21장에서는 20장에 이어 비행 하중 및 환경에 대한 설명을 이어서 하겠습니다.
3. 하중 계수
항공기에 걸리는 외부 하중은 비행 중에 받는 공기력 및 관성력에 의한 것과 이착륙 동안 지면에서 받는 반력이 있습니다. 이 중 공기력은 이전에 설명했기 때문에 이번 장에서는 관성력에 대해서만 다루겠습니다.
항공기가 등속 수평 비행상태일 때는 양력과 중력, 추력과 항력이 서로 평형이기 때문에 관성력이 작용하지 않습니다. 하지만 양력이 증가하여 상승 비행을 하게 되면 관성력은 위 방향으로 가속됩니다. 상승 가속도의 크기는 양력에서 항공기의 자체 중량을 제외한 여분의 양력에 비례합니다.
항공기에 작용하는 하중을 등속 수평 비행 시의 양력으로 나눈 값을 하중 계수 또는 하중 배수라고 하며 n으로 표기합니다. 정상 비행 시에 하중 계수는 양의 값을 가지며 항공기가 배면 비행 상태일 때는 음의 값을 가지고 음의 하중 계수라고 합니다. 등속 수평 비행 시의 하중 계수의 값은 1이고 이 값이 1보다 커지면 상승 가속도는 (n-1)*g 가 됩니다. 항공기 설계 규정에는 안전을 위해 항공기 유형별로 하중 계수의 최대치를 정해 놓고 있는데 이것을 제한 하중 계수라고 합니다. 곡예기 유형인 A형의 제한 하중 계수는 6이고, 민간 항공기의 경우 3.5 이하 군용기의 경우 더 큰 값이 적용되며, 특히 전투기의 경우 7~14 정도의 큰 값을 가질 수도 있습니다. 보통 조종사가 신체적으로 견딜 수 있는 하중 계수는 최대 9g 수준입니다.
실제 항공기 구조를 설계할 때는 제한 하중 계수에 안전 계수를 곱한 값인 극한 하중 계수를 적용하는데 이러한 최대 하중 계수에서 파괴되지 않고 3초 이상 견딜 수 있도록 구조를 설계하고 시험을 통해 안전성을 입증해야 합니다.
항공기가 처음 개발되던 초기에는 안전 계수를 2까지 취하였으나 하중 추정, 구조 해석, 구조 시험 분야에서 개발된 여러 첨단 기술 덕분에 현재는 1.2~1.5까지 줄어들었습니다. 이 수치는 오늘날 항공기 구조 설계에서 일반적으로 적용되는 하중계수이며 주물, 회전축 금속 기구류, 케이블 등에 대해서는 별도의 안전 계수가 적용됩니다.
다음 그림과 같이 항공기의 비행 속도에 따른 하중 계수를 그래프로 나타낸 것을 V-n 선도라고 합니다. 이러한 V-n 선도는 같은 항공기라도 비행 고도에 따라 밀도가 다르고 공기 역학적 특성도 변하므로 고도마다 조금씩 다르게 그려집니다.
다음으로는 구조 분야의 주요 문제에 대해 다루도록 하겠습니다.
1. 좌굴 및 구조 안정성
항공기 구조의 상당 부분은 론저론과 스트링거와 같은 길이 방향 부재에 의해 보강된 얇은 두께의 웨브로 이루어집니다. 이러한 경우 론저론이나 스트링거는 길이 방향으로 수직 압축 하중을 받습니다. 이러한 수직 압축 하중을 받는 구조 부재를 기둥이라고 합니다. 이러한 기둥 구조 부재는 항복 응력보다 작은 응력에도 좌굴이 발생하여 파괴되는 경우가 발생합니다. 이처럼 기둥, 판, 쉘 등의 구조 부재가 좌굴이 발생하여 파괴되는 경우를 예측하고 방지하는 것이 매우 중요합니다.
좌굴에 의해 파괴가 발생하는 불안정 현상은 두 가지 형태로 나누어 고려합니다. 일차적인 불안정은 구조 부재의 모든 영역에 걸쳐 파괴가 발생하는데 이 경우 단면적인 변화는 발생하지 않습니다. 이차적인 불안정은 부분적인 파괴와 함께 단면적의 변화가 발생합니다. 이러한 경우를 국부 좌굴이라고 합니다. 기둥이 강하고 두꺼운 경우 일차적인 불안정이 발생하며 얇은 판의 경우 확은 보강된 판의 경우에는 이차적인 불안정이 발생합니다.
기둥의 좌굴에 대한 이론은 오일러에 의해 1744년 처음으로 수립되었습니다. 얇고 긴 기둥에서 양단의 구속 조건이 서로 다른 여러 가지 경우에 대해 오일러의 이론은 아직도 잘 적용되고 있습니다. 얇고 긴 기둥에 축 방향 압축 하중을 점차 중가 시켜 가면 기둥이 어느 방향으로 휘게 되는데 이를 좌굴 하중이라고 하며 처짐량은 좌굴에 따른 영향을 의미한다는 것입니다.
기둥 이외에 판이나 박판 구조 부재가 보강재에 의해 보강되어 외피 등으로 사용됩니다. 판의 구조적 불안정 현상은 네 번의 구속상태에 따라 변화합니다. 폭이 좁은 판재가 길이 방향으로만 압축력을 받고 다른 두 변이 아무런 구속이 없는 자유 경계변일 경우에는 기둥과 동일한 현상이 발생합니다. 그러나 이 경우에 자유 경계변을 지지하게 되면 판의 중심부를 향해 처짐이 발생하게 됩니다.
이러한 불안정 현상들은 탄성 영역과 비탄성 영역에서의 거동이 달라집니다. 보강재로 보강되는 경우에는 전체적인 좌굴이 발생하지 않는 경우에도 국부적으로 불안정한 상태가 되는 경우가 발생합니다. 또한 구조 부재의 안전을 위하여 좌굴 후에 작용하는 응력 상태도 확인해야 합니다.