[논문]캐비테이션 방지를 위한 MR 댐퍼형 착륙장치의 내부 형상 배치에 대한 연구

조방현; 장대성; 황재혁

doi:10.20910/jase.2020.14.5.33

캐비테이션 방지를 위한 MR 댐퍼형 착륙장치의 내부 형상 배치에 대한 연구
Internal Components Arrangement of MR Damper Landing Gear for Cavitation Prevention 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.14 no.5, 2020년, pp.33 - 41

조방현 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 장대성 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) , 황재혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

초록
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항공기의 착륙장치는 지상에서 동체로 전달되는 충격에너지를 흡수 및 소산시키는 장치이다. 착륙장치 중 반능동형 MR 댐퍼 착륙장치는 다양한 착륙조건에서 높은 충격흡수효율을 보여주며 제어 불능 시 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 오리피스가 아닌 환형 관유로를 이용하는 MR 댐퍼 착륙장치의 경우, 유로 압력강하로 인해 발생하는 감쇠력이 MR 댐퍼 내부 형상 구조에 따라 저압 챔버에서 캐비테이션을 유발할 수 있어 기존의 2 자유도계 모델링 기법보다 다중물리시스템 해석 프로그램인 Amesim이 더 유용하다. Amesim을 이용한 해석결과를 바탕으로 착륙장치 내부 유로 형상 배치를 수정하여 캐비테이션을 방지할 수 있는 유로 구조를 제안하였고 낙하 시험 시뮬레이션 결과를 통해 이를 검증하였다. 본 논문에서는 환형 관로 형태 유로 구조를 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치의 캐비테이션 발생시 주요 특성을 파악하였고, 아울러 내부형상 배치 수정을 통해 이를 방지하는 방안을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The landing gear of an aircraft is a device that absorbs and dissipates shock energy transmitted from the ground to the fuselage. Among the landing gears, the semi-active MR damper landing gear is supposed to show high-shock absorption efficiency under various landing conditions and secure the stability when out of control. In the case of the MR damper landing gear using an annular channel rather than orifice, Amesim, a commercial multi-physics program, is considered as more useful than the conventional two-degree-of-freedom model because the damping force generated by the pressure drop through the flow annular path can cause cavitation in the low-pressure chamber of the MR damper with a specific internal structure. In this paper, the main dynamic characteristics of the MR damper landing gear with an annular type flow path structure has been analyzed under the condition of cavitation. Based on the analysis results using Amesim, a design guideline for the MR damper flow path that prevents cavitation has been proposed based on the modification of the arrangement of internal components of the damper. The guideline was verified through a drop simulation.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Structures of the landing gear equipped with MR damper: (a) Model 1, (b) Model 2
표 Table 1 Landing gear parameters
그림 Fig. 2 Free-body diagram of 2-DOF model
그림 Fig. 3 Amesim simulation models: (a) Model 1, (b) Model 2
표 Table 2 Simulation conditions
그림 Fig. 4 Pressure drop through MR core channel and air chamber pressure [Model 1] (a) Amesim model, (b) 2 DOF model
그림 Fig. 5 Lower chamber pressure [Model 1]
그림 Fig. 6 Strut force – Stroke [Model 1]
그림 Fig. 7 Pressure drop through MR core channel and air chamber pressure [Model 2] (a) Amesim model, (b) 2 DOF model
그림 Fig. 8 Strut force – Stroke [Model 2]
그림 Fig. 9 Void content simulation

