[논문]블레이드 파편 봉쇄를 위한 컨테인먼트 케이스 연구 동향

채승호; 안상현; 이수용; 노진호

doi:10.20910/jase.2020.14.3.60

블레이드 파편 봉쇄를 위한 컨테인먼트 케이스 연구 동향
Research Survey of the Containment Case for Damage Protection from Blade Fragments 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.14 no.3, 2020년, pp.60 - 68

채승호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 안상현 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 이수용 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 노진호 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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항공기 엔진 내의 파손된 블레이드가 케이스를 관통하여 외부로 나가게 되면, 동체에 부딪혀 승객의 안전을 위협하게 된다. 따라서 엔진 케이스 설계 시 항공청의 안전성 평가 인증을 받아야한다. 본 논문에서는 국내의 독자적인 엔진 개발을 위해 필요한 엔진 케이스의 컨테인먼트 인증 요구조건과 개발 기술에 대하여 조사하였다. 미국과 유럽의 항공청에서 제시하는 컨테인먼트 안전성 요구 조건을 정리하고 이 인증에 부합하는 케이스의 파편 봉쇄를 검증하는 실험적/해석적 방법에 대하여 확인하였다. 컨테인먼트 케이스에 대한 최근의 연구를 분석하여 케이스 개발 시 검증 방법을 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

If a broken blade in the aircraft engine penetrates the casing and ejects outside the aircraft, it will impact the fuselage, threatening the safety of the passengers. Thus, the development of a engine case should be certified for stability evaluation by the Aviation Administration. In this paper, we investigated the requirements and development technology for the containment certification of the engine casing necessary for the independent engine development in the country. An experimental/analytical method has been identified to summarize the contact safety requirements presented by the U.S. and European aviation agencies to verify the containment of debris in the casing corresponding to this certification. Also, we analyzed recent research on the containment casing and verification methods in casing development.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1 Uncontained Engine Failure
그림 Fig. 2 Number of Uncontained Engine Failures and International Air Traffic
그림 Fig. 3 Blades Break Causes
그림 Fig. 4 Rolls-Royce Trent 900 Engine (Hard-wall Containment)
그림 Fig. 5 General Electric GEnx Engine (Soft-wall Containment)
표 Table 1 Type of Containment Systems
표 Table 2 Containment Certification Requirements [8-9]
표 Table 3 Contained/Uncontained failure Conformity Certification Requirements [10]
그림 Fig. 6 Engine Development Period
그림 Fig. 7 Ballistic Gas Gun Test
그림 Fig. 8 An Evaluation of Contained/Uncontained by Thickness of Case and Energy
그림 Fig. 9 High-speed Rotor Spin Test
그림 Fig. 10 Load Phase of the Containment Case due to broken blade
그림 Fig. 11 Case in which Curvature has been added

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는, 현재 사용되고 있는 컨테인먼트 케이스의 방식을 정리하고 FAA와 EASA에서 제시하는 블레이드 컨테인먼트 안전성 평가에 대한 인증 요소에 대하여 알아보았다. 그리고 블레이드 컨테인먼트 안전성 평가 관련 인증을 위한 다양한 실험적, 해석적 평가 방법 및 연구를 살펴보고자 한다. 엔진 케이스의 봉쇄/관통을 판단하기 위하여 각 인자별 에너지 방정식 그리고 컨테인먼트 케이스의 최적 두께를 결정하는 방법론을 살펴본다.
본 논문에서는 케이스 개발을 위해 필요한 안전 인증 항목을 정리하고 평가방법에 대해 조사하였다. 충격 시험의 방법, 실험을 통하여 파편의 에너지와 케이스의 두께에 관한 방정식을 도출하여 관통/봉쇄를 평가하는 방법을 정리하였으며, 이러한 평가방법을 이용하여 케이스의 재료 그리고 구조적인 변형을 통해 컨테인먼트 효율을 높이는 연구를 확인하였다.
본 연구에서는, 현재 사용되고 있는 컨테인먼트 케이스의 방식을 정리하고 FAA와 EASA에서 제시하는 블레이드 컨테인먼트 안전성 평가에 대한 인증 요소에 대하여 알아보았다. 그리고 블레이드 컨테인먼트 안전성 평가 관련 인증을 위한 다양한 실험적, 해석적 평가 방법 및 연구를 살펴보고자 한다.
그리고 블레이드 컨테인먼트 안전성 평가 관련 인증을 위한 다양한 실험적, 해석적 평가 방법 및 연구를 살펴보고자 한다. 엔진 케이스의 봉쇄/관통을 판단하기 위하여 각 인자별 에너지 방정식 그리고 컨테인먼트 케이스의 최적 두께를 결정하는 방법론을 살펴본다. 판단식과 시험 결과와의 비교를 통해, 제작된 케이스의 컨테인먼트를 판단한다.
판단식과 시험 결과와의 비교를 통해, 제작된 케이스의 컨테인먼트를 판단한다. 이러한 평가 방법 연구와 케이스의 경량화를 위한 재료적, 구조적 개발 기술 동향에 대해 알아보고자 한다.

