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항공기 연료계통의 구조와 기능

목차서론-연료 계통의 개념본론-왕복 기관의 연료 계통의 구조와 기능-연료 공급장치-중력식-압력식-여과기-기화기-부자식-압력 분사식-연료 분사계통결론-연료 계통 취급 시 주의사항-출처서론-연료 계통의 개념연료계통은 지상과 공중작동의 모든 조건에서 엔진에 정확한 양의 연료를 공급하는 역할을 수행한다. 연료라인은 어떠한 작동 하에서도 최대로 필요한 양의 연료가 흐를 수 있는 치수이어야 하며 증기의 축척이나 그로 인한 증기 폐색의 원인이 될 수 있는 급격한 만곡이 없어야 하고 가능한 한 엔진의 고온부를 피하여야 한다. 더 나아가서 어떤 작동조건에 요구되는 추력을 얻기 위해 내려지는 지시에 출력의 증가와 감소가 가능해야 한다. 또한 어떤 엔진으로의 연료를 차단하고 연료의 흐름을 막을 수 있는 밸브가 있어야 한다. 이러한 밸브는 조종사 근처에 있어야만 한다. 연료 탱크에는 탱크 밑바닥에 축적되는 물과 먼지를 제거할 수 있는 드레인과 섬프가 있어야 한다. 탱크는 연료의 흐름을 제한하고 나아가서 엔진이 정지되는 원인이 되는 저압력 발생을 방지하기 위한 정압 통기 계통을 가진 통기구가 있어야 한다. 연료 탱크는 장동 중 가해지는 모든 하중을 결함 없이 견디어야 한다. 또한 연료의 위치변동에 따라 항공기 평형에 영향을 미치게 설계 되었다면 탱크 내부에 배플이 있어야 한다. 이것은 주로 연료의 무게가 갑자기 이동함으로써 항공기 조종에 곤란을 줄 수 있는 날개 탱크에 적용된다. 또한 배플은 증기폐색의 원인이 될 수 있는 연료 출렁거림을 방지한다.본론-왕복 기관의 연료 계통의 구조와 기능1.연료 공급장치①중력식 : 연료를 중력만 이용해 엔진에 공급하는 장치로, 연료 탱크의 위쪽에서 연료를 공급한다. 연료가 기화기에 항상 정압으로 걸려 있기 때문에 승압 펌프가 필요 없다. 연료량 계기는 언제나 탱크 연료량을 조종사가 볼 수 있어야 한다.왼쪽 그림이 중력식 연료 공급 장치의 그림이다. 연료탱크의 위쪽에 달린 필러 캡을 열고 그 구멍을 통해 공급한다.②압력식 : 연료탱크가 기화기나 연료 미터링 장치보다 상부에 위치할 수 없을 때 사용하는 장치이다. 압력을 이용하여 연료 탱크의 아래쪽에서 연료를 빨아올린다. 중력식 장치보다 더 큰 압력을 줄 수 있는 연료 승압펌프, 엔진 구동 펌프를 필요로 한다. 이때, 연료 승압 펌프는 연료 탱크의 아랫부분에 위치해야 하며 탱크의 내외부에 설치할 수 있다.2.여과기(Fillter) : 연료로부터 이물질을 제거하기 위해 연료 계통에 설치되는 장치로, 보통 연료탱크 출구나 연료 승압 펌프 어셈블리에 설치된다. 연료탱크 여과기는 1인치 당 8망을 갖는 비교적 올이 굵은 망으로 되어 있다. 또한 연료 섬프 여과기를 주 여과기라고 부르는데 연료 탱크와 엔진 사이의 연료 계통 내의 가장 낮은 곳에 위치하며, 1인치 당 40 이상의 망을 갖는 가는 망으로 되어 있다.3.기화기 : 기화기의 목적은 엔진 작동을 위해 필요한 연료와 공기의 가연 혼합을 주기 위한 것이다. 항공기 엔진에 사용되는 기화기는 엔진 성능, 기계적인 수명, 항공기의 일반적인 효율에 극히 중요한 역할을 하기 때문에 비교적 복잡하다. 기화기는 광범위한 엔진 하중과 속도에 걸쳐 정확한 연료-공기 혼합기를 공급하여야 하며 고도와 온도의 변화에 따른 자동 또는 수동 혼합 수정이 가해져야 한다. 기화기는 켈리브레이션 및 조절을 어긋하게 하는 연속적인 진동을 받기 때문에 이것을 방지하기 위해 견고하게 장착되어 있다. 기화기는 엔진에 공기를 공급하는 주 공기 통로, 공기 유량에 따라 연료 배출량을 조절하는 장치, 그리고 엔진 실린더로 운반되는 연료-공기 혼합기의 양을 조절하는 장치로 구성되어 있다.