AI 본문요약
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문제 정의

이 경우에 대해 낙하 시뮬레이션을 수행하여 2 자유도계 모델링과 Amesim을 이용한 모델링의 결과가 잘 일치하는 것과 기공률 비교를 통해 캐비테이션이 발생하지 않는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 형태로 내부 형상을 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치는 캐비테이션을 방지하고 설계성능 조건을 만족시키는 것을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 향후 제작된 착륙장치의 충격흡수 동특성을 실시간으로 측정하는 낙하 시험을 통해, 본 연구에서 제안한 유로 구조 형상을 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치의 성능을 검증할 계획이다.
본 논문에서는 Amesim을 이용하여 캐비테이션 발생의 구조적인 원인을 분석하고, 이를 바탕으로 캐비테이션을 방지하기 위해 MR 댐퍼형 착륙장치의 내부 형상을 수정하고 그 성능을 검증하였다. 환형 유로를 사용하는 MR 댐퍼 착륙장치의 특성상 기존의 2 자유도계 모델링을 이용하여 낙하 시험 시뮬레이션을 수행할 경우, 착륙장치의 저압 챔버에서 발생할 수 있는 캐비테이션을 예측할 수 없으므로 Amesim을 이용하여 모델링하는 것이 바람직하다고 판단된다.
이를 바탕으로 착륙장치 내부의 형상 배치를 수정하여 캐비테이션을 방지하는 유로 구조를 제안하였고 Amesim 및 2자유도계 모델링을 기반으로 한 낙하 시험 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 본 연구를 통해, 환형 관로 형태 유로 구조를 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치의 캐비테이션 발생시 주요 특성을 파악하고 아울러 내부형상 배치 수정을 통해 이를 방지하는 방안을 제시하는 것이 본 논문의 목적이다.

가설 설정

)로 정의된다. 공기는 폴리트로픽 과정을 겪는다고 가정하고, MR 유체는 비 압축성 유체로 가정하였을 때, 공기 챔버의 압력(𝑃_𝑎)은 스트로크에 따른 함수로 나타낼 수 있고, 공기력(𝐹_𝑎)은 공기 챔버의 압력과 공기력이 작용하는 면적(𝐴_𝑎)의 곱으로 표현된다.

