[논문]더미 및 실 블레이드 안테나 조류충돌 해석 및 시험

정한의

doi:10.20910/jase.2018.12.5.24

더미 및 실 블레이드 안테나 조류충돌 해석 및 시험
Bird Strike Analysis and Test Report of Dummy and Real Blade Antenna 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.12 no.5, 2018년, pp.24 - 31

정한의 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

항공기의 블레이드 안테나에 대해 더미와 실 안테나의 조류충돌 해석과 시험을 수행하였다. 해석에서 조류는 SPH(Smooth Particle Hydrodynamics) 방법을 이용하여 모델링하였으며, 유체-구조 연성해석 (FSI, Fluid-Structure Interaction) 기법으로 조류와 안테나, 기체 체결부의 거동을 시뮬레이션 하였다. 실제 조류를 사용한 시험을 수행하여 안테나와 동체 사이의 체결부 손상 및 이탈여부를 확인하였으며, 항공기 기체의 구조건전성과 해석 및 시험 결과 사이의 상관성이 있음을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objectives of this study is to carry out Bird strike analysis and tests of a blade antenna of aircraft. FEMs (Finite Element Models) were created for the analysis, while dummy and real antennas were used for the bird strike tests. In the analysis, birds were modeled with SPH (Smooth Particle Hydrodynamics) method, and the behaviors of the bird, antenna, and joint structure between antenna and aircraft fuselage were simulated with the FSI (Fluid-Structure Interaction) method. After the bird strike test was performed, the results of the analysis and test showed that they had a positive relationship. The damage of antenna and bolted joint was checked, and the structural integrity of the airframe was proved.

주제어

표/그림 (26)

그림 Fig. 1 Dummy Blade Antenna and Bird FE Models
그림 Fig. 2 Fastener Location
표 Table 1 Bird Strike Requirements
표 Table 2 Dummy Antenna FE Model and Material
그림 Fig. 3 Select Bird Impact Location
그림 Fig. 4 Steady Flow Shape of Bird Strike(excluding Foam)
그림 Fig. 5 Steady Flow Shape of Bird Strike(excluding Skin)
그림 Fig. 6 Base and Fastener Analysis Result
표 Table 3 Summary of Dummy Antenna Analysis Conditions
표 Table 4 Dummy Antenna Fastener Structural Integrity Assessment
그림 Fig. 7 Dummy Antenna Test
그림 Fig. 8 Completed Package Using Real Chicken
그림 Fig. 9 Dummy Antenna Debris
그림 Fig. 10 Dummy Antenna Test Result
그림 Fig. 11 Real Antenna FE Model
그림 Fig. 12 Real Antenna Shape and NDI(Non-destructive Inspection)
그림 Fig. 13 Real Antenna Inner-section
그림 Fig. 14 Steady Flow Shape of Bird Strike(excluding Foam)
그림 Fig. 15 Steady Flow Shape of Bird Strike(excluding Skin)
표 Table 5 Real Antenna FE Model and Material
표 Table 6 Summary of Real Antenna Analysis Conditions
그림 Fig. 16 Metal Base Analysis Result
그림 Fig. 17 Real Antenna Test
그림 Fig. 18 Real Antenna Debris
그림 Fig. 19 Real Antenna Test Result
표 Table 7 Real Antenna Fastener Structural Integrity Assessment

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

이로 인해 인명피해 또는 비행안전에 영향을 미칠 수 있으므로 항공기 개발 시 조류충돌 문제에 대한 검증이 필요하다. 본 논문에서는 실제 항공기에 사용되는 안테나와 더미(Dummy) 안테나를 사용하여 항공기 전방동체 하부에 장착된 블레이드 안테나에 대한 조류충돌 해석 및 시험을 수행하였다. 항공기 외부에 장착되는 안테나와 조류가 충돌할 경우, 비행하중을 전달하지 않는 안테나 자체의 손상은 비행안전에 영향이 없으나 동체 장착 체결부 파손으로 인해기체 손상을 일으킬 수 있다.

가설 설정

시험은 더미 안테나 시험과 동일한 조건으로, 안테나 체결부로부터 180mm 떨어진 위치에서 더 보수적인 충돌 조건을 가정하여, 상승각 7.5° 기울어진 상태로 Figure 17과 같이 수행되었다.
실 안테나는 설계자료가 없는 관계로 Figure 12, 13과 같이 단면을 잘라 내부 형상을 실측하여 두께를 측정하였으며, 소재도 스킨은 E-Glass, Foam은 Polyurethane 물성치를 가정하여 사용하였다.

