21장, 22장에 걸쳐 우리는 항공기 구조 분야의 주요 문제로서 좌굴과 구조의 안정성, 구조 진동 및 공력 탄성, 재료의 피로 및 파괴 등에 대해 알아보았습니다. 23장부터는 항공기의 구조 특성에 대해 알아보도록 하겠습니다.
항공기의 일반적인 구조 형식으로는 트러스 구조, 응력 외피 구조 및 샌드위치 구조 등이 있습니다. 또 항공기는 페일 세이프라고 해서 항공기의 구조 부재들 중 어느 하나가 손상을 입은 경우에도 이것이 항공기 전체 사고로 연결되는 것을 막는 방식의 구조 설계 기법도 적용하고 있습니다. 이번장에서는 날개의 구조들의 대표적인 형태와 특징에 대해 알아보도록 하겠습니다.
1. 기본 구조 형식
항공기 구조 형식에는 앞에서 기술했듯이 트러스 구조, 응력 외피 구조, 샌드위치 구조 등이 있으며 이들은 하중의 크기 및 용도에 따라 사용합니다.
트러스 구조는 목재 또는 철관으로 트러스를 만들고 여기에 천이나 얇은 금속판 외피를 씌우는 구조 형식입니다. 트러스 구조의 항공기에 작용하는 하중은 트러스만 받고 외피는 단지 공기력을 전달하는 역할만 하게 됩니다. 제작비용이 적기 때문에 소형기에 많이 사용됩니다.
응력 외피 구조는 구조체를 구성하는 골조뿐만 아니라 외피도 하중의 일부를 담당하게 하는 구조 형식입니다. 구조체 중량에 비해 강도가 큰 것이 장점이며, 골조와 외피를 완전히 일체로 만드는 모노코크 구조 형식과 골조와 외피를 따로 만들어 조립하지만 외피도 응력을 지탱하도록 만든 세미 모노코크 구조 형식으로 나누어집니다.
샌드위치 구조는 외판, 심재 및 두 부재 사이를 접착제로 결합시킨 구조로, 외판은 면내방향의 인장과 압축 하중을 받고 심재는 전단 응력과 외판에 수직방향의 압축 하중을 지탱하여 외판의 좌굴과 구겨짐 현상을 방지하는 역할을 합니다. 접착제는 외판과 심재가 완전히 붙어서 하중이 적절히 전달되도록 합니다. 샌드위치 구조는 단위면적당 강도가 높고 반복 하중에 강하며 열이나 소음 등의 차단성능도 우수하며 중량도 가벼워 항공기와 우주 비행체 등에 많이 사용합니다. 샌드위치 구조의 종류는 심재의 종류에 따라 거품형, 발사형, 허니콤형, 파동형 등으로 나눌 수 있습니다.
2. 날개
항공기가 비행하는데 필요한 양력은 거의 대부분 날개에서 발생하기 때문에 날개의 외형은 최대 양향비를 얻을 목적으로 날씬한 익형을 갖습니다. 날개를 구성하는 주요 부재로는 날개 보, 리브, 스트링거, 외피 등이 있습니다. 일반적으로 대형 항공기의 날개는 안쪽 날개, 바깥 날개, 날개 끝 등으로 나눠며 이들은 보통 볼트로 서로 연결됩니다. 날개 안쪽에는 연료를 넣을 수 있는 연료 탱크가 있으며, 엔진을 설치하는 부분인 나셀, 외부 부착물은 연결하는 파일론, 에일러론, 스포일러, 스피드 브레이크, 고양력 장치, 방빙 장치, 착륙 장치, 항행 등 등이 외부에 부착됩니다.
따라서 날개의 구조는 일반적으로 대단히 복잡하며, 날개에는 고도의 안전성과 신뢰성 확보를 위해 앞서 설명한 트러스, 응력 외피 및 샌드위치 구조 형식이 모두 사용됩니다. 날개는 대부분 두 개의 보를 가지고 있으며 이것이 전단 응력, 굽힘 및 비틀림 모멘트를 주로 담당하고 외피, 스트링거 및 리브들은 형상 유지와 좌굴 방지 역할을 합니다. 트러스 구조의 경우 트러스가 강도를 유지하고 외피는 주로 코팅된 천 또는 얇은 금속판으로 만들어집니다.
응력 외피 구조 날개는 트러스 구조 날개와는 달리 외피도 전단력과 굽힘 및 비틀림을 받도록 설계되었습니다. 예를 들어 날개의 앞전이 올라가고 뒷전이 내려가는 비틀림을 받는 경우에 이에 의한 전단 흐름이 외피와 리브에 생기며, 양력에 의해 날개 끝이 올라가는 방향의 굽힘 및 전단력을 받는 경우에도 외피는 전단 응력을 받게 됩니다. 일반적으로 날개는 양력과 모멘트에 의해 앞의 두 경우가 결합한 하중 상태가 됩니다. 날개가 굽힘 변형을 하는 경우 날개 윗면에는 매우 큰 압축력이 아랫면에는 인장력이 작용하게 됩니다. 이와 같은 압축력이 어느 크기에 이르면 갑자기 큰 변형이 생기는데 이를 좌굴이라고 하며, 이 압축력을 어느 좌굴에 대한 제한 하중이라고 합니다. 때문에 제한 하중을 크게 하기 위해서는 외피에 스트링거와 같은 보강재를 부착합니다.
샌드위치 구조 날개는 앞서 설명한 바와 같이 날개 구조물 내부에 심재를 넣어 만든것으로 강력한 접착제의 개발에 따라 광범위하게 사용하고 있습니다. 샌드위치 구조는 무게 대비 강성이 크고 접착제를 사용하기 때문에 제작이 쉬우며 진동에 대한 감쇠성이 크고 단열성 및 방음성이 우수하다는 장점을 가지고 있습니다.
날개를 동체에 연결하는 부분을 날개 뿌리라고 하며 날개에 작용하는 양력을 모아서 동체에 전달하는 곳이므로 강도가 충분해야 합니다. 또한 이 부분에는 착륙 장치를 장착하기도 하며 이를 접어 넣을 수 있는 공간과 여닫을 수 있는 덮개 장치도 마련해야 합니다.
날개에는 양력을 증가시키는 고양력 장치로 슬랫과 플랩이 장착되어 있고, 경계층 격판을 사용하여 실속을 방지하는 와류 발생기를 날개 위에 장착하기도 합니다. 슬랫은 날개 앞전에 장착하여 양력을 증가시키는데, 슬랫의 종류로는 고정 슬랫과 기둥 슬랫이 있으며 기종 및 성능에 따라 적절히 채택됩니다. 플랩은 날개의 뒷전에 있으며 유압 구동기 또는 전동 모터로 작동해서 캠버를 증가시켜 받음각 증가 효과를 내거나 날개 면적을 증가시키는 장치입니다. 급강하할 때 항력을 증가시키기 위해 다이브 플랩이 사용되기도 합니다.
또한 항공기 자세를 조종하는 에어러론, 착륙 시에 활주로와 마찰력을 증가시키기 위한 스포일러, 공중에서 비행 중에 속도를 줄이기 위한 스피드 브레이크, 안전을 위한 항행 등 및 각종 장치들이 날개에 조립되어 매우 복잡한 구조를 이룹니다. 이 때문에 항공기 중에서도 날개의 구조 설계와 제작 기술은 가장 어려운 핵심 기술입니다.
24장에서는 항공기 구조 특성 중 동체와 그 외 나머지들에 대해 알아보겠습니다.