①부자식 기화기 : ‘부자’는 물에 뜨는 밀도가 아주 낮고 가벼운 물질로 되어 있다. 부자식 기화기에서 부자실의 대기압은 벤투리관에서 압력이 감소할 때 방출 노즐로부터 연료를 분사시킨다. 피스톤의 흡힙 행정은 엔진 실린더에서 압력을 감소시켜서 공기가 실린더의 흡입 매니폴드를 통해 흐르게 한다. 공기가 기화기의 벤투리관을 통해 흐를 때 벤투리 압력이 감소되어 방출 노즐로부터 연료가 분사된다. 부자식 기화기의 구성품은 다음과 같다.⑴ 부자 기구 : 부자식 기화기에서 부자실 안의 연료 높이를 조절하는 장치이다. 연료의 높이는 연료의 유량을 정확하게 하고 엔진이 정지하고 있을 때 연료가 노즐에서 새지 않게 하기 위해 방출 노즐 배출구보다 약간 낮게 유지해야 한다.⑵ 연료 여과기 : 대부분의 기화기에서 연료는 처음에 여과실로 들어가 여과망을 통하여 공급된다. 가는 철사 망이나 원추형 또는 실린더 형으로 되어 있고, 밸브 구멍이나 미터링 제트도 막히게 할 수 있는 이물질을 걸러주는 역할을 한다.⑶ 주 미터링 장치 : 순항과 최대 전개 작동을 위해 엔진 속도 범위 중 상반부에서 연료 공급으로 조절하는 장치로, 세 가지 부분으로 나뉘는데, 엔진 출력 전범위에서 모든 스로틀 개도에 따라 연료-공기 혼합기를 일정하게 하는 주 미터링 제트와, 주 방출 노즐, 그리고 저속 장치로 통하는 통로로 이루어져 있다.주 미터링 장치의 기능은 세 가지이다. 첫째, 연료 공기 혼합기의 비율을 맞춘다. 둘째, 방출 노즐의 압력을 낮춘다. 셋째, 최대 전개 시 공기의 흐름을 조정한다.⑷ 저속 장치 : 스로틀 밸브가 거의 닫히고 엔진이 천천히 작동될 때만 연료를 공급하는 장치이다. 저속 차단 밸브는 기화기 저속 장치를 통해 흐르는 연료를 차단하는데 이것은 엔진의 정지시키는데 사용된다. 저속에서는 엔진의 적당한 냉각에 쓰이는 공기가 실린더 주위에 흐르지 못하기에 농후 혼합비가 사용된다.⑸ 가속 장치 : 스로틀이 갑자기 열릴 때 기화기 공기 흐름 속으로 더 많은 양의 연료를 방출시켜 순간적으로 혼합기를 농후하게 하여 엔진이 무리 없이 가속하게 하는 장치이다.⑹ 이코노마이저 장치 : 출력 증강 장치라고도 하며, 밸브로 되어있다. 저속과 순항 속도에서는 닫히고, 고속에서는 연소 온도를 낮추고 디토네이션을 방지하기 위하여 농후 혼합비로 되도록 열린다. 즉 순항속도 이상의 모든 속도에서 요구되는 추가 연료를 공급하고 조절한다. 또한 증대된 스로틀 맞춤에서도 혼합기를 농후하게 하는 장치이다. 그러나 순항속도에서는 적당히 닫히는 것이 중요하다. 부자식 기화기에서 이코노마이저의 형태는 세 가지인데, 종류는 다음과 같다.⒜니들 밸브형 : 미리 정해진 스로틀 위치에서 스로틀 연결부에 의해 열려지는 니들 밸브를 이용한다. 주 미터링 제트로부터의 연료와 더불어 추가 연료가 방출 노즐 통로로 들어가게 해주며, 이코노마이저 니들 밸브는 연료가 순항 밸브 미터링 제트를 우회하도록 한다.⒝피스톤 형 : 스로틀이 고출력 위치로 열리면 하부 피스톤은 이코노마이저 오리피스인 연료 구멍을 열고, 상부 피스톤은 공기구멍을 닫는다. 위쪽 피스톤은 소량의 공기를 연료 속에 블리드 되게 해서 이코노마이저 장치로부터 나온 연료의 분무를 돕는다. 하부 피스톤의 아래 공간은 스로틀이 열릴 때 가속 웰 역할을 한다.⒞흡입 압력 작동형 : 과급기로부터 오는 압력 벨로우 챔버 내의 압축 스프링보다 더 큰 힘을 낼 때 압축되는 벨로우가 있는데, 엔진 속도가 증가함에 따라서 과급기 압력도 증가한다. 이 압력이 벨로우를 수축시켜 이코노마이저 밸브를 열어 연료가 미터링 제트를 통해 주 방출 장치로 흘러가고, 벨로우와 스프링의 작동은 완충장치(Dashpot)에 의해 안정된다.