제안 방법

더미 안테나 해석모델은 Skin, Foam, Metal Base 세 부분으로 나누었으며 유한요소를 사용하여 Skin과 Foam간의 Grid를 다음 Figure 1과 같이 공유하도록 모델링하였다.
실 안테나의 경우 상용 안테나를 구매하는 것으로 설계 자료를 확보하지 못해 구성 소재와 물성치, 본딩 방법을 정확히 파악하기 어려웠다. 따라서 더미 안테나의 해석과 시험을 통해 먼저 조류충돌 거동을 분석하고 이후 실 안테나 연구에 더미 결과의 유사성을 활용하는 방향으로 진행하였다.
항공기 외부에 장착되는 안테나와 조류가 충돌할 경우, 비행하중을 전달하지 않는 안테나 자체의 손상은 비행안전에 영향이 없으나 동체 장착 체결부 파손으로 인해기체 손상을 일으킬 수 있다. 따라서 체결부 손상 및 패스너 이탈 여부 판단을 주목적으로 해석 및 시험을 수행하였다. 조류와 구조물간의 물성치 차이로 인해 일반적으로 사용하는 컨택(Contact) 기법이 아닌 MSC.
발사체도 더미 안테나 시험 때와 마찬가지로 생닭을 이용하여 제작하였으며, 예비시험을 제외하고 시험은 한 번 수행하였다.
실 안테나 해석모델은 Skin, Foam, Antenna, Metal Base 네 부분으로 나누었으며 유한요소를 사용하여 Skin과 Foam간의 Grid를 다음 Figure 11과 같이 공유하도록 모델링하였다.
조류 역시 더미 안테나와 마찬가지로 모델링하였으며 동일한 충돌속도로 해석을 수행하였다.
조류가 안테나와 충돌하는 위치의 선정은 항공기 동체에 안테나가 부착되어 있는 각도를 고려하여 약 7.5°로 설정하였으며, 안테나 블레이드에 가장 많은 조류의 면적이 닿을 수 있도록 항공기 동체와 안테나의 체결부로부터 약 180mm 떨어진 높이에 타격점을 설정하였다.
조류의 무게는 4 lbs가 되도록 치수를 결정하였고 속도는 순항속도 000m/s로 해석을 수행하였다.
체결부 패스너는 안테나와 동체를 연결하는 패스너가 8개 Metal Base와 Foam을 연결하는 패스터가 9개 연결되는데 이는 RBE3을 이용하여 하중분배를 모델링하였다.
항공기 외부 안테나의 파손 및 체결부 이탈 여부를 판단하기 위해 조류충돌 해석 및 시험을 수행하였다.

대상 데이터

안테나는 더미와 실제 두 가지의 모델을 사용하였다. 실 안테나의 경우 상용 안테나를 구매하는 것으로 설계 자료를 확보하지 못해 구성 소재와 물성치, 본딩 방법을 정확히 파악하기 어려웠다.

이론/모형

조류는 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 방법을 이용하여 모델링하였으며 [5, 6], 실제 수행된 시험과 동일 조건으로 해석을 수행하기 위하여 조류의 충돌조건은 Figure 3과 같이 나타내었다.
조류와 구조물간의 물성치 차이로 인해 일반적으로 사용하는 컨택(Contact) 기법이 아닌 MSC.NASTRAN[1] SOL700의 유체-구조 연성해석(FSI, Fluid-Structure Interaction) 기법을 사용하였다.
해석 및 시험조건은 조류충돌관련 기술요구 근거문서 FAA(Federal Aviation Regulation)의 14CFR Part 25.571(Damage-Tolerance Evaluation of Structure)과 Part 25.631(Bird Strike Damage)을 참고하였다.

