항공기에 작용하는 힘(기체의 개요)

항공기에 작용하는 힘(기체의 개요)

2020. 12. 17. 00:07ㆍ항공

안녕하세요. 다시맘N파입니다.

오늘은 첫번째 시간으로서 기체의 개요 및 항공기에 작용하는 힘에 대해 알아보도록 하겠습니다.

항공(Aviation) 의 정의

- 항공기를 이용하여 여객 및 화물을 운송하는 수송행위

1. 기체의 개요

하늘을 날고자 하는 인류의 꿈은 15세기 이탈리아의 예술가이고, 과학자이며, 또한 기술자인 레오나르도 다빈치에 의해 시작되었어요.

그는 새의 비행을 관찰하고 과학적 비행원리에 근거한 날개치기 날개에 의한 비행장치와 나사의 원리를 이용한 회전익 항공기 및 낙하산 등을 고안한 것처럼 여러 방면에서 활공기와 동력비행기들에 대한 연구가 계속되었고, 오늘날 첨단 항공기로 개발되기에 이르렀죠.

항공기 구조의 주요 부분은 크게 기체, 동력장치, 전기전자장치로 구분되는데요.

항공기 기체는 날개가 달린 유선형의 물체로 양력 발생과 승객 및 화물을 적재하는 역할을 해요

항공기 동력장치(엔진)는 기체를 앞으로 전진시키는 추력에 의해 날개에 양력을 발생시켜 비행을 가능하게 하는 역할을 하죠.

전기전자장치는 항공기가 목표지점에 정확하고 안전하게 비행하도록 항공기를 조종, 통제, 확인하는데 필요한 장치들을 말합니다.

항공에 조금이라도 관심이 있으시다면 여기까지 이해하시는데는 크게 무리가 없을거에요.

항공기 기체는 그림 1-1에서 보듯이 동력장치와 전기전자장치를 제외한 모든 구조 부분을 말한다

고정익 항공기(Fixed Wing Aircraft)의 기체는 일반적인 구성 요소인 동체(Fuselage), 날개(Wing), 꼬리날개(Empennage), 조종장치(Control Surface), 착륙장치(Landing Gear) 그리고 엔진마운트와 낫셀(Engine Mount & Nacelle)로 구성되어 있다.

회전익 항공기(Helicopter)의 기체도 동체(Fuselage), 회전날개(Main Rotor), 기어박스(Gear Box), 꼬리 회전날개(Tail Rotor)와 착륙장치(Landing Gear)로 구성되어 있으며 회전날개(Main Rotor)가 양력 및 추진력을 동시에 담당하게 되죠

항공기의 구성품은 구조 부재(Structural Member)라고 하는 스트링거(Stringer), 세로대(Longeron), 벌크헤드(Bulkhead), 리브(Rib) 등의 여러가지 부재들로 구성되어 있다.

이들은 기체에 가해지는 하중(Load)를 담당하거나, 응력(Stress)에 견디도록 설계되며, 단일구조 부재(Single Member of the Structure)라도 여러 다른 응력의 조합(Combination of Stress)에 견딜 수 있어야 한다.

2. 항공기에 작용하는 힘

1) 항공기에 가해지는 하중(Load)

하중이란 외부에서 물체에 가해지는 힘을 하중(Load)이라 하며, 항공기 기체에는 비행중이거나 지상에 착륙되어 있을 때 여러가지 힘들이 복합적으로 작용한다.

항공기에 작용하는 하중에는 기체와 탑재물의 무게(Weight)에 의한 중력(Gravity), 공기력(Aerodynamic Forces : 양력 및 항력), 관성력(Inertial Forces), 가속력(Acceleration Forces), 착륙시 지면의 반력인 충격력(Impulsive Forces) 등이 있다.

* 양력(Lift) : 항공기 수직 상방으로 작용하는 공기력의 합성 성분

* 무게(Weight) : 항공기 수직 상방으로 작용하는 기체/탑재물의 중량

* 추력(Thrust) : 항공기 진행 방향으로 작용하는 추진력

* 항력(Drag) : 항공기 진행 역방향으로 작용하는 공기력 합성 성분

* C.G(Center of Gravity) : 항공기 무게중심

* A.C(Aerodynamic Center) : 항공기에 작용하는 공기력 중심

항공기가 지상에 정지된 경우 또는 동일 고도에서 등속비행(가속도가 작용하지 않음)을 할 때는 가속력과 관성력은 유발되지 않아요

항공기에 작용하는 공기력은 조종 상황과 주위의 기류 및 고도에 따라 달라지며, 추력은 엔진의 작동상태에 따라, 항공기 무게는 연료의 소모, 여객/화물의 변동에 따라 변화하게 됩니다.

따라서 하중과 응력의 계산은 구조적인 제한범위를 결정하기 위해 각 부재에 작용하는 힘을 계산하여 극한 하중 조건을 설정하고, 다양한 경험과 연구 실험을 거듭하여 얻어진 결과에 의해 기체 주요부분에 대한 응력과 재료의 조건을 결정하는 것입니다.