제안 방법

MR 댐퍼형 착륙장치 설계시, 착륙장치의 수학적 모델을 기반으로 한 낙하 시뮬레이션을 통해 내력을 예측하고, 이를 바탕으로 착륙장치의 구조 해석을 진행하게 된다. 설계된 착륙장치의 성능을 검증하기 위해서는 시제품과 낙하시험 장치 지그를 제작하여 낙하시험을 수행하는 것이 일반적이다[16].
따라서 2 자유도계 모델링과 동일하게 착륙장치 타이어의 강성을 이용하여 지면 반력을 Amesim에 고려하였다. 공기 챔버 내 공기는 폴리트로픽 과정을 따르도록 Amesim 모델을 구성하였고, 플로팅 피스톤도 추가하여 모델링하였다. 환형 유로 모델링은 관로 마찰계수를 이용한 관로저항과 유체의 압축성을 고려한 관로 커패시턴스를 이용하여 구성하였다.
MR 댐퍼형 착륙장치의 감쇠력은 각각 유로에서 압력강하로 인한 감쇠력과 외부 자기장으로 인한 제어 감쇠력인 MR 유체의 항복응력으로 계산된다. 그러나 본 논문에서는 비 제어시에서의 착륙장치의 낙하 시뮬레이션을 수행하고 캐비테이션이 발생 여부에 관심이 있기 때문에 환형유로에서 유체 유동에 의해 발생하는 감쇠력만 고려한다. MR유체를 비압축성 유체로 가정하였으므로 유량 (Q) 은 스트로크 속도 (𝑠̇) 와 착륙장치의 구조에 따라 결정되는 유효면적(𝐴_ℎ)의 곱으로 표현할 수 있고, 완전발달 층류 유동으로 가정하면 환형 유로에서의 발생하는 압력강하(∆𝑃)는 식(7c)와 같이 나타낼 수 있다.
2 자유도계 모델링과 착륙장치에 발생하는 내력 예측 비교를 위해서 타이어/지면 접촉요소를 일치시키는 것이 중요하다. 따라서 2 자유도계 모델링과 동일하게 착륙장치 타이어의 강성을 이용하여 지면 반력을 Amesim에 고려하였다. 공기 챔버 내 공기는 폴리트로픽 과정을 따르도록 Amesim 모델을 구성하였고, 플로팅 피스톤도 추가하여 모델링하였다.
상부 챔버의 압력은 공기 챔버가 압축되기 때문에 초기 압력보다는 항상 크므로 압축과정에서 캐비테이션이 발생하지 않는다. 본 논문에서 사용되는 착륙장치의 구조형상 치수는 연방항공규정의 Part 23.725에서 명시된 낙하속도 3m/s 조건에서 최대 내력은 28kN 미만, 최대 스트로크는 200mm 이하가 되도록 결정하였으며 자세한 치수는 Table 1에 정리되어 있다.
Amesim 프로그램은 동역학계 각 요소의 조합으로 전체 시스템을 구성할 수 있는 라이브러리(Library)를 제공한다. 본 논문에서는 상부 질량과 타이어 휠 질량 등의 거동을 모델링하는 기계적 라이브러리(Mechanical Library), 각 챔버와 유로의 구조를 모델링하는 유공압 라이브러리(Hydraulic, Pneumatic Library)를 이용하여 MR 댐퍼형 착륙장치를 모델링하였다. 본 연구에서는 유로 형상 구조가 MR 댐퍼 착륙장치의 성능에 미치는 영향을 분석하는 것이 목적이므로 MR 코어는 모델링에서 제외하였다.
따라서, 2 자유도계 수학적 모델링보다 정확한 내력 예측이 가능하다. 본 논문에서는 캐비테이션이 발생할 수 있는 유로 구조를 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치를 대상으로 Amesim과 2 자유도계 모델링을 각각 적용하여 낙하 시험 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, Amesim을 기반으로 한 모델링에서는 착륙장치의 압축과정 중 저압 챔버에서 캐비테이션이 발생하여 충격흡수효율이 현저하게 낮아지는 것을 확인하였다.
4에 나타내었다. 이 그림에서 상부 챔버의 압력과 유로의 압력강하의 크기를 Amesim 해석과 2 자유도계 모델링의 해석을 통해 결과를 비교하였다. 압축시 상부 챔버가 고압부가 되므로 유로에서 발생하는 압력강하는 상부 챔버의 압력보다 클 수 없다.
그러나 2 자유도계 수학적 모델링의 결과에서는 위와 같은 현상을 확인할 수 없었다. 이를 바탕으로 착륙장치 내부의 형상 배치를 수정하여 캐비테이션을 방지하는 유로 구조를 제안하였고 Amesim 및 2자유도계 모델링을 기반으로 한 낙하 시험 시뮬레이션 결과를 비교하였다. 본 연구를 통해, 환형 관로 형태 유로 구조를 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치의 캐비테이션 발생시 주요 특성을 파악하고 아울러 내부형상 배치 수정을 통해 이를 방지하는 방안을 제시하는 것이 본 논문의 목적이다.
86%로 낮게 나타났다. 이를 바탕으로, 저압 챔버에서 발생할 수 있는 캐비테이션을 방지하기 위하여 압축과정 중 공기 챔버가 저압 챔버가 되도록 내부 형상 배치를 수정하도록 제안하였다. 이 경우에 대해 낙하 시뮬레이션을 수행하여 2 자유도계 모델링과 Amesim을 이용한 모델링의 결과가 잘 일치하는 것과 기공률 비교를 통해 캐비테이션이 발생하지 않는 것을 확인하였다.
공기 챔버 내 공기는 폴리트로픽 과정을 따르도록 Amesim 모델을 구성하였고, 플로팅 피스톤도 추가하여 모델링하였다. 환형 유로 모델링은 관로 마찰계수를 이용한 관로저항과 유체의 압축성을 고려한 관로 커패시턴스를 이용하여 구성하였다. Amesim내의 원형 관로 마찰계수는 Nikuradse Harp 모델을 적용하였으며 본 연구의 MR 댐퍼형 착륙장치는 환형 관로 형태 유로를 사용하므로 수력직경을 이용하여 수정된 마찰계수를 사용하였다[20].

대상 데이터

MR 댐퍼형 착륙장치는 유공압식과 유사한 구조를 갖지만 미터링 핀과 오리피스를 사용하지 않고 MR 유체의 특성을 이용하기 위해 환형 유로를 사용한다. 본 연구에서 다루는 MR 댐퍼형 착륙장치의 구조는 Fig. 1에서 나타낸 바와 같으며, 또한 Fig. 1에서는 압축시 유체 흐름을 보여주고 있다. 상부 챔버(Upper chamber)는 플로팅 피스톤(Floating piston)으로 구분되는 공기 챔버(Air chamber)와 MR 유체가 있는 챔버로 구성된다.

