PART I 제 4 장 : 항공기 구조 및 감항성

2/44 순 서순 서  힘과 응력  항공기의 구조형식  기체구조  항공재료  구조 설계제작 및 시험

3/44 항공기 구조 일반 안전한 비행을 위한 충분한 강도와 강성의 확보 필수 최상의 비행성능을 위한 불필요한 중량제거 및 경량설계의 어려움 적합한 강도와 강성을 갖도록 설계하기 위해 하중을 정확하게 추정 – 항공역학적인 힘, 추진력, 중량, 관성력, 구동기로 부터 전달되는 힘 열하중 (thermal load), 지면으로부터 받는 반력 (ground load) 등 각 하중은 항공기의 기동과 자세에 따라 변화하므로 모든 비행 상태 에 대하여 항공기 구조의 안전도를 입증할 수 없음.  예상 하중 중에서 가장 위험한 상태인 몇 가지 경우에 대해 안전도를 확인 항공기에 작용하는 힘의 방향과 크기에 의해서 항공기의 구조 형태가 결정되며, 정해진 구조가 비행중의 하중을 충분히 견딜 수 있는지 정확하게 해석하고 구조 시험을 통해 입증.

4/44 힘과 응력 항공기에 작용하는 힘 ( 외력 ) – 양력, 항력, 중력, 추력 제한하중 (limit load) – 항공기 구조의 설계 시 통상적으로 비행 중에 발생하는 하중뿐 아니라 예상되는 돌풍과 난류 조건도 고려해서 결정 내력과 응력 – 외력에 대해 구조물 내부에 하중을 전달하기 위한 내력이 발생 – 내력의 형태 ①인장력 (tension) ②압축력 (compression) ③전단력 (shear force) ④굽힘모멘트 (bending moment) ⑤비틀림 (torsion)

5/44 내력의 형태

6/44 인장력과 압축력 인장력 (Tension) – 보 (beam) 를 길이 방향으로 잡아당길 때 보가 받는 내력 – 수직인장응력 (normal tension stress): 압력의 단위 압축력 (Compression) – 인장력과 방향이 반대인 경우

7/44 전단력, 비틀림, 굽힘 모멘트 전단력 (Shear Force) – 인접한 단면을 옆으로 평행하게 서로 반대쪽으로 미는 힘 – 전단응력 (shearing stress): 압력단위 전단흐름 (shear flow): 단위길이 당 힘 비틀림 (Twisting) – 보의 양끝에 서로 반대방향으로 축을 돌리는 모멘트가 작용할 경우 발생 굽힘 모멘트 (Bending Moment)

8/44 하중계수 (Load Factor) 항공기에 작용하는 하중을 등속수평비행 시의 양력으로 나눈 값 –n = 1, n > 1, n < 1, n < 0 – 상승가속도 = (n-1)g – 제한하중계수 (limit load factor) 항공기 설계규정에서의 안전을 위해 항공기 유형에 따른 하중계수의 최대치 곡예기 유형 : 제한 하중계수 = 6 민간 항공기 : 제한 하중계수 = 3.5 이하 군용기 : ( 전투기 ) 제한 하중계수 = 7 ~ 14 – 파괴하중계수 = 제한하중계수 x 안전율 (=1.2~1.5)

9/44 V-n 선도 항공기의 비행속도에 따라 하중계수를 그린 그래프 – 같은 항공기도 고도에 따라 밀도 및 공기역학적 특성 변화로 조금씩 다름 최대양력 V stall 최대동압 또는 한계속도 ( 수직하강속도 ) 구조적인 한계 음의 하중계수 : 배면비행 구조적인 한계

10/44 돌풍에 의한 V-n 선도 순간적인 돌풍에 의해 받음각과 양력이 변함 ( 짧은 시간 동안 ) 돌풍의 효과를 더한 항공기의 전체 하중계수를 고려해야 함.

11/44 항공기의 구조형식 트러스 구조 – 모든 하중을 트러스에서 담당 – 외피는 공기력을 트러스로 전달 응력 외피 구조 – 외피도 하중의 일부를 담당 반 모노코크 구조 : 골조와 외피를 따로 제작 / 조립 모노코크 * 구조 : 골조 - 외피 일체형 * monocoque

12/44 항공기의 구조형식

13/44 항공기의 구조형식 샌드위치 구조 – 단위 면적당 강도가 높고 반복하중에 강하며 열 - 소음 차단, 경량 – 항공기와 미사일에 많이 사용 날개의 샌드위치 구조 샌드위치의 구성 샌드위치의 구조의 종류

14/44 페일세이프 (Fail-Safe) 구조 Fail-safe 구조 – 구조요소 일부에 파손이 발생해도 항공기 구조물 전체의 안전성을 유지 할 수 있는 구조 – 다중하중경로구조, 이중구조, 대치구조, 하중경감구조 다중하중경로구조이중구조