성능/효과

이러한 시험 결과는 앞서 해석 결과와 비교하여 전체적으로 일치하는 결과이며, 스킨의 경우가 다소 보수적인 결과를 보였는데 이는 언급한 바와 같이 조류가 안테나 블레이드 단면에 정확히 대칭으로 충돌하지 않은 영향을 생각할 수 있다. 다만, 가장 중요한 체결부는 해석과 시험 모두 손상이 없는 결과를 나타냄을 확인하였다.
7번과 8번 패스너는 조류에 의한 초기 충격압력이 생성되는 지점과 가장 가까운 부분이다. 더미 안테나에서 최소 안전율이었던 1번 패스너도 낮은 안전율을 보였으나 7, 8번 패스너보다는 다소 높았다. 그러나 0.
더미 안테나의 해석결과, 안테나는 부분적으로 파손이 발생하였으나 체결부는 구조강도 및 패스너의 안전율을 계산한 결과 손상이 없었으며, 패스너의 이탈도 없었다.
또한 시험을 수행한 결과 마찬가지로 일부 Skin과 Foam의 파편이 발생하였지만 손상이 크지 않았으며, 대부분 안테나에 그대로 붙어있는 형상을 나타내었다.
또한 실 안테나 해석결과, 더미 안테나와 비교해 볼 때 조류가 충돌하여 흘러가는 경로 주위의 영역에서 전체적으로 파손이 발생하였으나 체결부의 손상이나 패스너 이탈은 없는 것으로 확인되었다.
또한 실 안테나 해석결과, 더미 안테나와 비교해 볼 때 조류가 충돌하여 흘러가는 경로 주위의 영역에서 전체적으로 파손이 발생하였으나 체결부의 손상이나 패스너 이탈은 없는 것으로 확인되었다. 시험에서는 해석보다 좀 더 큰 손상결과를 나타내어 조류 충돌지점에서 안테나의 완전한 파단을 나타내었으나, 체결부는 해석과 마찬가지로 손상 없는 결과를 보였으며, 이러한 결과로 볼 때 안테나 파손에 의한 체결부 동체의 구조건전성을 입증한 것으로 판단할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기 외부에 장착되는 안테나와 조류가 충돌할 경우 어떤 영향이 있는가?	본 논문에서는 실제 항공기에 사용되는 안테나와 더미(Dummy) 안테나를 사용하여 항공기 전방동체 하부에 장착된 블레이드 안테나에 대한 조류충돌 해석 및 시험을 수행하였다. 항공기 외부에 장착되는 안테나와 조류가 충돌할 경우, 비행하중을 전달하지 않는 안테나 자체의 손상은 비행안전에 영향이 없으나 동체 장착 체결부 파손으로 인해기체 손상을 일으킬 수 있다. 따라서 체결부 손상 및 패스너 이탈 여부 판단을 주목적으로 해석 및 시험을 수행하였다.
	더비 안테나와 비교해 볼 때, 실 안테나 해석결과는?	또한 실 안테나 해석결과, 더미 안테나와 비교해 볼 때 조류가 충돌하여 흘러가는 경로 주위의 영역에서 전체적으로 파손이 발생하였으나 체결부의 손상이나 패스너 이탈은 없는 것으로 확인되었다. 시험에서는 해석보다 좀 더 큰 손상결과를 나타내어 조류 충돌지점에서 안테나의 완전한 파단을 나타내었으나, 체결부는 해석과 마찬가지로 손상 없는 결과를 보였으며, 이러한 결과로 볼 때 안테나 파손에 의한 체결부 동체의 구조건전성을 입증한 것으로 판단할 수 있다.
	조류충돌은 왜 감항인증 획득 과정에서 입증해야하는 중요한 항목인가?	조류충돌은 항공기의 정상적인 임무수행을 방해하는 요인 중 하나로 감항인증 획득 과정에서 입증해야하는 중요한 항목이다. 조류가 항공기 기체와 충돌할 때 발생하는 충격량과 에너지는 항공기 또는 탑재 장비를 파손시킬 수 있다. 이로 인해 인명피해 또는 비행안전에 영향을 미칠 수 있으므로 항공기 개발 시 조류충돌 문제에 대한 검증이 필요하다. 본 논문에서는 실제 항공기에 사용되는 안테나와 더미(Dummy) 안테나를 사용하여 항공기 전방동체 하부에 장착된 블레이드 안테나에 대한 조류충돌 해석 및 시험을 수행하였다.

참고문헌 (7)

MSC/NASTRAN, The MacNeal-Schwendler Corporation, 2008.
FAR Part 25, Airworthiness Standards: Transport Category Airplanes, 2002.
James S. Wilbeck, "Impact Behavior of Low Strength Projectiles", Air Force Materials Laboratory, 1977.
James S. Wilbeck, James L. Rand, "The Development of a Substitute Bird Model", Journal of Engineering for Power, 1981.
M-A Lavoie et al., " Validation of Available Approaches for Numerical Bird Strike Modeling Tools", International Review of Mechanical Engineering, 2007.
Koe C Chuan, "Finite Element Analysis of Bird Strikes on Composite and Glass Panels", National University of Singapore, 2006.
MSC/PATRAN, The MacNeal-Schwendler Corporation, 2008.

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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].

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