공학/기술| 2015.12.12| 5페이지| 1,000원| 조회(404)

항공기, 항공기 연료계통, 연료 계통, 왕복 기관, 연료 분사계통

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단순보, 외팔보, 돌출보의 반력

목차-서론-정정보의 개념과 종류-본론-단순보의 개념과 반력을 구하는 방법-외팔보의 개념과 반력을 구하는 방법-돌출보의 개념과 반력을 구하는 방법결론-반력을 구하는 목적-출처(참고자료)서론1.정정보의 개념과 종류, 반력의 개념단면의 치수에 비하여 길이가 긴 구조용 부재가 적당한 방법으로 지지되어 있고 축선에 수직 방향으로 하중을 받으면 구부러지는데, 이처럼 굽힘 작용을 받는 부재를 ‘보’라 한다. 그리고 이 보 중에서 힘의 평형 조건을 적용했을 때 반력이나 응력을 구할 수 있는 보를 ‘정정보’라고 한다. 그리고 반력이란 보(beam)에 하중이 작용한 때 외력을 받아도 구조물이 이동 또는 회전하지 않도록 지점을 두었을 때 외력에 대한 저항력으로서 지점에 생기는 힘을 말한다.정정보의 종류에는 단순보, 외팔보, 돌출보(내다지보)와 게르버보가 있는데, 이 글에서는 게르버 보를 제외한 나머지 3개의 보의 반력을 구하는 방법을 알아보도록 하겠다.본론2.단순보의 개념과 반력단순보(simple beam)란 일단이 부동 힌지점(Hinged immovable, 보의 회전이 자유롭고 수평이동과 수직이동이 불가능한 지점으로, 수직반력 한 개와 수평반력 두 개가 있음.) 위에 지지되어 있고 타단이 가동 힌지점(자유지점, Hinged movable support, 보의 회전과 평행이동이 자유롭고 수직이동이 불가능한 지점으로, 하나의 수직반력만 갖고 있음.)위에 지지되어 있는 보이며 반력의 수는 세 개다.아래 그림에서 보면, 양 끝 쪽 A점과 B점에 지점이 있는 단순보에서 하중P₁과 P₂가 작용할 때 RA1과 RA2, 그리고 RA3라는 세 개의 반력이 생기게 된다.3.외팔보의 개념과 반력외팔보(cantilever beam)란 일단이 고정되어 있고 타단이 자유로 되어 있어 보이며 반력의 수는 세 개이다. 고정단에 발생하는 휨 모멘트와 전단력을 통해 하중을 지지하며, 항공기 날개에 사용되는 대표적인 보이다.아래의 그림에서 보면, B점이 고정되어 있고 A점은 지점이 없이 자유롭다. 그렇기 때문에 보의 무게 w에 의해 굽힘(Bending)모멘트 (굽힘 반력) MB가 생기며, 그 모멘트의 힘에 의해 또 다른 두 개의 반력 RB1과 RB2가 발생하게 된다.4.돌출보의 개념과 반력돌출보(overhanging beam)란 일단이 부동힌지점 위에 지지되어 있고 보의 중앙 근방에 가동 힌지점이 지지되어 있어 보의 한 부분이 지점 밖으로 돌출되어 있는 보를 말하며 내다지보라고도 한다. 돌출보 역시 반력을 세 개다.아래 그림을 보면, 분명 지점은 A와 B 두 개가 있다. 하지만 A점은 보의 끝 부분을 지지하고 있고 B점은 보의 끝 부분이 아닌 중앙 근방의 한 점을 지지하고 있다. 하중P와 무게w에 의해 생기는 반력은 RA1, RA2, RB이다.5.반력을 구하는 방법한 예로, 아래와 같이 고정된 균일 단면 봉에서 반력을 구하는 방법은 다음과 같다.오른쪽 그림과 왼쪽 그림은 동일한 그림이다. a 부분에 해당하는 물체가 인장력을 받으면, b 부분에 해당하는 물체는 압축력을 받게 된다. 이 경우 반력이 인장력을 받는 물체의 윗부분에 R1, 압축력을 받는 물체의 윗부분에 R2, 그리고 R2는 압축력을 받는 물체의 아랫부분에도 작용을 하게 된다.위 그림에서 하중을 P, R1과 R2는 각각 반력, σ1은 반력 R1에 의해 발생하는 응력을 말하고 σ2는 반력 R2에 의해 발생하는 응력을 말한다. 그리고 λ1은 반력 R1에 의해 발생하는 길이 변화량을 말하고 λ2는 반력 R2에 의해 발생하는 길이 변화량을 말한다. 이 주어진 값들을 가지고 아래와 같이 반력을 구하는 식이 만들어진다.하중 P는 반력 R1과 R2를 더한 값이므로 R1은 P-R2, R2는 P-R1으로 식을 변형시킬 수 있다.후크의 법칙 λ=Pl/AE에서 λ1=R1a/AE이고 λ2- R2b/AE이다.여기서 인장력에 의해 발생한 길이 변화량 λ1과 압축력에 의해 발생한 길이 변화량 λ는 같게 된다. 즉 λ1=λ2라고 하면 R1a/AE=R2b/AE 가 되는데 분모가 AE로 같으므로 서로 지우고 나면 남는 식은 R1a=R2b가 된다.

공학/기술| 2015.12.12| 5페이지| 1,000원| 조회(888)

