항공기 기체의 명칭 및 기능(기체구조 형식)

안녕하세요, 다시맘N파입니다.

오늘은 두번째 시간으로서 항공기 기체의 명칭 및 기능(기체구조 형식)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 항공기 기체의 명칭 및 기능

항공기 기체는 동력 장치와 주요장비를 제외한 항공기의 골조 및 여러가지 계통을 말하는데요.

여기서 이해가 안되시면 안되요. 그냥 쉽게 생각하시면요

기체 = 동력장치, 주요장비를 제외한 모든 거 라고 생각하시면 쉽습니다.

 

항공기는 승객과 승무원 및 화물을 수용할 수 있는 공간이 마련되어 있어야 항공기로서의 용도를 다할 수 있어요

그러므로 항공기의 기체는 그 용도와 종류에 따라 차이는 있으나, 비행할 수 있는 요구조건을 만족할 수 있도록 그 구조와 형태가 결정되어야 해요

일반적으로 그림 1-6을 보면 동체, 날개, 꼬리날개, 나셀, 착륙장치로 구성되어 있어요

이제부터 하나씩 부분의 명칭과 그 기능에 대해 알아볼게요

쉽게 풀어나갈거니까 쉽게쉽게 따라오세요

 

(1) 동체

동체(Fuselage)는 날개와 꼬리날개, 동력장치, 착륙장치 등을 장착하는 항공기의 몸체로서, 승무원과 승객 및 화물을 싣는 공간이라고 생각하시면 되요

 

(2) 날개

날개(Wing)는 공기 역학적으로 항공기를 공중으로 들어 올리는 양력을 발생하며, 조종에 필요한 여러가지 장치가 날개에 부착되어 있어요

날개 안에는 연료탱크가 부착되어 있으니 잊어버리지 마세요

 

(3) 꼬리날개

꼬리날개(Tail Wing)는 동체의 꼬리 부분에 위치하여 수평 안정판과 승강키 및 수직 안정판과 방향키로 구성되어 있어요

항공기의 안전성과 조종성을 유지해 주는 부분은 꼭 숙지해야 합니다.

 

(4) 착륙장치

항공기의 착륙장치(Landirg Gear)는 항공기가 지상에 정지하고 있을 떄와 이륙 및 착륙을 할 때 항공기의 무게를 지지하며, 착륙할 때에는 동체에 전달되는 충격을 흡수하는 역할을 하져

 

(5) 엔진 마운트와 나셀

엔진 마운트(Engine Mount)는 엔진을 기체에 장착하는 지지부로서 ,엔진에서 발생한 추력을 기체에 전달하는데요

나셀(Nacelle)은 엔진의 작동에 필요한 모든 장치 계통을 말하죠

특히 유선형으로 엔진을 둘러싼 부분을 카울링(Cowling)이라 하며, 공기역학적 구조로 만들어집니다,

 

이번 (3)번에서는 항공기 기체의 명칭 및 기능에 대해서 알아봤는데요 

항공은 하나씩 알아가야 해요. 이해가 안되면 몇번이고 다시봐서 이해를 하고 넘어가야지. 그냥 책 한번 읽고 다시 읽으면 이해가겠지? 

절대 안됩니다. 이해가 갈때까지 몇번이고 읽어보시고 읽어보시고 하세요

[그림 1-6] 항공기 주요 명칭

2. 기체 구조 형식

항공기 기체의 구조부분은 1차 구조(Primary Structure)와 2차 구조(Secondary Structure)로 분류되며, 1차 구조는 항공기 기체의 중요한 하중을 담당하는 구조 부분으로 날개보(Spar), 리브(Rib), 외피(Skin), 벌크헤드(Bulkhead), 세로대(Longerlon), 프레임(Frame), 스트링거(Stringer) 등과 같은 부재들이 속합니다.

 

반면 2차 구조는 비교적 적은 하중을 담당하는 구조로서 2개의 날개보를 가지는 날개의 앞전, 객실의 선반이나 문고리 및 칸막이 등은 구조부재로 취급하지 않는 부재들이다.

 

기체구조형식의 정의에 대해 알아봤는데요. 결론은 1차 구조와 2차 구조를 이해하시고 난 후 그 형식에 따라서 아래와 같이 나뉠수 있어요. 천천히 보도록 합시다.

