지난 19장에서는 항공기의 제작 및 시험에 대해 알아보았습니다. 19장의 내용을 요약하면 다음과 같습니다.
- 항공기 제작은 대량 생산이 불가능하기 때문에 수공업적 방식으로 제작되며 여기에는 제품의 정밀하고 균일한 치수 등을 확보하기 위한 치공구가 사용됩니다.
- 항공기는 그 복잡한 구조 때문에 흔히 여러 개의 분할된 부분을 조립하고 이를 볼트나 너트 등으로 결합하는 방식을 사용합니다. 조립을 위한 방법으로는 용접, 리벳팅, 브레이징, 납땜, 접착제를 이용하는 방법 등이 있지만 주로 리벳팅이 사용됩니다. 조립에 사용되는 리벳은 주로 A17S, A24S가 사용됩니다.
- 항공기는 설계하고 제작하여 실용화하기까지 많은 시험 평가가 있습니다. 여기에는 강도 시험, 모형 시험, 진동 시험, 피로 시험, 비행 시험 등이 있습니다. 강도 시험은 제한 하중 또는 극한 하중을 작용시켜 기체가 설계 강도를 실제로 갖고 있는지를 시험합니다. 진동 시험은 엔진 작동 및 헬리콥터 로터 회전에 의한 진동과 소음, 기체 구조의 고유 진동수 등을 측정하여 공진 특성을 조사하는 것입니다. 비행 시험은 시제기를 실제로 비행하면서 기체의 안정성 입증과 동시에 설계 예측 하중과 실제 작용 하중을 비교하여 다음 설계에 적용하기 위한 시험입니다.
20장에서는 항공기의 비행 하중 및 환경에 대해 알아보겠습니다.
항공기 구조를 해석하는 데는 힘에 의해 발생하는 기체의 변형을 예측하는 것이 매우 중요합니다. 항공기에 같은 힘이 가해진다 하더라도 작용되는 면적의 크기에 따라 그로 인한 변형의 크기가 전혀 다르게 나타나기 때문에 단순히 힘의 크기만으로는 구조에 미치는 영향을 결정할 수가 없습니다.
1. 힘과 에너지
외부로부터 항공기에 작용하는 힘을 외력이라고 하며 항공기 구조에 작용하는 하중은 일반적으로 양력, 항력, 중력, 추력의 네 종류로 나누어서 해석합니다.
양력은 주로 날개에서 발생하며, 항공기의 중량을 들어올리는 힘이 됩니다. 비행 중에는 이 힘에 의해서 날개가 위로 휘어지며 착륙 후에는 양력이 없고 중력만 남은 상태가 되기 때문에 날개는 아래로 휘어집니다. 양력이 동체에 전달될 때 날개 뿌리 부분에서 가장 큰 굽힘 모멘트가 발생합니다.
추력은 항공기를 앞으로 추진시키는 힘으로 항공기의 전진을 방해하는 항력과 반대 방향의 힘입니다. 추력의 원천은 추진 기관이므로 동체와 추진 기관을 결합하는 부분에 하중이 집중됩니다. 항력은 날개뿐만 아니라 항공기 동체에 골고루 작용합니다.
중력은 항공기 전체의 무게를 의미합니다. 중력을 흔히 무게 중심 위치에 집중되는 힘으로 표현하지만 실제 중력은 분산된 구조물과 모든 탑재 물체가 갖는 각각의 무게입니다. 중력의 방향은 항공기 자세와는 무관하게 지구 중심을 향합니다. 같은 중량이라도 항공기에 작용하는 외력은 비행 조건에 따라 달라집니다. 예를 들어, 상승이나 선회 비행을 할 때에는 중량보다 더 큰 양력이 필요합니다. 양력이 커지면 항력도 커지게 되므로 항공기가 전진하려면 추력도 증가해야 합니다. 상승이나 가속을 하지 않는 순항비행 중이라도 돌풍이나 불규칙 난류에 의해 갑자기 양력이 증가하는 경우도 있습니다. 이때는 항공기의 운동에도 영향을 주지만 항공기 구조에 국부적으로 갑자기 큰 힘이 작용하므로 큰 무리를 줄 수도 있습니다. 따라서 항공기 구조를 설계할 때 통상적인 비행 중에 발생하는 하중뿐만 아니라 예상되는 돌풍과 난류 조건도 고려해서 외력의 최대 크기인 제한 하중을 결정해야 합니다.
2. 항공기의 비행 하중
항공기에 작용하는 외력에 의해 구조물 내부에는 하중을 전달하기 위한 내력이 발생합니다. 외력에 따라 내력의 크기와 형태도 변하므로 이러한 하중의 변화에 대한 안전하게 견딜수 있도록 구조물을 설계해야 합니다. 일반적으로 구조물 각 부재에 작용하는 내력의 형태는 크게 인장력, 압축력, 전단력, 굽힘 모멘트, 비틀림으로 구분하며 항공기 구조 해석에서도 마찬가지로 적용됩니다.
인장력은 어떤 물체를 길이 방향으로 잡아당길 때 그 물체가 받는 내력으로 실제 항공기를 예로 들어보면 항공기가 프로펠러 추력에 의해 전진하게 될 때 동체 각부에 공기 저항은 뒤쪽으로 작용하므로 동체는 인장력을 받게 됩니다. 이처럼 축방향 인장력을 그것이 작용하는 단면적으로 나누어 수직 인장 응력이라고 합니다. 응력의 단위는 힘을 면적으로 나눈 것이므로 압력과 같이 다음과 같은 단위들로 표시됩니다.
인장력과 마찬가지로 축 방향 압축력은 방향이 반대이므로 수직 압축 응력의 부호는 음을 가집니다. 비행 중인 항공기에서의 추력은 뒤에서 앞으로 밀고 공기 저항은 뒤쪽으로 저지하기 때문에 동체 각부에 압축력이 작용합니다.
전단력은 인접한 단면을 옆으로 팽팽하게 서로 반대쪽으로 미는 힘입니다. 양력이 작용하는 날개와 중력이 작용하는 동체 사이 단면에 전단력이 작용합니다 보통 전단 응력 대신에 전단 흐름이라는 말을 많이 사용하는데 이는 전단 응력에 부재의 두께를 곱한 것입니다. 따라서 전단 흐름의 단위는 kg*중/cm, N/cm, lb/in 등으로 표시됩니다.
굽힘 모멘트는 보의 양 끝에서 축을 굽히는 모멘트입니다. 예를 들어 양력으로 인해 날개가 휘는 경우 중립축을 중심으로 상하 양쪽으로 같은 거리만큼 떨어진 지점에서의 응력은 서로 크기가 같고 그 부호만 반대가 됩니다. 즉, 비행 중인 경우 중립 축 위쪽 부분에는 음의 부호인 수직 압축 응력이 아랫부분에는 양의 부호인 수직 인장 응력이 발생합니다.
비틀림은 보의 양 끝에 서로 반대 방향으로 축을 돌리는 모멘트가 작용할 경우에 생깁니다. 수직 꼬리 날개에 작용하는 공력 하중에 의한 비틀림 모멘트로 인해 동체에 비틀림이 발생하여 날개에도 공기력에 의한 모멘트가 비틀림을 발생시킵니다. 비틀림이 작용할 때 가상의 인접한 두 단면이 미끄럼을 일으키므로 전단 응력이 작용하는 경우로 해석합니다.
항공기 구조에 많은 적용되는 플랜지-웨브 구조에서 전단력은 주로 웨브가 받고 굽힘 모멘트나 인장력, 압축력 등은 플랜지가 받습니다.