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[국내논문] 전산 시뮬레이션을 통한 PAV 낙뢰 영향성 분석 및 인증기술에 관한 연구
Analysis of Effects of Lightning on PAV Using Computational Simulation and a Proposal to Establish Certification Guidance 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.6, 2019년, pp.60 - 69  

박세웅 (경상대학교 기계항공공학부) ,  김윤곤 (경상대학교 기계항공공학부) ,  강용성 (경상대학교 기계항공공학부) ,  명노신 (경상대학교 기계항공공학부)

초록
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세계 여러 기업에서는 교통체증이라는 심각한 사회 문제를 해결하기 위해 개인용 항공기 PAV(Personal Air Vehicle) 개발이 활발히 이루어지고 있다. PAV는 사람이 탑승하는 유인운송수단이므로 반드시 감항인증이 요구된다. 항공기와 마찬가지로 PAV의 안전 운항에서 치명적인 위협을 가하는 요소는 고온의 열과 자기장을 동반한 낙뢰이다. 현재 PAV 관련 낙뢰 인증 기술, 지침 및 요건 개발이 미비한 실정이기 때문에 PAV 낙뢰 인증은 더욱 중요하다. 본 연구에서는 미연방항공청(FAA)에서 인정하는 국제 표준 인증지침서인 SAE ARP를 분석하여 낙뢰 인증지침을 PAV에 접목하였다. PAV의 낙뢰에 대한 영향성을 전산 소프트웨어를 통해 분석하였고 향후 추진될 PAV 낙뢰 인증을 위한 실무지침 수립의 근거를 제시하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Companies around the world are actively developing Personal Air Vehicle (PAV) to solve the serious social problem of traffic jams. Airworthiness certification for PAV is required, since it is a manned vehicle. As with aircraft, the critical threat to the safe operation of PAV is lightning strike wit...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • ARP 5415에 따르면 현대적인 항공우주산업에서 시스템 설치, 기체 설계 및 감항인증에 요구되는 신뢰도는 시뮬레이션과 같은 분석적 방법을 사용하지 않고서는 쉽게 달성할 수 없는 수준에 이르렀기 때문에 항공기 인증 영역에서 분석적 기법에 기반한 전산 시뮬레이션의 역할이 대두되고 있으며, 충분히 입증된 경험적 데이터를 기반으로 하는 시뮬레이션은 그 유효성을 인정받을 수 있다고 기술되어 있다[7]. 따라서 인증지침 분석 및 적용과 전산 시뮬레이션을 이용한 검증을 통해 회전익형 PAV 낙뢰 인증을 위한 실무지침 수립의 근거를 마련하고자 한다.
  • 또한, SAE ARP 5577에 기술되어 있는 항공기 낙뢰 인증 주요 구성품 중 Main Rotor Blade에 대한 낙뢰 직접 효과 영향성을 알아보았다. Electrical & Thermal 다중 물리해석 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 전산 시뮬레이션을 진행하였고 이를 통해 낙뢰 피격 시 생성되는 전위장(Electrical Potential Field)과 중심열(Nodal Temperature) 분포를 확인하였다.
  • 본 연구에서는 미래 항공 운송 수단인 PAV의 비행중 낙뢰에 대한 안전성을 입증하는 과정에 대해 분석하였다. 미연방항공청(FAA)에서 인정하는 항공우주권 고서인 SAE ARP를 Lightning Zoning 및 낙뢰 직·간접 영향성과 관련된 부분으로 정리하여 분석하였고, 이를 통해 PAV 낙뢰 인증을 위한 실무지침 수립의 근거를 마련하였다.

가설 설정

  • PAV는 사람이 탑승하는 유인 운송수단이므로 반드시 감항인증이 요구된다. 본 연구의 회전익형 PAV는 미래도심형 운송수단으로써 저공 및 저속비행이라는 특성을 갖는 것으로 가정하였다. 이러한 측면에서 회전익 항공기와 유사한 비행특성을 갖는 회전익형 PAV의 운항 환경에서 치명적인 위협을 가하는 요소 중 하나는 고온의 열에너지와 전자기장을 동반한 낙뢰이다[2].
  • 6에 나타내었다. 각 ply는 0.125 mm 의 두께를 가지는 것으로 가정하였으며, CFRP 전체는 8 ply로 1 mm이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PAV란 무엇인가? 이를 위해 세계 여러 기업에서는 개인용 항공기 PAV (Personal Air Vehicle)를 활용하여 문제를 해결하려는 시도가 이뤄지고 있다. PAV란 자동차와 항공기의 장점을 결합한 차세대 개인용 운송수단으로 예를 들어 에어 택시, 미래형 개인용 항공기 등 사람이 탑승하는 비행체를 총체적으로 일컫는다[1]. 최근 시장 환경 변화와 기술 연구성과들로 인해, PAV 상용화에 박차를 가하고 있다.
PAV에 감항인증이 요구되는 이유는 무엇인가? 하지만 현재 PAV 기술이 빠르게 발전하고 있음에도 불구하고 이를 위한 인증체계는 미비한 실정이다. PAV는 사람이 탑승하는 유인 운송수단이므로 반드시 감항인증이 요구된다. 본 연구의 회전익형 PAV는 미래도심형 운송수단으로써 저공 및 저속비행이라는 특성을 갖는 것으로 가정하였다.
교통체증에 대한 해결방안으로 어떤 요구가 증가하고 있는가? 우리나라뿐만 아니라 세계는 경제적 성장으로 인한 자동차 보유 대수의 증가로 교통체증이라는 심각한 사회 문제에 직면하고 있다. 이에 대한 해결방안으로 이동범위의 증대와 자유로운 이동성을 보장하는 새로운 교통수단에 대한 요구가 증가하고 있다. 이를 위해 세계 여러 기업에서는 개인용 항공기 PAV (Personal Air Vehicle)를 활용하여 문제를 해결하려는 시도가 이뤄지고 있다.
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참고문헌 (19)

