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문제 정의
- 군용항공기에는 주로불활성가스를 주입하는 방법을 적용하고 있으며 한국형기동헬기 역시 탑재형 불활성가스발생시스템(On-BoardInert Gas Generating System, OBIGGS)을 적용하여 내폭발성을 만족하였다[6]. 본 논문에서는 해외도입품에 의존하고 있는 OBIGGS 국산화 개발을 위한 설계 중점 및 개발 결과를 기술하였다.
제안 방법
- 4와 같이 개발하였다.Bleed air에 포함된 수분은 하우징과 가이드 플레이트에 의해서 1차 배출구로 배출이 되고 디플렉터를 거친 공기는 와류가 발생되며 2차 배출구로 수분이 배출되도록 설계하였다.
- 개발요구도는 저온, 상온, 고온 조건에서 각각 산소농도 6.0, 4.0, 3.0% 이하의 Bleed air 생성이며, 이를 만족시키기 위해 중공사의 투과도(Permeability, P), 선택도(Selectivity, α), 내ㆍ외경지름, 하우징 지름(멤브레인 다발 수)를 설계변수로 놓고 실험을 통해 최적의 변수값을 설정하였다.
- 멤브레인은 Fig. 6과 같이 투과도와 선택도에 따른 투과속도의 차이에 의해 산소와 수분은 외부로 배출하고 질소만 출구단으로 배출하여 연료탱크에 충진할 수 있도록 설계하였으며, 멤브레인 필터와 하우징을 고정해 주는 폴리우레탄(polyurethane)계 포팅(potting)제의 특성[9]으로 인해 85℃이하의 Bleed air만 공급되도록 열교환기를 적용하였다.
- 불활성가스발생장치 성능을 검증하기 위해 기본성능시험, 파열압력시험, 온도강하시험, 여과성능시험, 전자기적합성시험, 환경시험을 수행하였으며 Fig. 9와 같이 별도의 시험장비를 제작하여 성능을 측정하였다. 시험장비는 유량센서(THF, NURITECH社, KOREA) 압력센서(601, NURITECH社, KOREA), 온도센서(K-tpyethermocouple), 산소센서(OXY-MV-M, ECO SCIENCE社, KOREA), 에어히터(F038825, OSRAM SYLVANIA社, USA)를 적용하여, 공기 가압 및 가열하여 공급이 가능하며 산소 농도, 유량, 온도 측정 및 불활성가스발생장치 제어기박스에서 나오는 신호 모니터링이 가능하도록 제작하였다.
- 불활성가스발생장치는 단품의 성능 검증 후 체계 부착 성능시험을 통해 최종적으로 입증하였다. 타 체계와는 달리 항공부품은 비행시험을 통해 성능이 최종 입증되며 불활성가스발생장치 역시 지상장착성시험과 비행시험을 수행하였다.
- 비행시험은 연료탱크 내의 산소 농도가 엔진 시동 후 30분 이내 9% 이하 도달됨을 확인하기 위한 시험으로 기본 임무조건 비행에서 각 연료탱크 내 산소농도 및 요구도 도달 시간을 측정하였다. 시험 결과 Fig.
- 투과도는 감소하였지만 선택도가 3차 실험에 비해 큰폭으로 향상되어 모든 조건에서 성능을 충족하였다. 상기 실험을 통해 멤브레인 필터의 설계변수를 최적화 하여 불활성가스발생장치에 적용하였다.
- 9와 같이 별도의 시험장비를 제작하여 성능을 측정하였다. 시험장비는 유량센서(THF, NURITECH社, KOREA) 압력센서(601, NURITECH社, KOREA), 온도센서(K-tpyethermocouple), 산소센서(OXY-MV-M, ECO SCIENCE社, KOREA), 에어히터(F038825, OSRAM SYLVANIA社, USA)를 적용하여, 공기 가압 및 가열하여 공급이 가능하며 산소 농도, 유량, 온도 측정 및 불활성가스발생장치 제어기박스에서 나오는 신호 모니터링이 가능하도록 제작하였다.
- 여과성능시험은 Bleed air에 포함되어 있는 수분의 제거능력을 확인하는 시험으로 실제 발생할 수 있는 조건보다 가혹한 조건으로 수행하였다. 성능 시험장비와 불활성가스발생장치가 연결되는 배관에 80cc의 물을 주입하고 NEA 배출구에서 배출되는 수분량 측정 결과 수분배출이 없음을 확인하였다.