외팔보, 단순보, 반력, 돌출보

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응력과 변형율 선도에 대하여

목차-응력과 변형률-탄성과 소성-응력&변형률 선도-A구간 : 비례한도-B구간 : 탄성한도-C구간 : 항복점-D구간 ; 극한한도(인장강도)-E구간 : 파괴-F구간 : 네킹-잔류 변형률-후크의 법칙-탄성계수-종탄성계수-횡탄성계수-체적탄성계수응력이란, 재료에 압축, 인장, 굽힘, 비틀림 등의 하중(외력)을 가했을 때, 그 크기에 대응하여 재료 내에 생기는 저항력을 말하고, 변형률이란 응력을 받아 변화가 나타난 재료에 발생된 변화량과 원래의 크기에 대한 변화율을 말한다.탄성이란 힘에 의해 변화된 물체가 다시 원래의 상태로 돌아가려고 하는 성질을 말하며, 소성이란 물체가 탄성한계를 넘은 힘을 받아 탄성을 잃어버려 원상태로 돌아오지 않는 성질을 말한다.이것과 관련된 자료 중, ‘응력-변형률 선도’라는 표가 있다. 이 선도는 무엇을 말해주며, 그것과 관련된 법칙인 ‘후크의 법칙’이란 무엇일까?①응력-변형률 선도기계 및 구조물의 설계는 소기의 기능을 수행할 수 있도록 하기 위하여 사용될 재료의 역학적 거동에 대한 이해를 필요로 한다. 쉽게 말하자면 재료가 하중을 받을 때 어떻게 거동하는가, 즉 어떻게 반응하는가 하는 것에 대해 알아야 한다는 의미다. 일반적으로 이 방법을 알 수 있는 것은 실험실에서 실험을 통해 알 수 있는데 알고자 하는 재료를 통째로 사용할 수는 없기 때문에 그 재료로 제작된 작은 시편을 시험기에 장착하고 하중을 가한 다음 변형량을 측정하는 것이다. 그런데 이 실험을 행할 때 주로 이용되는 재료들이 가지고 있는 성질이 모두 다르다. 같은 인장하중에 강한 재질이 있는가 하면, 압축하중이나 휨 하중에 강한 재료들도 있다. 그렇기 때문에 재료에 따라 행하는 실험이 다르다. 여러 가지 실험을 거친 후에 계산된 응력과 변형률을 가지고 그린 그래프를 응력-변형률 선도라고 하며 기계적인 성질과 거동의 유형에 관하여 매우 중요한 정보를 제공해 주는 그래프이다. 그래프의 모양은 아래와 같다.㉠A구간 : 비례한도점O부터 점A까지 직선으로 시작되는 구간을 선형 구간이라고 한다. 이는 초기 영역에서 응력과 변형률의 관계가 선형일 뿐 아니라 비례적이라는 것도 의미한다. 하지만 A점을 지나면 이 비례 관계가 더 이상 유지되지 않기 때문에 점 A를 비례 한도(proportional limit)라고 한다. 또 점 O에서 A까지의 기울기를 탄성계수라고 한다.㉡B구간 : 탄성한도이 구간까지는 물체가 탄성의 성질을 유지하는 구간이다. 비례 한도를 지나 응력이 증가하면 변형률은 응력의 증분보다 훨씬 빠르게 증가하는데 그 결과 응력-변형률 곡선은 점 B에서 곡선이 수평해질 때까지 기울기가 점점 작아지게 되고 이 점을 시점으로 인장력이 거의 증가하지 않는 상태에서도 시편의 신장량이 현저히 증가하게 된다. 이와 같은 현상을 항복(yielding)이라 하고 B점을 항복점(yielding point)라고 하며, 이에 대응하는 응력을 강의 항복 응력(yielding stress)이라고 한다.