2020. 12. 18. 12:16ㆍ항공
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항공기 동체 / 날개 구조
안녕하세요 다시맘N파입니다.
세번째 시간으로 항공기 동체 / 날개 구조에 대해 알아보도록 하겠습니다.
1. 동체 구조에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
항공기의 동체는 날개(Wing), 동력장치(Engine), 착륙장치(Landing Gear), 미부동체(Empennage) 및 각종 부품류(Components)가 장착되는 몸체로서 승객, 승무원, 화물을 실을 수 있어야 하며 여러가지 복합하중을 받으므로 충분한 강도를 가져야 합니다.
동체의 모양과 구조는 비행기의 용도와 종류에 따라 다르나, 일반적으로 대형 여객기는 동체를 앞부분, 중앙 부분, 뒷부분으로 구분하는데요.
동체의 구조 형식에 따라 트러스 구조형식 동체와 응력 외피 구조형식 동체로 구분하며, 또 응력 외피 구조형식 동체는 모노코크 구조와 세미모노코크 구조로 구분됩니다.
따라서 항공기 동체의 구조는 최대 강도와 최소 무게가 요구되고 있습니다.
(1) 트러스 구조형식 동체
트러스 구조형식 동체는 그림 1-1와 같이 강관이나 봉 등과 같은 여러 개의 부재로 트러스 구조를 만든 다음에 그 위에 외피인 우포나 얇은 금속판을 씌웁니다.
기체 구조에 작용하는 모든 힘은 강관이나 봉 등과 같은 부재가 담당하며, 외피는 공기력을 트러스 구조에 전달하는 역할 만을 한다. 강관을 용접한 동체가 가장 많이 사용되며, 이때 사용되는 강관의 재료는 용접성이 좋은 저탄소강이나 니켈-크롬-몰리브덴강 등을 사용합니다.
그림 1-2은 같은 트러스 구조는 설계와 제작이 용이하고 비용이 적게 소요되지만 내부 공간 마련이 어렵고 외형이 유연하지 못해 대부분 초창기 경비행기의 동체 및 날개에 적용 되었고 지금은 사용되지 않고 있으며, 프렛형(Pratt)형과 워렌(Warren)형이 있다.
프렛형(Pratt)형 : 수직부재가 압축하중을 대각부재는 주로 인장하중을 담당하는 구조로 주로 우포 항공기(Fabric Covered Aircraft) 날개에 적용하였다
워렌(Warren)형 : 수직부재 없이 대각부재가 압축 및 인장하중 모두 감당하는 구조로 내부 공간 확보가 용이하여 용접 강철 트러스 동체에 주로 적용하였다.
(2) 응력 외피 구조형식 동체
응력 외피형 구조는 트러스 형과는 달리 공기 역학적으로 효율적인 유선형의 얇은 판을 접합시킨 구조 형태로 외피(Skin)도 항공기에 작용하는 하중을 일부 감당하는 구조이며 내부에 트러스가 없으므로 공간 확보가 쉽고 외형을 유선형으로 하여 공기 저항을 최소화 할 수 있어 항력이 작다는 장점이 있어요.
그림 1-3을 보시면 모노코크 구조 형식과 세미모노코크 구조형식이 있으나, 오늘날 대부분 세미모노코크 구조형식 동체가 사용된다고 하니 참고하세요.
모노코크 구조형식은 그림 1-3와 같이 정형재(Former), 벌크헤드(Bulkhead)에 의해 동체 형태가 이뤄집니다.
비교적 두꺼운 외피는 대부분의 하중을 담당하게 되는데요
이때 정형재는 주요 하중을 담당하지 않고 형태만을 유지시켜 주는 역할을 합니다.
외피가 두꺼워 구조의 무게에 대한 강도가 작으면 구조의 무게에 대한 강도를 크게 하기 위해 외피의 두께를 얇게 하면 압축하중에 의한 좌굴 현상이 발생하게 되는거죠
그러므로 항공기 동체 구조로는 적합하지 못하고 미사일 구조 등에 사용하게 되는겁니다. 이해하셨죠?
세미모노코크 구조형식 동체는 그림 1-3와 같이 모노코크 구조형식 동체 구조에 프레임(Frame), 세로대(Longeron), 스트링어(Stringer)등을 보강하여 그 위에 외피를 얇게 입힌 구조인데요
모노코크 구조 형식 동체에 비해 외피가 얇지만 동체의 길이방향으로 세로대와 스트링어가 보강되었기 때문에 압축 하중에 의한 좌굴문제가 없고, 기체의 무게를 감소시켜 무게당 높은 강도를 유지할 수 있어 대부부의 항공기는 이 형식을 사용하고 있어요.