 

(1) 트러스 구조

송전탑이나 다리 등에서 볼 수 있는 구조로서, 초창기에는 보(Beam), 로드(Rod), 관(Tube), 철사(Wire), 강체(Rigid) 골격 구조를 구성하고 그 위에 천 외피를 씌운 구조 형식이다,

 

기체에 가해지는 하중은 트러스 구조만이 감당하고, 천 외피는 공기 역학적으로 외형을 유지해주며, 단지 공기력을 트러스구조에 전달하므로 기체에 작용하는 하중은 대부분 트러스가 담당하게 됩니다. 이게 여기서 핵심 포인트 입니다.

 

(2) 응력 외피형 구조(Stressed Skin Type)

트러스 구조와 같은 골격이 없어 기체에 작용하는 모든 하중을 외피가 담당하는 구조 형식이다. 기체 내부에 응력을 담당하기 위한 골격이 없으므로 내부 공간을 크게 마련할 수 있고, 외형을 유선형으로 하여 공기 저항을 최소화할 수 있는 장점은 있지만, 균열과 같은 작은 손상에도 전체 구조의 안전에 영향을 끼친다는 큰 단점이 있다.

 

(3) 여압(Pressurized) 구조

여압구조는 그림 1-7과 같이 일종의 세미모노코크(Semi - Monocoque) 구조가 발전된 형태로 고고도를 비행하는 대형 항공기에 적합한 구조형식입니다

객실 여압장치에 의한 객실 내부와 외부의 압력차(Differential Pressure), 금속의 피로파괴(Metal Fatigue Cycle)를 대비한 보강재가 세미모노코크 구조에 부가적으로 더 보강되었으며, 주로 다경로 하중구조와 페일 세이프 구조가 보강재로 사용된다.

 

여기서의 핵심포인트 '다경로 하중구조' '페일 세이프구조' 가 보강재로 사용된다는 것이에요

[그림 1-7] 객실 여압(Cabin Pressurization)

(4) 파손안전구조(Fail Safe Structure)

기체구조의 피로에 대한 강도는 제2차 세계대전까지의 항공기에서는 그다지 문제가 되는 경우는 없었어요

당시의 항공기는 보통 수년 밖에 사용되지 않았고 여압실도 없었기 때문이죠

하지만 1940년대부터 항공기가 실생활과 전쟁에서 사용되고 다년에 걸쳐 연간 수천 시간씩 비행하게 되면서 날개와 동체 구조의 피로파손에 의한 사고가 종종 일어납니다.. 항공기가 떨어진다니 상상만해도 무섭습니다.

 

1954년 세계 최초의 실용 제트 여객기인 코멧의 연속 추락사고가 여압동체의 피로파손에 의한 것으로 밝혀진 것이 강한 동기가 되었고, 1956년 수송기의 감항성 기준에 피로에 대한 요구가 확실하게 포함되어 Boeing 707, Dc-8등 초기의 제트 수송기부터 이에 의한 설계가 이루어졌어요

보잉은 미국유명한 항공사죠, 요즘 주가 200$ 정도 되더라구요

 

이때의 기준은 만약 파괴되면 치명적인 주요 구조는 다음의 안전수명구조 또는 파손안전구조의 어느쪽이든 적합 하도록 만들어야 한다는 것으로 보잉 747등의 시대까지 적용하게 된거에요

 

안전수명구조 란 안전수명(비행시간 또는 횟수)을 정해놓고 그 수명동안에는 피로균열이 아예 발생하지 않게 충분한 강도를 가지도록 하는 구조를 의미합니다

안전수명구조는 안전하고 우수한 방법으로 보이지만 실제로는 피로로 인한 균열이 발생하는 횟수는 같은 구조라 하더라도 제각각이고 어떤것은 언제가지나 균열이 발생하지 않는 반면 어떤 것은 빨리 균열이 발생하기도 하죠

안전수명구조로 했을 때는 한계사용시간 내에 예상되는 비행횟수의 3배 이상의 피로시험을 해서 안전성을 확인하는 것이 보통이에요

한계사용시간이 오면 아직 사용할 수 있을 것 같아 보여도 안전상 교환하지 않으면 안 되기 때문에 경제성이 떨어질것으로 판단됩니다.

 

파손안전구조 란 구조의 일부가 파손되어도 그것을 발견해서 수리할 때까지는 안전하게 날 수 있는 강도가 아직 남아 있도록 하는 구조입니다,

수송기 등에서는 착륙장치 등 일부를 제외하고는 파손안전구조를 사용합니다. 그러나 아무리 파손안전구조라고 해도 항상 여기저기 피로균열이 발생하는 것은 곤란합니다.