제안 방법

Figure. 11과 같은 평판과 볼록한 곡선 형태가 추가된 컨테인먼트 시스템을 티타늄과 스틸을 이용하여 제작하고 실험과 수치해석을 진행하였다. 티타늄과 스틸을 이용하여 제작을 하였다.
6과 같이 실물 크기의 케이스 컨테인먼트 시험까지의 비용은 최종 모델의 개발까지 4년 이상의 시간과 10억 달러 정도의 비용이 발생한다 [11]. 따라서, 최종 시험 이전의 엔진의 개발 단계에서 단순화된 모델이나 엔진의 부분적인 모델 그리고 축적된 모델을 이용하여 컨테인먼트 평가 시험을 진행한다.
재료에 따른 중량 대비 에너지 흡수량 비교를 통하여 케이스에 사용될 수 있는 복합재료를 구분하여 금속-복합재 컨테인먼트 시스템을 개발하였다 [24-25]. 또한 직물 구조를 이용한 복합재료 케이스를 제작하여 충돌 실험과 해석을 통해 컨테인먼트 안전성을 평가하였다 [26-29]. 안정성이 입증됨에 따라 Soft-wall 컨테인먼트 방식이 생겨났고, 최근 항공기 기체에도 복합재료 사용률이 증가함에 따라 복합재료를 사용하여 컨테인먼트 시스템을 평가하는 연구도 증가하였다.
8과 같이 파편에 대한 컨테인먼트 케이스의 봉쇄/관통을 확인하였다. 속도, 무게 등을 측정하여 케이스 두께(t)와 파편의 운동에너지(E)와의 관계식(E=f(t²), f는 t에 대한 함수)을 도출하고, 실험결과와 해석결과를 비교하여 컨테인먼트 케이스의 두께를 평가하였다 [12-13].

대상 데이터

11과 같은 평판과 볼록한 곡선 형태가 추가된 컨테인먼트 시스템을 티타늄과 스틸을 이용하여 제작하고 실험과 수치해석을 진행하였다. 티타늄과 스틸을 이용하여 제작을 하였다. 결과적으로 케이스의 곡선 구간에서 약 14%의 무게 절감을 이루었으며, 충분한 파편 봉쇄를 확인하였다.

성능/효과

Figure. 9와 같이 제작한 로터 회전 실험 장치를 통해 얻은 충돌 후 파손 형상을 해석과 비교하여, Fig. 10과 같이 블레이드 파편이 케이스에 작용하는 힘의 변화를 파편이 케이스 내벽을 긁는 1단계, 변형 및 균열 발생 시작 2단계, 케이스 파손 및 굽힘 발생 3단계의 충격 단계로 진행됨을 확인하였다 [14-15].
티타늄과 스틸을 이용하여 제작을 하였다. 결과적으로 케이스의 곡선 구간에서 약 14%의 무게 절감을 이루었으며, 충분한 파편 봉쇄를 확인하였다.
본 논문에서는 케이스 개발을 위해 필요한 안전 인증 항목을 정리하고 평가방법에 대해 조사하였다. 충격 시험의 방법, 실험을 통하여 파편의 에너지와 케이스의 두께에 관한 방정식을 도출하여 관통/봉쇄를 평가하는 방법을 정리하였으며, 이러한 평가방법을 이용하여 케이스의 재료 그리고 구조적인 변형을 통해 컨테인먼트 효율을 높이는 연구를 확인하였다.

후속연구

하지만 개발한 케이스에 대한 안전성 평가를 할 수 있는 시험 시스템이 구축되어 있는 것이 중요하다. 따라서 추후에도 새로운 아이디어를 적용하여 케이스를 설계하려면 컨테인먼트 안전성 평가 시스템을 갖추는 것이 필수적이다.
엔진 개발 진행시의 이러한 컨테인먼트 평가 시험이 중요 요소이기 때문에 개발 목적에 맞도록 적절한 컨테인먼트 시험 방법을 선정해야 하고, 실제 블레이드 속도를 적용하여 케이스의 봉쇄/관통을 판단할 수 있도록 해야 한다. 또한 시험 시스템을 잘 구축한다면, 추후에도 인증 준비 시 반복 적용이 가능하기 때문에 이를 위해서는 시험장치 제작 시에 많은 노력이 요구될 것이다.
현재 국내에서 독자적 엔진 기술 개발을 진행함에 따라 컨테인먼트 평가 시스템은 최신 엔진 개발의 주요 요소라고 볼 수 있다. 조사한 선행 연구를 기반으로 해석적/시험적 방법을 구축한다면 안전성 평가뿐만 아니라 새로운 케이스 개발에 대한 가능성도 볼 수 있을 것으로 예상한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컨테인먼트의 정의는 무엇인가?	미 국방부에서는 컨테인먼트를 “파편들의 관통으로 인한 이후의 문제들을 방지하는 엔진의 원주형 케이스 구조”로 정의하고 있다. 터빈 엔진을 민간 항공기에 적용하기 위한 감항 인증 표준을 FAA의 FAR(Federal Aviation Regulation) Part 33 [8]과 EASA(European Aviation Safety Agency)의 CS-E[9]에서 제시하고 있다.
	항공기 엔진 케이스에 사용되는 컨테인먼트 시스템은 어떠한 방식이 있는가?	항공기 엔진 케이스에 사용되는 컨테인먼트 시스템은 두 가지 유형의 개념을 가지고 있다 [5]. 컨테인먼트 시스템이 개발되었을 때부터 이어져 온 형태인 Hard-wall 컨테인먼트 방식과 현대에 와서 개발된 Soft-wall 컨테인먼트 방식이 있다. Table 1은 두 가지 컨테인먼트 방식에 대한 특징을 정리하여 보여주고 있다.
	블레이드 파손시 어떤 영향이 있는가?	항공기의 중추적인 동력원인 가스터빈 엔진은 높은 회전력으로 운용된다. 블레이드 파손 시 파손된 블레이드는 높은 에너지를 가지며, Fig. 1 [1]과 같이 파편이 엔진 케이스를 관통하게 되면, 연료탱크, 유압관, 보조동력 장치 및 동체 등에 치명적 파손의 원인이 된다 [2]. 따라서, 항공기 안전성을 위해, 파편을 엔진 케이스 외부로 나가지 못하도록, 컨테인먼트 시스템 구축을 엄격한 요구사항으로 관리되고 있다.

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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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