벌크헤드는 동체의 앞뒤에 하나씩 있는데, 이것은 여압식 동체여서 공기 압력을 유지하기 위하여 밀폐하는 격벽판으로 사용되요
또한 동체 중간의 필요한 부분에 링과 같은 형식으로 배치되어 날개, 착륙장치 등의 장착부로 사용되기도 합니다.
스트링어는 세로대에 비해 단면적이 적어 무게가 가볍고 동체의 형태에 맞춰 표피를 부탁하게 되는데 사용되고 강성을 위해 성형 또는 압출에 의해 제작됩니다.
정형재, 프레임, 링 등도 역시 합금판으로 성형하여 조립하며, 축 방향의 힘과 굽힘모멘트에 견딜 수 있도록 되어 있다.
2. 날개 구조에 대해 알아보도록 하겠습니다.
그림 1-4 와 같은 항공기의 날개는 동체에 부착되어 비행중 발생하는 양력과 항력에 의한 공기력을 발생하게 되며, 동력장치와 착륙장치를 지지하는 구조물로 여러가지 하중이 동시에 작용하는 복합하중을 담당하게 됩니다.
날개의 구조는 비행중 양력에 의한 굽힘 모멘트하중이 윗 방향으로 작용하며, 지상에 주기하고 있을 때는 날개자체 무게와 엔진의 무게 및 연료 무게 등에 의해 아래 방향으로 굽힘 모멘트 하중을 받게되죠
비행중일 때는 항력에 의해 후방으로 굽힘 하중을 받고, 실제로 날개 길이방향으로 배열된 날개단면의 공력중심의 위치가 무게 중심과 다르기 때문에 비틀림 모멘트를 받게되는 겁니다.
실제로 날개 길이방향으로 배열된 날개단면의 공력중심의 위치가 무게중심과 다르기 때문에 비틀림 모멘트를 받게 되는겁니다.
1)날개 구조의 형식
날개를 구성하는 주요 구성 부재는 날개 보(spar), 리브(Rib), 스트링어, 정형재 및 외피등이다.
날개 길이 방향으로 배치된 날개 보(spar : Wing Beam)를 놓고, 이것에 직각으로 날개단면(Airfoil)의 형태를 만들기 위한 리브를 배치한 다음 그 위에 외피를 씌우면 됩니다.
* 트러스 구조형식
날개보와 리브가 그림 1-5와 같이 트러스 구조형식으로 되어 있는데 그위에 얇은 금속판이나 우포를 씌운것이다.
날개보와 리브를 고정하는데 그림 1-5와 같이 대각선으로 금속 와이어를 사용하여 고장한다.
트러스 구조형식 날개는 주로 소형항공기에 사용한다는것을 잊지 마세요
* 응력 외피 구조형식
응력외피 구조의 날개는 다중날개보, 리브, 스트링어로 구성된 세미모노코크 구조로서 고강도의 알루미늄 합금 외피를 씌웁니다
일반적으로 날개보는 2~3개가 사용되며, 날개보와 외피에 의해 그림1-6과 같이 사각형 상자 구조를 구성하게 된다.
리브의 주위에 압축하중에 의한 좌굴을 방지하기 위해 적당한 간격으로 스트링어를 배치하는걸 잊지마세요.
2) 날개의 주요 구조 부재
날개의 주요 구조 부재는 날개보(Spar), 리브(Rib), 스티링어(Strimger) 및 응력 외피(Skin)로 구성된다.
날개보의 구조는 그림 그림1-7과 같이 날개에 작용하는 하중의 대부분을 담당하며 트리스형 및 1형으로 되어 있는데요
날개보에 작용하는 주요 하중은 굽힘에 의한 하중(굽힘 모멘트)과 비틀림에 의한 하중이된다
비행중에는 날개보가 위로 휘어지게 하는 굽힘 모멘트가 작용하므로 날개보의 윗면 플랜지에는 압축력이 싱기고 밑면 플랜지에는 인장력이 생기며, 웨브에는 전단력이 생기게 되니 기억하세요
리브는 그림 1-8와 같이 날개의 단면이 공기 역학적인 날개 단면의 외형을 유지하도록 날개의 윤곽을 만들어 주며, 날개 욒에 작용하는 하중을 날개 보에 전달하는데요
스트링어는 날개의 굽힘 강도를 증가시키고 비틀림 하중을 감당하기 위해 날개 길이 방향으로 적당한 간격으로 리브 둘레에 배치되는 보강재이다
스트링어의 단면의 형태는 보통 L형 Z형 M형 등이 사용되니 기억하세요.