파손안전구조에서도 항공기가 퇴역하기까지 좀처럼 파손되지 않을 정도의 피로강도는 가지도록 하는 것이 보통이져

물체의 충돌 등으로 인한 피로 이외의 예상치 않은 손상에 대해서도 안전성이 좋타는 장점이 있어요

 

 - 다경로 구조(Redundant Structure)

이 방식에 의한 구조는 그럼 1-8(a)와 같이 많은 수의 부재로 되러 있으며 각각의 부재는 하중을 분담해서 담당하도록 설계된 구조이다,

하나의 부재가 파괴되더라도 다른 부재들이 분담하여 하중을 담당해 치명적인 사고를 예방할 수 있도록 설계된 구조 형식이다.

 

 - 이중 구조(Double Structure)

그림 1-8(b)와 같은 이중 구조는 1개의 큰 부재 A를 쓰는 대신 2개 이상의 작은 부재들을 결합해서 1개의 큰 부재와 같거나 그 이상의 강도를 담당하도록 하는 구조이다. 이중 구조는 균열이 부재에 발생하는 경우, 결합 면에 의해 균열이 저지되어 전체 부재로 균열이 전파되지 않기 때문에 오랜 시간동안 원래 강도를 유지할수 있게 되는것이다.

 

 - 대치 구조(Back-up Structure)

대치 구조는 그림 1-8(c)와 같이 규정된 하중은 모두 좌측 부재에서 담당하고 우측 부재는 예비부재로 보통 하중을 담당하지 않고 있다가 하중을 담당하는 부재가 파괴 된 후에 예비부재가 대신하여 전체하중을 담당하도록 설계된 구조 형식이다,

[그림 1-8] 페일 세이프(Fail Safe) 구조 방식

 - 하중 경감 구조(Load Dropping Structure)

하중 경감 구조는 그림 1-8(d)와 같이 딱딱한 보강재를 댄 구조방식으로써 보강재가 감당할 수 있는 이상의 하중을 분담할 수 있다. 하중을 담당하는 주 부재에 균열이 발생하면 주 부재가 담당하던 하중이 보강재로 이동하여 균열이 주부재 전체에 미치는 것을 방지하여 구조의 치명적 파괴를 방지할 수 있도록 설계된 구조형식이다.

 

(5) 손상 허용 설계(Damage Tolerance Design)

군용기에서는 미공군의 경우 이전에는 안전수명만 요구하였고 파손안전을 요구하지 않았다.

F-11의 사고나 C-5의 피로문제로 재평가가 행해져 1972년에는 구조의 손상 허용성(Damage Tolerance)을 요구하게 되었고 새로운 군용기에 적용하게 되었다.

한편 민항기에서도 그때까지의 파손 안전기준에는 피로파손 후의 잔류강도에 대한 요구만이 있었다.

1970년대 후반 이러한 손상 허용성을 고려하여 수송기의 기준을 개정하게 된 이유는 무엇일까요

파손안전요구를 만족시키기 위해서는 발생한 균열이 성장해서 잔류강도가 부족하지 않은 동안에 수리를 해야만 하기 때문에 파손이 발견되기 쉬워야 하며 발견과 수리가 안전한 가운데 이루어질 수 있도록 검사주기의 설정도 필요로 합니다.

 

이 개념은 항공기의 운용시간(Operational Life) 동안 중대한 피로 균열, 부식 또는 일시적인 손상이 발생하더라도 그 손상이 탐지될 때까지 기체 구조는 파손이나 과도한 변형없이 하중을 견딜 수 있도록 보증하는 것이다. 따라서 손상 상태가 치명적 크기로 진전되기 전에 발견될 수 있는 주기적 점검을 요하는 정비방식과 연계되어 있어요

[그림 1-9] 손상허용구조의 개념

(6) 샌드위치 구조

그림 1-11은 2개의 외판 사이에 벌집(Honeycomb)형, 거품(Foam)형, 파(Wave)형 등의 심(Core)을 넣고 고착시켜 샌드위치 모양으로 만든 구조형식이다.

항공기의 전체적인 구조 형식은 아니지만, 날개, 꼬리날개, 조종면 등의 일부분에 많이 사용되고 있다. 샌드위치 구조는 응력 외피 구조보다 강도와 강성을 크게 하면서 무게를 가볍게 하고 국부적인 굽힘 응력이나 피로에 강하다.

따라서 이 구조는 같은 강도 및 강성에 대하여 항공기의 무게를 감소시킬 수 있는 장점을 갖고 있어요.

[그림 1-11] 샌드위치 구조의 종류

여기까지 이해하셨다면 항공기 기체는 지금 70%는 이해하신겁니다. 조바심 가지지 마시고 천천히 정독하셔서 이해하시고 지식을 습득하십시요.