㉢C구간 : 항복점항복점은 탄성의 성질을 상실하게 되는 지점이다. 그래서 B까지의 구간을 탄성구간이라고 하고, C부터의 구간을 소성(탄성을 잃어버려 힘이 작용해도 원래의 상태로 돌아오지 않는 성질)구간이라고 한다. B로부터 C까지의 영역에서 재료는 완전 소성(perfectly plastic)으로 되며 이는 작용 하중이 증가하지 않더라도 변형이 됨을 의미한다.BC구간을 나누어 BCD구간으로 분류한 선도도 있다. 항복점C를 상항복점과 하항복점으로 나눈 것이며, 점C가 상항복점이 되고, 점D가 하항복점이 된다. 이때 상항복점이 탄성의 성질을 상실하는 지점이며, 하항복점은 만능시험기(인장시험기)에서 인장하중이 증가하지 않아도 늘어나는 지점임을 의미한다. 이때 C구간에서 점D으로 갈 때는 그래프가 감소하는 모양이며, 점D에서는 다시 증가하게 된다.㉣D구간 : 극한한도(인장강도)응력이 최대가 되는 지점이다. BC영역에서 항복이 진행되는 동안 발생된 큰 변형이 있은 다음, 강은 변형 경화(strain harden)을 일으키기 시작한다. 변형 경화 과정에서 재료는 결정구조가 변화하며, 그 결과 추가적인 변형에 대한 재료의 저항력을 증가시키게 된다. 이 영역에서 시편의 신장은 인장 하중의 증가를 필요로 하며 따라서 응력-변형률 선도는 C에서부터 D까지의 양의 기울기를 가지게 된다. 이때 하중은 최대치에 도달하게 된다.㉤E구간 : 파괴극한 응력에서 물체를 더 신장시키면 하중은 감소하게 되고 점 E에서 파단이 발생한다. 즉 인장응력에 의해 늘어나다가 끊어지는 것이다.㉥F구간 : 네킹시편이 신장되면 횡방향 수축이 발생하는데, 극한 응력 근방에서는 봉의 단면적 감소가 눈에 띌 정도로 분명히 나타나며 봉에 현저한 네킹(necking. 재료가 가늘게 늘어나는(변하는) 현상)이 발생한다.㉦잔류 변형률(residual strain)다음 그래프들을 보면,이 두 개의 그래프는 어느 물체에 하중을 가하고 제거하고를 나타낸 그래프이다. 만약 하중을 E점까지 가했다가 하중을 제거하면 물체는 다시 원래 형태로 돌아올 것이다. 즉 E 이상의 하중을 가하지 않으면 이 재료는 탄성체로 남아있는 것이다. 하지만 이 E점 이상의 하중을 물체에 가하게 된다면 아래의 그래프처럼 하중을 제거해도 원래의 점 O로 돌아오는 것이 아니라 C점으로 돌아가게 된다. 이때 생기는 변형량을 잔류 변형률(residual strain)이라 하며 이 변형은 영구 변형이다. 또한 이 재료는 하중을 가해도 부분적으로 원래의 형상으로 회복되기 때문에 부분적으로 탄성적(partially elastic)이라고 한다.②후크의 법칙영국의 과학자 후크가 용수철의 늘어난 길이는 크기에 비례한다는 것을 발견하고 정의한 법칙이다.위 그래프에서 A구간(탄성한도)까지는 직선적으로 응력과 변형률은 증가한다는 것이 핵심이다. 즉 응력과 변형률은 정비례한다는 것이다.즉 σ∝ε에서 σ=비례상수xε라는 것이다.㉠탄성계수위 후크의 법칙에서 그 비례상수를 탄성계수라고 하고, 공업재료 각각이 가지고 있는 고유의 물리적 성질을 나타내는 계수이다. 탄성계수는 물체가 얼마나 큰 힘까지 탄성을 유지하는지 조사하고, 실험하고, 그것을 알아내어 쓰임에 정해지는 것이기 때문에 중요하다.