  1. Korea Aerospace Research Institute -TRKO201700017435, "Optionally Piloted Personal Air Vehicle (OPPAV) Development of a Safety Operating System and Construction of Infrastructure," Korea Aerospace Research Institute, 2017. 

  2. J. J. Kim, S. T. Baek, D. G. Song, and R. S. Myong, "Computational Simulation of Lightning Strike on Aircraft and Design of Lightning Protection System," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 44, no. 12, pp. 1071-1086, Dec. 2016. 

  3. L. Huang, C. Gao, F. Guo, and C. Sun, "Lightning Indirect Effects on Helicopter: Numerical Simulation and Experiment Validation," IEEE Trans. of Electromagnetic Compatibility, vol. 59, no. 4, pp. 1171-1179, Aug. 2017. 

  4. S. H. Han, "Certification of Aircraft System and Avionics Equipment against Lightning Indirect Effect," Journal of Aerospace Engineering and Technology, vol. 4, no. 1, pp. 247-259, July. 2005. 

  5. SAE International, "SAE ARP 5414B: Aircraft Lightning Zone," pp. 11-27, Dec. 2018. 

  6. SAE International, "SAE ARP 5577: Aircraft Lightning Direct Effects Certification," pp. 3-14, Sep. 2002. 

  7. SAE International, "SAE ARP 5415: User's Manual for Certification of Aircraft Electrical/Electronic Systems for the Indirect Effects of Lightning," pp. 149-154, Aug. 2001. 

  8. Flight Safety Foundation, "Helicopter Downed in North Sea after Lightning Strike Exceeds Lightning-protection System Capabilities," FSF Helicopter Safety, vol. 24, no. 1, pp. 1-8, Jan. 1998. 

  9. Air Accident Investigation Branch, "Aircraft Accident Report 1: Sikorsky S-76A+," AAIB Aircraft Accident Report, Dec. 2014. 

  10. Y. S. Kang, B. J. Yang, and R. S. Myong, "Study of Indirect Effect by Lightning Strike on Rotorcraft," Proc. of the Korea Society for Aeronautical and Space Sciences fall Conference 2018, Jeju, Korea, pp. 1362-1363, Nov. 2018. 

  11. Federal Aviation Regulations, https://www.ecfr.gov, Accessed Sep. 2019. 

  12. SAE International, "SAE ARP 5412B: Aircraft Lightning Environment and Related Test Waveforms," pp. 20-25, Jan. 2013. 

  13. R. Ranjith, S. W. Lee, and R. S. Myong, "Computational Investigation of Lightning Strike Effects on Aircraft Components," International Journal of Aeronautical & Space Sciences, vol. 15, no. 1, pp. 44-53, 2014. 

  14. T. Ogasawara, Y. Hirano, and A. Yoshimura, "Coupled Thermal-electrical Analysis for Carbon Fiber/epoxy Composites Exposed to Simulated Lightning Current," Journal of the Composites: Part A, vol. 41, no. 8, pp. 973-981, 2010. 

  15. Y. S. Kang, S. W. Park, and R. S. Myong, "Analysis of Initial Lightning Attachment Point on Rotorcraft using Electrostatic Potential Simulations," Proc. of the Korea Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference 2019, Buan, Korea, pp. 288-289, April. 2019. 

  16. S. Zehar, et al., "Lightning Direct Effects Predictive Tools," Proc. of International Conference of Lightning and Static Electricity, Wichita, US, 2019. 

  17. M. Kunze, "Efficient Assessment of Aircraft Initial Lightning Attachment Zones based on Electrostatic Simulations," Proc. of International Conference on Lightning and Static Electricity, Nagoya, Japan, 2017. 

  18. Federal Aviation Administration, "AC 20-136B: Aircraft Electrical and Electronic System Lightning Protection Certification," pp. 7, Sep. 2011. 

  19. J. D. Jeong, H. D. Yang, "Environmental Test of Avionics Equipment for Lightning Indirect Effect," Journal of Aerospace System Engineering, vol. 7, no. 2, pp. 55-59, 2013. 

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