우 유인기에서 적용하고 있는 안전계수 1.5보다 작은 값을 적용하여도 요구되는 무인기 구조물의 파손 확률을 만족시켰으며 또한 구조안전계수를 감소시킴으로서 8% 정도의 중량이 감소될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구의 내용은 향후 무인기 구조물의 설계 요구조건 설정 시 유용하게 참고할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 소형 무인기의 구조 안전계수를 설정하기 위하여 유인기와 무인기의 감항인증 요구조건을 검토하였다. 참고문헌을 검토한 결과, 유인기에 비하여 무인기의 신뢰도 및 목표 파손확률 요구 수준은 낮음을 알 수 있었다. 50kg급의 무인기의 경우 STANAG 4703에서 요구하는 신뢰도 요구조건은 1 회 비행 시의 파손확률이 3x10^-5로 유인기의 요구 조건인 10^-6 ~ 10^-9 보다 매우 높음을 알 수 있다.

후속연구

5보다 작은 값을 적용하여도 요구되는 무인기 구조물의 파손 확률을 만족시켰으며 또한 구조안전계수를 감소시킴으로서 8% 정도의 중량이 감소될 수 있음을 알 수 있었다. 본 연구의 내용은 향후 무인기 구조물의 설계 요구조건 설정 시 유용하게 참고할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조 안전 계수의 목적은 무엇인가?	소형무인기를 개발하는 경우에 감항 인증을 유인기의 기준을 적용하는 것은 목표안전 수준이나 설계 요구도가 과도할 수 있다. 구조 안전 계수는 예상한 하중보다 클 가능성, 해석 모델의 불확 실성, 설계 및 제작의 부정확성 및 재료 물성의 통계적 변화량을 고려하기 위해 사용된다[2]. 구조물에 적용하는 안전계수 1.
	구조물에 안전 계수 1.5가 적용된 이유는 무엇인가?	안전 계수 1.5가 적용된 이유는 당시 항공기에 가장 많이 적용되는 재료인 17ST 알루미늄 합금의 극한 인장 응력과 항복 응력의 비가 약 1.5이고, 적용의 단순함 때문이었다 [3]. FAR(Federal Aviation Regulation) 25.
	17ST 알루미늄 합금의 경우 구조 및 강도해석 시 극한하중 상태에서 구조물이 파손되지 않음을 입증하면 제한 하중 상태의 요구조건이 자동으로 만족되는 이유는 무엇인가?	5이고, 적용의 단순함 때문이었다 [3]. FAR(Federal Aviation Regulation) 25.305 에서는 제한하중은 영구변형이 없어야 하고 극한하중은 파손되지 않아야 한다고 기술하고 있다[4]. 그러므로 17ST 알루미늄 합금의 경우 구조 및 강도해석 시 극한하중 상태에서 구조물이 파손되지 않음을 입증하면 제한 하중 상태의 요구조건이 자동으로 만족된다.

참고문헌 (11)

J. Lim, Y. Kim, B. Choi and J. Ko, "Analysis for unmanned aerial airthiness certification criteria," Journal of the korean society for aviation and aeronautics, Vol. 22, No. 4, 2014, pp. 65-74
N. Lee, B. Jeon and Y. Chang, "Target level of safety analysis in airworthiness certification for military UAV," Journal of the korean society for aeronautical and space science, Vol. 41, No. 10, 2013, pp. 840-848

원문보기 상세보기
F. R. Shanley, "Historical note on the 1.5 factor of safety for aircraft structures", Journal of the aerospace sciences, Vol. 29, No. 2 (1962), pp. 243-244

상세보기
FAR Part-25, Airworthiness standards: Transport category airplanes
E. M. George and C. J. Schmid, " Factor of safety - USAF design practice " Techanical Report AFFDL-TR-78-8, April 1978
Joint service specification guide, Aircraft structures, 2006
AC 23.1309-1E, System safety analysis and assessment for PART 23 airplanes, 2011
STANAG 4671, Unmanned aerial v ehicles airworthiness requirements, 2009
STANAG 4703, Light Unmanned aircraft system airworthiness requirements, 2011
M. N. George, "The aircraft structural factor of safety", North Atlantic Treaty Organization, Report 154, 1957
I. Elishakoff, "Interrelation between safety factor and reliability", NASA, CR 2001-211309, 2001

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