이론/모형

환형 유로 모델링은 관로 마찰계수를 이용한 관로저항과 유체의 압축성을 고려한 관로 커패시턴스를 이용하여 구성하였다. Amesim내의 원형 관로 마찰계수는 Nikuradse Harp 모델을 적용하였으며 본 연구의 MR 댐퍼형 착륙장치는 환형 관로 형태 유로를 사용하므로 수력직경을 이용하여 수정된 마찰계수를 사용하였다[20]. 감쇠력을 비대칭적으로 작용시키기 위해 적용된 릴리프 밸프는 체크 밸브(Check valve)를 이용하여 구현하였고 코어의 직경에 비해 유로 너비가 매우 작으므로 압력으로 인한 유로의 팽창은 무시하였다[21].
감쇠력을 비대칭적으로 작용시키기 위해 적용된 릴리프 밸프는 체크 밸브(Check valve)를 이용하여 구현하였고 코어의 직경에 비해 유로 너비가 매우 작으므로 압력으로 인한 유로의 팽창은 무시하였다[21]. Amesim을 활용한 본 연구의 MR 댐퍼형 착륙장치 모델링은 Fig. 3과 같이 나타낼 수 있고, 낙하 시뮬레이션의 해석 조건은 Table 2과 같으며 상부 질량은 Beechcraft사의 Baron-G58 기종을 참고하여 설정하였다.
낙하 시뮬레이션을 통한 착륙장치의 내력 예측을 하기 위해 다중물리시스템용 해석 프로그램인 Amesim을 활용하였다. Amesim 프로그램은 동역학계 각 요소의 조합으로 전체 시스템을 구성할 수 있는 라이브러리(Library)를 제공한다.

성능/효과

8에 나타내었다. Amesim 모델 및 2 자유도계 모델링을 활용한 Model 2의 충격흡수효율은 각각 74.15%, 75.34%로 거의 동일한 결과를 나타내는 것을 알 수 있다. 최대 스트로크에서 약간 차이를 보이는 이유는 Amesim 모델에서 유로에서의 압력강하 계산시 유체의 압축성 및 기공률을 고려할 수 있고 상부 챔버의 플로팅 피스톤의 거동을 추가하여 보다 체계적인 해석 수행이 되었기 때문이다.
캐비테이션으로 인한 유체이동 록킹을 방지하기 위해, 압축과정 중 하부 챔버가 고압 챔버가 되므로 내부 형상 배치를 수정하면 캐비테이션이 발생하지 않는다. Model 2의 경우, 인장시에 하부 챔버가 저압 챔버가 되어 기공률이 약간 증가하는 듯하나 첫 압축과정에서 최대 내력의 크기가 28kN 미만이고 충격흡수효율이 2자유도 모델링의 결과 거의 일치하는 것을 통해 착륙장치의 성능이 설계조건을 만족시키는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 캐비테이션이 발생할 수 있는 유로 구조를 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치를 대상으로 Amesim과 2 자유도계 모델링을 각각 적용하여 낙하 시험 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, Amesim을 기반으로 한 모델링에서는 착륙장치의 압축과정 중 저압 챔버에서 캐비테이션이 발생하여 충격흡수효율이 현저하게 낮아지는 것을 확인하였다. 그러나 2 자유도계 수학적 모델링의 결과에서는 위와 같은 현상을 확인할 수 없었다.
낙하 시뮬레이션 결과에서 압축과정 중 공기 챔버가 고압 챔버가 되는 완충장치 구조일 경우, 기존의 2 자유도계 모델링의 결과를 통해서는 캐비테이션을 예측할 수 없었으나 Amesim 이용한 모델링의 시뮬레이션 결과에서는 캐비테이션으로 인한 유체유동 록킹 현상으로 압축과정에서 감쇠력이 충분히 발생하지 못하여 충격흡수효율이 50.86%로 낮게 나타났다. 이를 바탕으로, 저압 챔버에서 발생할 수 있는 캐비테이션을 방지하기 위하여 압축과정 중 공기 챔버가 저압 챔버가 되도록 내부 형상 배치를 수정하도록 제안하였다.
이를 통해 첫 압축과정 초기에 압력강하가 충분히 발생하는 것을 알 수 있다. 또한 스트로크 속도가 0이 되는 최대 압축상태에서 압력강하는 발생하지 않고 공기 챔버의 압력은 최대값을 갖는 것도 확인할 수 있다. Amesim 및 2 자유도계 모델링을 활용한 Model 2의 충격흡수효율 곡선 결과를 비교하여 그림 Fig.
이를 바탕으로, 저압 챔버에서 발생할 수 있는 캐비테이션을 방지하기 위하여 압축과정 중 공기 챔버가 저압 챔버가 되도록 내부 형상 배치를 수정하도록 제안하였다. 이 경우에 대해 낙하 시뮬레이션을 수행하여 2 자유도계 모델링과 Amesim을 이용한 모델링의 결과가 잘 일치하는 것과 기공률 비교를 통해 캐비테이션이 발생하지 않는 것을 확인하였다. 따라서 본 논문에서 제안한 형태로 내부 형상을 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치는 캐비테이션을 방지하고 설계성능 조건을 만족시키는 것을 시뮬레이션을 통해 검증하였다.
Amesim 모델링의 해석 결과를 바탕으로 압축과정에서 공기 챔버가 저압 챔버가 되도록 내부 유로 구조형상을 갖는 것이 매우 중요하다. 이러한 유로형상의 MR 댐퍼형 착륙장치에서 설계자가 원하는 우수한 완충 성능을 가지는 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다.
Amesim을 활용한 시뮬레이션에서는 착륙장치의 압축과정 초반에 충분한 감쇠력이 발생하지 못하고 최대 공기력이 최대 스트로크 발생 이전에 나타나므로 착륙장치 내력의 1차 피크와 2차 피크가 순차적으로 발생하지 않음을 알 수 있다. 착륙장치의 충격흡수효율은 Amesim을 이용한 모델링에서 50.86%, 2 자유도계 수학적 모델링에서 75.12%으로 계산되었다. Amesim 해석의 결과가 2 자유도계 모델링의 결과에 비해 충격흡수효율이 현저히 낮은 이유는 첫 압축과정에서 MR 유체가 저압 챔버 쪽으로 이동하지 못해 유체 유동에 의한 감쇠력이 발생하지 않기 때문이다.