15/44 페일세이프 (Fail-Safe) 구조 대치구조 – 한 부재의 파손에 대비하여 이것이 파손되었을 때 하중을 지탱할 수 있는 예비부재 구비 하중경감구조 – 강성이 큰 부재는 강성이 작은 부재보다 더 많은 하중을 받는 원리이용 대치구조하중경감구조

16/44 기체구조 항공기 구체의 주요부분 : – 날개, 동체, 꼬리날개, 엔진 마운트, 착륙장치

17/44 날개의 구성 날개보 (spar) – 보통 2 개, 날개에 작용하는 전단 응력, 굽힘 및 비틀림 모멘트를 담당 리브 (rib), 외피 (skin), 스트링거 (stringer) –airfoil 형상 (rib), 날개 전체 형상 유지, 좌굴 (buckling) 방지

18/44 날개의 구성 날개보의 여러 형태날개 리브의 형태

19/44 날개의 구성 샌드위치 구조 – 강력한 접착제의 개발에 의하여 광범위하게 사용됨 – 무게에 비하여 강성이 크고 접착제로 붙이기 때문에 제작이 용이 – 진동에 대한 감쇠성이 크고 단열성 및 방음성이 뛰어남

20/44 날개의 구성 날개뿌리 (wing root) – 날개와 동체의 연결부 – 양력을 모아 동체에 전달하므로 강도가 충분해야 함.

21/44 날개의 구성 기타 – 날개 내부구조, 날개 내부 연료탱크, 날개끝 구조 – 플랩, 슬랫, 조종면 구동장치, 항행등, 착륙장치 날개의 내부구조날개 내부의 연료탱크 날개 끝 구조

22/44 동체 (fuselage) 트러스, 모노코크, 반 모노코크 반 모노코크 구조 : 유효내부용적 증가  화물탑재에 적합 – 스트링거와 보강 프레임으로 구조 보강 여압실 (pressurized cabin) – 승객의 호흡을 위한 여압실 (pressurized cabin) 마련 – 여압실 내부의 공기압력에 의한 하중이 동체에 추가로 작용 트러스 동체 구조반모노코크 구조의 동체스트링거의 단면모양

23/44 꼬리날개 (empennage) 수직꼬리날개와 수평꼬리날개로 구성 – 꼬리날개 : 안정판 (stabilizer) + 조종면 (control surface) 경감구멍 – 날개 안의 리브와 날개보와 같은 부품들은 무게를 최소화시키기 위해 구멍을 뚫음 – 전단강성을 고려한 경감구멍 설계 경감구멍

24/44 엔진 마운트 트러스형 – 엔진을 동체내부로 부착 – 단발 프로펠러 항공기 나셀 (nacelle) 형 – 엔진을 동체 외부 또는 날개 밑에 장착 – 다발 프로펠러 항공기

25/44 나셀형 엔진 마운트

26/44 엔진 마운트 파일론 (pylon) 형 – 날개에 엔진을 장착할 경우 – 제트 항공기에 많이 사용 – 진동문제 발생  방진장치 필요 엔진 장착부의 방진장치

27/44 착륙장치 타이어 (tire), 스키 (ski), 플로트 (float) 조향바퀴 위치 : 앞바퀴식, 뒷바퀴식 – 앞바퀴식이 안정적이며 시야확보에 유리 – 제트기에서는 엔진배기와 지면의 간섭방지를 위해 앞바퀴식 사용 조향방식에 따른 안정성

28/44 착륙장치 착륙장치 구성 – 타이어, 바퀴 (wheel), 완충버팀대 (shock strut), 브레이크 (brake) – 접이식 : 잠금기구, 시미 댐퍼 (shimmy damper), 조향바퀴 ( 조향장치 ) 착륙장치의 바퀴 – 차륜, 타이어, 튜브, 브레이크로 구성 금호 항공기용 타이어 - 한 - 미간 항공안전협정으로 수출 길 열려 년 2 월 19 일

29/44 착륙장치의 완충방식 고무흡수 방식 평판스프링 : 감쇠효과가 적어 반동이 큼. 구조간단, 소형기 공기압력 방식 올레오식 : 보통의 경우 가장 많이 사용 – 올레오 스프링식, 올레오 공압식 고무흡수방식평판스프링 올레오 공압식

30/44 F-18 with Flat Tire Doing Amazing Stop Jet Blue Land with Faulty Landing Gear 60 Seconds in the Life of Landing Gear Military transport heavy landing - collapses Landing Gear

31/44 항공재료 항공재료의 종류 금속재료 – ① 알루미늄 합금, ②강 (steel) 과 특수강, ③니켈합금, ④마그네슘 합금, ⑤ 동합금, ⑥티타늄 합금, ⑦소결합금 – 알루미늄 합금은 AA(Aluminium Association) 의 분류기호 사용 ① 2024: 초 듀랄루민 (super duralumin) 이라 하며 강도가 큼, 기체외피용 ② 7075: 극초 듀랄루민 (extra super duralumin), 강도가 커서 골조 (frame) 의 하중담당 부재에 많이 사용 * 알루미늄합금 (2024, 7075) 은 열처리 후 실온에서 강도와 경도가 강해지는 시효경화 (aging) 특성이 있음 비금속 재료 – ① 직포, ② 목재 고무, ③ 아크릴 수지, ④ 강화유리, ⑤ 접착제 복합재료 – 섬유강화수지 ( 유리섬유, 탄소섬유, 보론섬유 + 에폭시 소재 )

