항공기 형상설계

 

보잉 787 국제공동개발을 위한 브레이크다운 다이아그램에서 물음표 친 부분의 명칭은 무엇인가? 아랫부분의 다이아그램을 참조하여라.

 

 

 

대양을 횡단하는 수준의 장거리 비행이 가능한 민간 제트 항공기의 디자인 과정에 있어서는 가급적 많은 수의 승객을 탑승시킬 수 있어야 하며 전체적으로 경량화를 달성하도록 하드웨어 설계가 이루어져야 항공기의 연료 효율이 최대로 높아지게 된다. 즉 항공기 전체중량에서 연료를 제외한 전체 승객 중량 및 카고 화물 비중이 높아야 경제성이 있을 수 있다. 이와 같이 비용을 부과할 수 있는 근거가 되는 하중을 유상하중(payload)이라한다.

 

대양을 횡단하는 수준의 장거리 비행이 가능한 민간 제트 항공기의 디자인 과정에 있어서 가급적 많은 수의 승객을 탑승시킬 수 있으면서 아울러 장거리 비행을 가능케 하기 위해서는 연료탱크 디자인이 너무나 중요하다. 중앙동체(fuselage) 내부의 공간에 연료탱크를 설치하고 모든 연료를 넣는다면 탑승 승객수가 현격히 줄어들 수밖에 없다. 따라서 연료를 수납할 수 있는 별도 공간이 필요하게 된다. 따라서 항공기 주익 날개 내부에 추가 연료를 넣을 수 있도록 통합설계를 해야 비행 중에 항공기 무게 중심이 거의 변하지 않으면서 승객 공간의 최대 확보가 가능해진다.

 

항공기 이착륙 시에는 낮은 속도로 인해 발생되는 양력이 충분치 못하기 때문에 주날개에 설치된 고양력 발생장치를 사용할 필요가 있다. 다음 그림에 표시된 이 고양력 발생장치는 플랩이라 한다.

 

항공기가 활주로에 착륙하여 주행하면서 활주 속도를 감속하기 위해서는 스포일러를 사용한다.

 

항공기의 비행 시 요구되는 기체 운동 제어를 위해 필요한 제어용 보조 날개들을 보여 주고 있다. aileron은 양쪽 주날개의 aileron을 서로 상반되게 세움으로서 항공기 선회 시 동체의 구름형 회전을 가능케 한다.

날개 끝 부분에 가까이 위치한 aileron을 위로 세우면 항력이 증가되면서 날개가 받는 양력이 감소하게 되며 반대편 날개의 aileron을 내리면 일종의 플랩 효과 처럼 날개가 받는 양력이 커지게 된다. 이와같이 동체를 중심으로 좌우 날개의 양력 차이가 커지게 되면 동체가 롤링 회전하게 된다. 이때 상승, 수평비행, 하강 여부는 여전히 승강타 조종에 달려 있게 된다.

 

승강타는 무게 중심과 공력 중심에 작용하는 양력과의 불균형을 적절히 해소 시켜 주어 기수의 상승 하강을 제어한다. 아울러 요잉 모멘트가 생성되었을 때나 주날개로 부터의 후류가 꼬리 날개에 영향을 미칠 경우 방향타를 조절하여 균형을 맞추게 된다. 반면에 플랩은 항공기 자세 조종을 위한 보조날개가 아닌 고양력 발생 장치이다.

 

그림은 항공기 비행 중에 조류 충돌로 발생할 수 있는 손상 부위별 사고발생 통계를 보여 주고 있다. 손상 가능한 부위는 항공기 기수, 레이돔, 윈실드, 너셀 하우징, 리딩엣지이며 아울러 후방 동체 와 empennage도 포함된다. FAR Part 25 에 의하면 4 파운드 조류와 충돌하고도 성공적으로 이륙할 수 있어야 한다.

이와 같이 조류충돌이 일어나는 부위는 항공기의 가혹하중을 견디어야 하는 주구조물은 아니지만  항력 감소를 위한 공기역학적 형상이 대단히 중요시 되는 부위이기때문에 철저히 경량화 관점에서 설계 제작되어야 한다.

일반적으로 리딩엣지의 경우 두랄루민 합금을 사용하여 설계 제작이 이루어지지만 보다 경량화를 위해서 복합재(composites) 로 대체할 경우  중량 절감이 가능해진다.

(세라믹 소재, 열가소성 수지, 목재, 엔지니어링 플라스틱)

 

항공기용 복합재 부품 제작에 사용되는 수지는 열경화성 수지로서 에폭시나 폴리에스터 수지를 사용하여 성형 준비 후 로에서 고온으로 curing 하여 제작한다.

 

사진은 항공기 주익 앞부분인 앞전 즉 리딩엣지가 조류충돌에 의해 손상된 모습을 보여주고 있다. 이 부분은 안전한 비행을 위해 조류충돌과 같은 충격이 주익에 가해지더라도 가급적 찢어지지 않고 튕겨낼 수 있도록 튼튼한 구조로 설계한다. 금속 재료를 사용할 경우에는 특별히 재료의 toughness 값이 높은 합금 재질을 사용하기도 하며 때로는 항공기 경량화 목표도 달성할 겸 FRP 재료로 제작하기도 한다.

 

 

항공기 구조에서 수직꼬리날개와 수평꼬리 날개 및 이들을 수용하는 전체 꼬리 동체 부분 조립체를 empennage 라 한다.

 

 

 

 

 

 

그림은 지금은 보잉에 흡수합병된 맥도널 더글러스사의 민간 제트 항공기 DC-10의 터보팬 엔진을 날개(윙)에 부착하는 방법을 보여주는 측면도이다. 날개(윙)구조의 두 지점에서 상당히 무거운 엔진 하중에 견딜 수 있도록 튼튼한 구조 설계가 이루어져야 한다. 이 엔진구조를 매달고 지탱할 수 있으며 날개와 결합되어야 하는 부위를 파일런이라 한다.

전투기의 경우에는 엔진 대신 미사일이나 연료탱크를 부착하기도 하며 hard points라고 부르기도 한다.

 

항공기의 Landing Gear는 이착륙시 지상 활주로부터의 충격력 및 진동을 견딜 수 있도록 항공기를 지탱시켜 주는 장치로서 대형 민간 항공기의 경우 접이식으로 비행 중에는 날개 속에 접어 넣어 공기 저항을 줄이는 역할을 한다.

 

 

 

 

 

참고: https://www.youtube.com/watch?v=fZUog2YEiY8

항공기의 고양력 발생 장치인 플랩에 대해서 알아보자. 그림에서 처럼 날개 하부에 튀어나온 3개의 페어링 속에 플랩을 전개할 수 있는 링크(linkage)가 들어 있다. track 이라함은 링크가 따라 움직일 수 있는 궤도를 의미하며 항공기에서 faring 은 장치나 하드웨어를 공기흐름으로부터 격리시킬 수 있는 유선형 하우징을 의미한다.

즉 페어링 속에 숨겨진 플랩의 linkage 를 고양력을 얻을 수 있도록 유압으로 작동시켜 track 을 따라 전게시켜 항공기 날개의 형상을 변화시킨다.