후속연구

따라서 본 논문에서 제안한 형태로 내부 형상을 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치는 캐비테이션을 방지하고 설계성능 조건을 만족시키는 것을 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 향후 제작된 착륙장치의 충격흡수 동특성을 실시간으로 측정하는 낙하 시험을 통해, 본 연구에서 제안한 유로 구조 형상을 갖는 MR 댐퍼형 착륙장치의 성능을 검증할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기의 착륙장치는 어떤 과정인가?	항공기의 착륙장치는 지상에서 동체로 전달되는 충격에너지를 흡수 및 소산시키는 장치이다. 착륙장치 중 반능동형 MR 댐퍼 착륙장치는 다양한 착륙조건에서 높은 충격흡수효율을 보여주며 제어 불능 시 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다.
	항공기의 착륙장치가 필요한 이유는?	항공기의 착륙장치는 착륙 시 또는 지상에서 활주할 때 발생하는 진동 및 충격을 흡수하는 장치이다. 특히 착륙시 항공기는 짧은 시간에 강한 충격을 받아 동체에 심각한 손상을 초래할 수 있으며, 탑승자들에게 불편감을 느끼게 한다. 이를 최소화하기 위해 착륙장치에는 착륙 충격에너지를 효과적으로 흡수 및 소산시키는 완충장치를 채택하고 있다. 현재 가장 널리 사용되고 있는 완충장치는 단위 중량당 충격흡수효율이 높고 구조가 단순한 수동형 유공압 완충장치이다[1].
	반능동형 MR 댐퍼 착륙장치의 장점은?	항공기의 착륙장치는 지상에서 동체로 전달되는 충격에너지를 흡수 및 소산시키는 장치이다. 착륙장치 중 반능동형 MR 댐퍼 착륙장치는 다양한 착륙조건에서 높은 충격흡수효율을 보여주며 제어 불능 시 안정성을 확보할 수 있는 장점이 있다. 오리피스가 아닌 환형 관유로를 이용하는 MR 댐퍼 착륙장치의 경우, 유로 압력강하로 인해 발생하는 감쇠력이 MR 댐퍼 내부 형상 구조에 따라 저압 챔버에서 캐비테이션을 유발할 수 있어 기존의 2 자유도계 모델링 기법보다 다중물리시스템 해석 프로그램인 Amesim이 더 유용하다.

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저자의 다른 논문 :

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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