그림 1-2와 같이 항공기에 가해지는 하중을 간략히 나타낼 수 있어요

그림 1-2보시면서 이해하시면 확실히 도움되실겁니다.

2) 응력(Stress)

재료역학은 가해진 하중에 대하여 각 부재의 강도를 평가하고 변형을 예측하는 학문이므로 부재의 강도와 변형정도를 정량적으로 나타내 주는 척도를 필요로 합니다

부재의 강도를 주어진 하중에 대하여 발생하는 내력으로 평가하기에는 부적절한데요

왜냐하면 재료에 발생하는 내력이 같을지라도, 그림 1-3과 같이 단면적에 따라 늘어나는 길이가 달라진다는 것을 체험할 수 있어요

이러한 현상은 내력으로는 강도평가가 부적절하고, 도리어 단위면적당의 내력으로 평가하는 것이 바람직하다는 것을 말해준다.

그리하여 단위면적당 발생하는 내력의 크기를 응력(Stress)이라 정의하고 재료강도의 평가척도로 삼고 있으며, 응력의 차원은 단위면적당의 힘, 단위는 N / m2 = P a (pascal)을 사용한다.

* 응력 = 힘 / 면적 (Stress = Force / Area)

항공기에 작용하는 응력은 그림 1-4와 같이 압축(Compression), 인장(Tension), 비틀림(Torsion), 전단(Shear), 굽힘(Bending)의 5가지로 분류할수 있는데요

압축(Compression)은 압력에 의해 가해지는 응력으로 항공기 착륙장치는 항공기가 지상에 계류 시 자중에 의한 압축응력을 받게 됩니다.

인장(Tension)은 힘을 가하여 구조 부재를 잡아당길 때 걸리는 응력으로 2개 부품을 볼트(Bolt)의 인장응력을 이용하여 고정한다.

비틀림(Torsion)은 구조 부재의 양끝에 비틀림 모멘트(Twisting Moment)가 작용하는 경우에 물체 내부에 발생하는 응력으로 힘이 걸리는 회전축의 내부에는 비틀림 응력이 발생하며 물체의 중심축에서는 0이고 중심축으로부터 거리가 멀어지면 응력도 커지게 됩니다.

전단(Shear)은 2개의 판재를 리벳(Rivet)이나 볼트(Bolt)로 체결하고 판재에 인장력을 가했을때 리벳 또는 볼트의 내부 단면에 서로 반대방향의 힘이 작용하여 발생하는 응력이다

굽힘(Bending)은 판재가 굽힘 하중을 받을 때 중심선(Imaginary Line)위로는 인장 응력, 아래로는 압축응력이 동시에 발생하며 이로 인해 중심선을 경계로 전단응력이 발생하는 복합 응력(Combination Stress)이다.

3) 비행 중 구조 하중

기본 비행 하중은 추력(Thrust), 항력(Drag), 양력(Lift), 무게(Weight), 돌풍(Gust), 바람(Wind), 여압(Cabin Pressure) 등이며 선회, 가속 및 감속에 따른 관성력은 가속력과 원심력이 발생한다.

(1) 양력은 날개와 꼬리날개에서 불균등 분포 하중형태로 발생하여 날개와 동체 결합부분에 인장, 압축, 굽힘, 전단, 비틀림, 응력을 유발한다.

(2) 항력은 기체 각 부분에서 공기력에 의해 발생되는 불균등 분포 하중으로서 기체 결합부에 집중 하중으로 작용한다.

(3) 무게는 각 구조부분의 전체 하중으로 각 구조부분의 개별 하중으로도 작용하며, 비행 중 하중으로는 무게중심에 집중하는 집중하중으로 계산하되 항공기의 균형을 잡기위해서는 주어진 한계 안에 있어야 한다.

(4) 객실여압(Cabin Pressurization)은 동체 외피에 워주 방향의 힘으로 작용하여 전단흐름(Shear Flow : 단위길이당 작용하는 전단력)을 유발하여 동체를 파괴할 수 있는 워핑현상(Warping : 비틀림 모멘트에 의해 단면이 찌그러지는 현상), 좌굴현상(Buckling : 단면에 비해 길이가 긴 부재가 압축력을 받을 때 부재가 휘어지는 현상), Oil Canning 현상(석유통 등 박판 판금 제품의 곡률이 작은 면의 볼록한 부분을 누르면 튀어 나온 부분이 들어가고 대신 반대쪽이 볼록하게 튀어 나오는 경우가 있다. 또 평면 부분의 판이 지나치게 커서 요철이 관찰되는 경우도 있다. 이와 같은 판금 제품의 불량 현상의 하나를 말한다) 등을 발생하게 한다.

(5) 크리프(Creep) 응력은 일정 응력상태(힘이 변화하지 않을 때)에서 온도와 시간의 변화에 따른 변형률(늘어난 길이 : Strain)의 변화를 일으킨다