32/44 항공기 재료의 변천 1900 년대 : 목재, 천 1940 년대 : 강,Al 합금 1980 년대 : 복합재료사용

33/44 항공기 재료의 특성비교

34/44 대형항공기 구조재료

35/44 항공재료 : 복합재료 복합재료 (composite materials) – 두 종류 이상의 재료를 일체화하여 단일 재료로는 얻을 수 없는 우수한 성질을 갖도록 한 합성재료 – 섬유강화수지 (FRP, fiber reinforced plastic) 유리, 탄소, 보론 혹은 강도가 큰 유기섬유를 에폭시 수지로 고정시킨 복합재 GFRP( 유리 섬유계 ) CFRP( 탄소 섬유계 ) AFRP( 아라미드 섬유계 ) BFRP( 보론 섬유계 ) Carbon fiber for next generation aircrafts 문제는 품질 ( 균질성 ) 보장

36/44 복합재료 적용사례

37/44 재료의 결함검사 내부결함의 비파괴검사법 (Non-Destructive Test/Inspection) 마그나플럭스 검사 (Magnaflux) – 자력선을 이용한 검사방법 – 주물뿐만 아니라 금속제품의 결함이나 균열을 발견하는 방법 – 검사하는 물체에 전류를 흐르게 하여 자력선을 만들면 결함이 있는 부분 에 자력선이 집중되며 여기에 철분을 물에 띄워서 뿌려주면 결함부분에 집중적으로 부착됨. 이를 관찰하여 결함을 발견하는 방법 다이체크 검사 (Dye check) – 경금속과 같이 자화되지 않는 재질에 대해서 사용 – 특수한 감광물질을 검사부분에 흘려보내고 닦아내면 균열부분에만 감광 물질이 스며들어서 자외선 등불 밑에서 관찰하여 유난히 밝은 부분이 생 기므로 균열을 발견 X 선 및 감마선 검사방법 – 모든 금속에 이용하며, X 선 및 감마선의 투과성으로 결함이나 균열부분 이 검게 나타나는 현상이용 초음파 탐사 (ultrasonic detection) – 초음파가 물질내부에 결함이 있으면 반사되어 돌아오는 성질이용

38/44 구조 설계제작 및 시험 [1] 상충되는 요구조건 – 가볍고 튼튼해야 함 ! 구조설계 – 강한 재료 ( 구조 ) 도 계속적으로 하중을 받으면 약해짐 ( 피로 현상 ) – 설계개념의 변천 안전수명설계 – 항공기의 설계수명 기간 내에는 구조에 작용하는 모든 하중에 대하여 부재가 파손되지 않을 정도의 응력이 작용하도록 설계하는 기법 안전수명설계 Safe life design 페일 세이프 설계 Fail-Safe design 손상허용 설계 Damage Tolerance

39/44 구조 설계제작 및 시험 [2] 페일세이프 설계 –1954 년 세계최초의 제트 여객기 Comet 기의 사고 : 안전수명설계에 의해 설계되었으나 응력의 집중으로 피로 균열이 발생하고 균열에 의해 동체 의 파괴가 발생 ( ) – 비행 도중에 구조의 일부가 파손되어도 치명적인 사고가 되지 않도록 설계하는 방법이 필요 손상허용설계 – 항공기 기체에 초기 결함으로 인하여 사고가 발생 – 제작에 있어서 결함이 없는 완벽한 제품을 만들기는 어려움 – 그래서 결함이 있더라도 안전이 유지되도록 구조를 설계 실제로는 모든 설계방법이 다 적용된다. 균열에 의한 사고의 원인별 분류

40/44 구조 설계제작 및 시험 [3] 항공기 제작 – 컨베이어 방식의 자동생산 ( 자동차 제작에 적용 ) 이 아님 – 수공업적으로 제작하는 방식 – 치공구 (Jig and Fixture) 기계가공에서 가공위치를 쉽고 정확하게 정하기 위한 보조용 기구

41/44 구조 설계제작 및 시험 [4] Automobile Body Fixture Aircraft Fixture

42/44 구조 설계제작 및 시험 [5] 리벳팅 작업 – 항공기 부품의 조립에 많이 사용

43/44 구조 설계제작 및 시험 [5] 항공기 구조시험 – 정적강도시험, 진동시험, 피로시험 – 재료개발시험 / 재료검증시험 – 부품시험 – 부분품 시험 (Components test) – 전 기체 시험 (Full-scale airframe test) – 비행하중 시험 강도시험용 하중 부가장치

44/44 T-50 전기체 정적 극한하중시험 참고 : “ 전기체 구조시험 기술개발동향 ”