항공기의 제작 및 시험
18장에서는 유한요소 해석에 대해 알아보았습니다. 18장의 내용을 요약하면 다음과 같습니다.
- 유한요소 해석은 설계 초기 단계부터 최종 설계 단계에 이르기까지 사용됩니다.
- 유한요소 해석의 과정은 전처리 과정, 구조 해석 과정, 후처리 과정 세 단계가 있습니다.
- 전처리 과정에서는 구조체 특성 파악, 단순화, 유한요소 선정과 요소 생성, 유한요소 특성 정의, 경계 조건 정의, 하중 조건 정의와 같은 여러 가지 절차를 통해 유한요소 모델을 만듭니다.
- 구조 해석 과정에서는 구조체를 부분으로 나누어 그 거동을 연결하여 해석하는 것으로 오늘날에는 신뢰성이 잘 검증된 프로그램을 사용합니다.
- 후처리 과정에서는 그 결과가 예측했던 경향과 일치하는지를 확인하며 유한요소모델의 오류, 적절치 않은 경계 조건과 하중 부여 등을 확인합니다.
19장에서는 제작 및 시험에 대해 알아보겠습니다.
1. 제작
항공기 제작은 대량 생산이 불가능하기 때문에 제품의 제작방식은 일반적으로 컨베이어 방식이 아닌 수공업으로 제작하는 편입니다. 여기에는 제품의 치수 정밀성, 균일성, 호환성 등을 확보하기 위해 기체의 제작 및 조립에서 중요하게 사용되는 치공구가 있습니다.
날개를 조립하기 위한 치공구를 예로 들면 각 리브나 날개보를 회전 가능하도록 하여 작업을 편리하게 해야 합니다. 치공구 자체의 치수, 각도, 수평 등이 정확하게 만들어져야 하므로 일반적으로 광학 기기와 같은 정밀도가 높은 측정기를 써서 만듭니다. 조립되어야 할 구조물의 허용 오차 역시 고려되어야 합니다. 동체, 날개, 꼬리 날개 등에 대한 치공구 설계는 항공기 구조 설계와 거의 맞먹는 노력과 시간이 걸립니다.
각 부재의 가공은 재료가 판재인 경우에는 판금 기계, 즉 천공기, 절단기, 성형기 등이 사용되며, 기계 가공품의 경우에는 정밀 가공 기계가 사용됩니다. 대량 생산의 경우에는 전용 공작 기계가 사용되기도 합니다.
항공기를 조립하기 위해서는 금속이 접합이 필요합니다. 트러스 구조의 경우에는 용접이 필요하고, 모노코크 또는 세미 모노코크 구조의 경우에는 리벳팅이나 접착제를 사용한 접착이 필요합니다. 금속의 접합에는 리벳팅, 용접, 브레이징, 납땜 등의 방법들이 사용되는데 이 중 흔히 리벳팅이 많이 사용됩니다.
항공기의 조립에 사용되는 리벳은 A17S나 24S이며 이외에도 몇 가지 고전단 리벳이 사용되기도 합니다. 리벳팅은 크롬-몰리브덴 강의 섕크에 경합금의 링을 끼워서 리벳건 등으로 이 링을 때려 섕크 부분의 오목한 부분의 링을 변형시켜 고착하는 방법으로 전단력에 대해 견고함이 우수하여 날개보 조립에 사용됩니다. 사람의 손이 닿지 않는 장소에는 폭발 리벳이 쓰이며, 만약 그 장소가 그다지 큰 강도를 필요로 하지 않는 곳에는 블라인드 리벳이 사용됩니다.
항공기의 구조는 매우 복잡하기 때문에 여러 개의 판재 등을 리벳으로 조립하고 볼트와 너트로 결합하는 방식을 주로 사용합니다. 예를 들면 동체와 날개, 날개 꼬리와 동체, 동체의 앞뒤, 날개의 안팎 부분 등이 볼트와 너트로 연결되는 부분입니다. 강의 접합에는 전기와 가스를 이용한 용접이 주로 사용됩니다. 그러나 알루미늄 합금이나 마그네슘 합금의 경우 용접부의 산화가 치명적인 영향을 미치고 큰 부품은 진공 탱크에서의 용접이 어려우므로 아르곤이나 헬륨 가스와 같은 불활성 가스로 용접 부위를 덮어서 용접합니다.