- 전자기 적합성 시험은 불필요한 전자파신호에 의한 불활성가스발생장치의 영향성 유무를 확인하는 시험으로 체계운용 조건에 따라 MIL-STD-461F Army Aircraft 수준의 CE(Condudted Emission, 전도방사), CS(Conducted Susceptibility, 전도내성), RE(Radiated Emission, 복사방사), RS(Radiated Susceptibility, 복사내성) 시험을 수행하여 기준 이하의 Noise 발생 및 정상작동함을 확인하였다.
- 8와 같이 저온, 상온, 고온조건에서 모두 불만족하였다. 전체 성능을 향상시키기 위해 멤브레인 하우징(번들 수), 투과도 및 선택도를 증가시켜 2차 시험을 수행하였다. Fig.
- 환경시험은 체계 운용환경에서 불활성가스발생장치의 정상작동 여부를 확인하기 위해 MIL-STD-810F 규격에 따라 온도, 고도, 상대습도, 염수분부, 균류 및 유체저항, 진동, 충격, 가속도, 모래, 먼지, 폭발환경, 호우시험을 수행하였으며 기준을 체계 운용 환경에 맞게 조정하여 적용하였다. 시험 결과 모든 항목에서 정상 작동함을 확인하였다.
대상 데이터
- 1) 불활성가스발생장치의 성능에 주요한 영향을 미치는 요소는 멤브레인 필터이며, 항공용 멤브레인으로 적합한 폴리이미드(Polyimide) 소재를 적용하였다.
- 주 전열면 열교환기(Primary Surface Heat Exchanger,PHSE)는 고종횡비의 미세 채널 주름핀이 적용된 모든 전열면을 주 전열면으로 사용하여 단위부피당 높은 열전달 면적을 가짐으로써 상대적으로 적은 부피와 중량을 가지며, 작은 수력학적 지름을 갖는 유동채널을 통해 낮은 압력 손실량을 가진다[7]. 불활성가스발생장치는 열교환기의 중량절감 및 적은 압력손실을 위해 Fig. 3 형상의 PHSE타입 열교환기를 적용하였다.
이론/모형
- 투과특성은 단일 기체(O2, N2)에 대해 Constantvolume/variable pressure 방법으로 기체 투과도를 측정하였으며 투과도 계산식은 다음과 같다.
- 멤브레인의 성능을 결정하는 가능 중요한 요소는 투과도와 선택도이며 이상적인 멤브레인은 높은 투과도와선택도를 가져야 한다. 하지만 Robeson의 연구에서 투과도와 선택도는 trade-off 관계에 있으며[11], 본 논문에서는 항공용 멤브레인으로 적합한 투과도와 선택도를 가지는 폴리이미드(Polyimide) 소재[11,12]를 적용하였다.
- 한국형 기동헬기의 불활성가스발생장치 역시 동일한 이유로 고장탐구를 수행한 사례가 있으며 이러한 문제를 예방하기 위해 기계식 수분분리기에 적용되고 있는 사이클론 방식[8]을 적용하여 Fig. 4와 같이 개발하였다.Bleed air에 포함된 수분은 하우징과 가이드 플레이트에 의해서 1차 배출구로 배출이 되고 디플렉터를 거친 공기는 와류가 발생되며 2차 배출구로 수분이 배출되도록 설계하였다.
성능/효과
- 2) 체계 운용 및 환경 조건을 고려하여 요구도를 설정하였고 중공사의 투과도, 선택도, 내ㆍ외경 지름,하우징 지름을 변화시키면서 멤브레인 필터의 성능을 최적화 하였다.
- 3) 멤브레인 필터는 산소투과도가 높을 경우 압력손실로 인한 성능저하가 발생하여 투과도를 낮추고 선택도를 높여 요구도를 충족하였다.
- 4) 요구도 도달 시간은 5.05 ~ 15.20분으로 기준 대비최소 49% 정도의 여유가 있으며, 기 장착되어 있는 제품 대비 최소 4%, 최대 51%의 성능개선 효과가 나타났다.
