1. 개요
항공기의 구조는 이륙, 상승, 순항, 기동, 돌풍, 착륙 등의 모든 환경에서 여러 종류의 하중에 대해 안전하게 견딜 수 있어야 합니다. 또한 우주 발사체, 미사일, 인공위성 등을 모든 환경 조건에 견디면서 안전하게 목표 위치까지 운반하기 위해서는 최소한의 중량과 적절한 강도를 가져야 합니다.
이러한 항공우주 비행체의 구조는 가급적 가벼워야 하며 사용 중에 걸리는 다양한 하중 조건을 충분히 견뎌내야 한다는 두 가지의 상충되는 조건을 만족시켜야만 합니다. 즉, 무게 감소에만 중점을 두어 설계하게 되면 강도가 저하되고, 반대로 강도에만 중점을 두어도 중량이 너무 무거워져 비행성능의 저하로 이어지게 됩니다. 또한 안정성을 높이기 위한 적절한 진동수를 가져야 할 필요성도 있습니다.
항공기나 발사체 및 위성체의 연료 비용을 절감하기 위해서는 무게와 항력을 최소로 할 필요가 있습니다. 따라서 항공기가 개발된 이래 지속적으로 가벼우며 강한 항공우주용 첨단 소재를 개발해왔으며, 항력을 줄이기 위한 최적의 형상을 만들기 위한 공정 개발도 발전하여 타 분야 산업에까지 지대한 파급 효과를 가져왔습니다. 아울러 개발 및 제작 비용의 절감을 위한 원자재를 비롯한 제작 공정의 최적화 역시 오늘날까지 연구되고 있습니다.
항공우주 비행체의 구조 설계에서 고려할 사항과 해석의 주요 내용으로는 중량, 안정성, 하중 해석, 소성 변형 해석, 응력 해석, 구조 동역학 해석, 공탄성 해석, 피로 파괴 해석, 음향 해석, 치공구, 표면 처리, 수많은 부재들의 조립 연결 등이 있습니다.
17장 부터는 항공기와 우주 비행체 구조를 분할하여 먼저 항공기 구조에 대해서 다루고 이후에 우주 비행체의 구조에 대해 다루도록 하겠습니다. 그리고 17장에서는 구조 설계 및 구조 해석에 대해 알아보겠습니다.
2. 구조 설계
구조 설계의 절차로는 먼저 사용자에게 설계 요구 조건을 받고 이것으로부터 설계를 위한 규격을 만들고 하중 해석을 수행하여 작용 하중을 산출한 다음 설계를 수행합니다. 그다음 기본 설계, 예비 설계, 상세 설계 단계를 거치면서 설계를 확정하며 이 과정에서 필요한 경우 검증 모델을 만들어 시험을 수행합니다.
기본 설계 단계에서는 그 동안의 경험 등에 기초하여 개략적인 형상을 정하고 구성품을 배치합니다. 항공 역학과 경험치, 실험식 등을 이용하여 무게를 측정하고 대안 분석을 통해 날개, 동체, 꼬리 날개, 조종면 등에 대한 형상 등을 정합니다.
예비 설계 단계에서는 개략적으로 정해진 치수 등에 대해 설계 변수를 변화시켜 가면서 성능과 개발 비용을 검토합니다. 이때 풍동 시험 등을 수행하며 주요 구조 부재에 대한 응력, 변형, 피로, 플러터 등에 대한 해석을 수행하여 도면을 작성합니다. 무게 측정과 성능도 예측하게 되며 불확실성을 배제하기 위한 검증 모델의 제작과 시험도 수행합니다. 치공구와 공정 개발에 대한 계획도 수립합니다.
상세 설계 단계에서는 도면을 가지고 세부적인 구조 설계와 관련 장비에 대한 설계가 모두 이루어집니다. 전체 구조 부재에 대해 치수, 재료, 제작 방법 등이 표기된 도면이 완성되며 전기, 유압, 조종 계통 등에 대한 내용이 결정됩니다. 이 단계에서는 최종적으로 각각의 구조 부재에 대한 안전 여유가 모두 제시됩니다.
3. 구조 해석
구조체를 개발할 때 필요한 요구 조건은 기본적으로 작용 하중, 사용 수명과 아울러 구조적 안정성 등이 있습니다. 구조 해석이란 구조체가 가져야 할 요구 조건을 모두 충족하는 구조체를 만들어내는 일로, 각각의 요구 조건에 따라 해석을 수행하고 그 결과를 구조 설계에 반영하여 도면을 완성하는 것입니다.
구조 해석의 내용에는 하중 해석, 공탄성 해석, 응력 해석, 피로 및 파괴 해석 등이 있습니다. 17장에서는 앞서 말한 4가지에 대해 알아보겠습니다.
먼저 하중 해석은 항공기 구조 해석을 수행하기 위해 구조 부재에 작용하는 외부 하중을 구하는 것으로 그동안의 경험과 시험 결과 등을 토대로 비행 단계에 따른 하중을 정의하여 응력 해석, 피로 및 파괴 해석 등에 적용할 수 있도록 합니다. 여기에는 중력, 공기 역학적 힘, 항력, 양력, 추력 등이 하중이 반영됩니다.
공탄성 해석은 항공기 구조의 전체와 구조 부재들에 대한 진동 특성을 파악하는 것으로 플러터, 공탄성 등에 의해 항공기에 발생할 수 있는 불안정 현상을 방지하고 구조 설계를 위한 기준을 제시합니다.
응력 해석은 하중 해석에 의해 제시된 하중을 구조체에 적용하여 각각의 구조 부재에 작용하는 응력을 구해, 파손 형태에 따라 허용할 수 있는 응력보다 작은지의 여부를 판단하는 것입니다. 여기에는 안전 여유라는 것이 적용되는데 안전 여유란 허용 응력을 작용 응력으로 나눈 값에서 1을 뺀 값으로 항상 0보다 커야 합니다. 이때 불확실성 등을 고려하여 안전 계수를 작용 응력에 곱하여 계산합니다. 혀용 응력은 정적 상태의 강도, 좌굴 현상, 피로 수명, 강성 등에 의해 정해집니다.
피로 및 파괴 해석은 구조체가 목표로 하는 사용 기간에 겪게 되는 지속적인 하중 부가를 고려하여 견딜 수 있는 구조 부재를 제시하는 것입니다. 또한 구조 부재에 존재하게 되는 결함 등을 평가하여 사용 중 수리 혹은 정비가 필요한 경우 그 주기를 제시합니다.