이외에도 강재에 적용되는 접합 방법으로 브레이징과 납땜이 있습니다. 브레이징에는 특수한 용접봉이 사용되며 고주파 전파를 이용해 국부적으로 가열함으로써 광범위한 어닐링를 방지할 수 있습니다. 납땜은 두 금속을 납으로 연결한 것으로 강도가 매우 약합니다. 용접은 금속이 녹아 서로 접합한 상태이므로 큰 강도를 가지며 브레이징의 강도는 납땜과 용접의 중간 정도가 됩니다.
각 부품은 가공가 검사가 완료되면 지그에 끼워서 가조립한 후 리벳, 용접, 볼트 및 너트 등에 의한 고정 방법을 거쳐 부분 구조로 조립됩니다. 이렇게 조립이 완성되면 지그에서 떼어내고 다른 구조 요소와 결합한 후 내부에 세부 계통을 설치하여 항공기 전체의 조립을 완성시킵니다.
2. 시험
설계 요구 조건으로부터 항공기를 설계하고 제작하여 실용화하기까지는 장기간이 소요되며 많은 시험 평가가 수행됩니다. 항공기 기체의 설게 개발 기간에 행해지는 각종 구조 시험에는 강도 시험, 모형 시험, 진동 시험, 피로 시험, 비행 시험 등이 있습니다.
시험 제작 항공기는 보통 3기 정도가 필요하며 1기는 강도 시험용으로 사용됩니다. 강도 시험은 제한 하중 또는 극한 하중을 작용시켜 기체가 설계 강도를 실제로 가지고 있는지를 보는 시험 입니다. 강도 시험 시에는 실제로 항공기에 가해지는 분포 하중을 모사하기 위해 하중 부가 장치가 사용됩니다. 이것은 기체 외피에 접착시킨 패드와 이에 연결된 봉들을 토너먼트 레버에 연결하여 최종 레버에 유압잭으로 하중을 가합니다.
강도 시험의 종류에는 날개난 수평 안정판 등과 같이 부분별로 행하는 부분 강도 시험과 전체에 대한 전기체 강도 시험이 있습니다. 착륙 장치에 대해서는 일부 부재만의 강도를 조사하기 위한 낙하 시험과 착륙 시의 실제 하중 시험을 위해 전체 항공기에 부착하여 행하는 낙하 시험이 있습니다. 실물 모형 시험은 조종석이나 객석 등에 복잡하게 설치되는 장비들에 대해 조종사 시계, 배치 적합성, 운용 편리성 등을 조사하기 위해 기체 혹은 일부를 실물 크기의 모형으로 만들어 시험을 합니다.
항공기의 엔진이나 헬리콥터 로터 시스템은 고속으로 회전하는 부분이 있기 때문에 진동이 발생하며, 비행 중에는 기류의 급격한 변화로 인한 공력 진동이 발생할 수 있습니다. 구조 설계에서는 가능하면 이러한 진동이 승객에게 전달되지 않게 하기 위한 대책이 필요하게 되는데 이러한 부분이 미흡하게 되면 공진 현상에 의해 기체가 파괴되거나 비행 조종이 불안정하고 소음이 커서 항공기의 쾌적성에 악영향을 미치기 때문입니다. 진동 시험은 엔진 작동 및 헬리콥터 로터 회전에 대한 진동과 소름, 기체 구조의 고유 진동수를 측정하고 공진 특성을 조사하는 것입니다. 그리고 공기력과 구조의 탄성이 상호작용하여 공진이 일어나는 공력 탄성 현상을 방지하려는 것 역시 진동시험의 중요한 목적입니다. 피로 시험은 항공기의 운용 중에 받는 진동 하중에 대한 기체의 수명을 예측하기 위한 시험으로써 반복적인 비행 하중의 크기와 횟수를 장기간 기록 및 분석하여 통계 값을 적용합니다.
기체 구조의 비행 시험은 시험 제작 항공기를 실제로 비행하면서 기체 구조의 각 부분에 작용하는 실제 응력을 측정하여 기체의 안정성을 입증하는 목적도 있지만, 설계 예측 하중과 실제로 작용되는 하중을 비교하여 다음 설계에 작용하기 위한 목적이 더 큽니다. 또 비행 중 발생할 수 있는 플러터 시험도 수행해야 합니다.
비행 시험을 실시하기 전에는 지상 활주 시험과 브레이크 등에 대한 충분한 시험을 거쳐서 시험 중 안전에 영향일 끼치는 요소가 있는지를 확인해야 합니다. 비행 시험을 통하여 기체 구조 외에도 조종 장치, 고양력 장치, 엔진 성능, 안정성, 기동성, 비행성능 등의 여러 가지 항목에 대한 설계 타당성 평가도 종합적으로 수행합니다.