- 기본성능시험은 운용 중 연료탱크 내 산소 농도 9% 이하를 유지하기 위해 연료탱크의 부피 및 체계운용 환경을 고려하여 저온, 상온, 고온 조건에서의 NEA 유량 및 산소농도 요구도 값을 설정하여 수행하였으며 시험결과 기준 충족함을 확인하였다. 기본성능시험 요구도 및 결과는 Table 4와 같다.
- 여과성능시험은 Bleed air에 포함되어 있는 수분의 제거능력을 확인하는 시험으로 실제 발생할 수 있는 조건보다 가혹한 조건으로 수행하였다. 성능 시험장비와 불활성가스발생장치가 연결되는 배관에 80cc의 물을 주입하고 NEA 배출구에서 배출되는 수분량 측정 결과 수분배출이 없음을 확인하였다.
- 비행시험은 연료탱크 내의 산소 농도가 엔진 시동 후 30분 이내 9% 이하 도달됨을 확인하기 위한 시험으로 기본 임무조건 비행에서 각 연료탱크 내 산소농도 및 요구도 도달 시간을 측정하였다. 시험 결과 Fig. 10과 같이 모든 연료탱크에서 30분 이내에 산소 농도 요구도를 충족하였으며, 기 장착되어 있는 제품 동등 이상의 성능을 가짐을 확인하였다.
- 환경시험은 체계 운용환경에서 불활성가스발생장치의 정상작동 여부를 확인하기 위해 MIL-STD-810F 규격에 따라 온도, 고도, 상대습도, 염수분부, 균류 및 유체저항, 진동, 충격, 가속도, 모래, 먼지, 폭발환경, 호우시험을 수행하였으며 기준을 체계 운용 환경에 맞게 조정하여 적용하였다. 시험 결과 모든 항목에서 정상 작동함을 확인하였다.
- 8의 2차 시험 결과저온에서는 만족하였으나 높은 산소 투과도에 따른 압력손실로 인해 상온, 고온 조건에서 불만족하였다. 압력손실 감소를 위해 하우징 지름(번들 수)을 줄여서 3차 시험을 수행하였으며 시험 결과 투과도 및 선택도가 모두 감소하여 전체적인 성능이 저하되었다. 4차 실험은 동일한 하우징 내경에 번들 수를 증가시키기 위해 중공사의 외경지름을 축소하였다.
- 초기 변수값은 기존의 장착제품의 하우징 크기를 고려하여 중공사 내ㆍ외경 지름, 투과도와 선택도를 설정하였으며, 1차 시험 결과 Fig. 8와 같이 저온, 상온, 고온조건에서 모두 불만족하였다. 전체 성능을 향상시키기 위해 멤브레인 하우징(번들 수), 투과도 및 선택도를 증가시켜 2차 시험을 수행하였다.
- 4차 실험은 동일한 하우징 내경에 번들 수를 증가시키기 위해 중공사의 외경지름을 축소하였다. 투과도는 감소하였지만 선택도가 3차 실험에 비해 큰폭으로 향상되어 모든 조건에서 성능을 충족하였다. 상기 실험을 통해 멤브레인 필터의 설계변수를 최적화 하여 불활성가스발생장치에 적용하였다.
- 파열압력시험은 불활성가스발생장치가 운용중 공급될 수 있는 최대의 압력에 견딜 수 있음을 확인하는 시험으로 17.6 bar 내압을 3분간 가압 후 검사를 통해 파손이 없음을 확인하였다.
후속연구
- 본 논문은 불활성가스발생장치 국산화 개발을 위한 설계 및 검증 방안을 제시하였으며 차후 동종 및 유사종류의 부품 개발에 참고가 될 것으로 기대된다. 또한, 국외 도입품에 의존하던 제품의 국내 최초 개발을 통해 관련 제반기술을 확보하여 향후 진행되는 차세대 항공기사업에 크게 기여할 것으로 판단된다.
- 본 논문은 불활성가스발생장치 국산화 개발을 위한 설계 및 검증 방안을 제시하였으며 차후 동종 및 유사종류의 부품 개발에 참고가 될 것으로 기대된다. 또한, 국외 도입품에 의존하던 제품의 국내 최초 개발을 통해 관련 제반기술을 확보하여 향후 진행되는 차세대 항공기사업에 크게 기여할 것으로 판단된다.
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