공학/기술| 2015.11.04| 4페이지| 1,000원| 조회(439)

응력, 선도, 변형율, 변형율선도, 응력과변형율선도

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항공기에 사용되는 복합재료 평가A+최고예요

목차1.서론-복합재료의 의미2.본론-복합재료의 역사-복합재료의 특징과 장점-복합재료의 구성-강화재-아라미드 섬유-탄소와 흑연 섬유(카본과 그래파이트)-보론-세라믹-모재-수지 모재계-금속 모재 복합소재-충전제-코어물질-하이브리드 복합소재-인트라플라이-인터플라이-복합소재가 사용되는 항공기3.결론-레포트를 작성하며 느낀점서론복합재료란 성분이나 형태가 다른 두 종류 이상의 재료가 조합되어 유효한 기능을 갖는, 즉 각각의 재료보다 더 우수한 기계적 성질을 갖도록 만든 재료를 의미한다. 고체상태의 강화재료와 액체, 분말 혹은 박판 상태의 모재를 결합하여 만들어지며, 이러한 복합재료를 층으로 겹겹이 겹쳐서 만든 적층 구조재와 얇은 두 외피사이에 허니컴이나 거품 등과 같은 코어재료를 결합시킨 샌드위치 구조가 있다.본론①복합재료의 역사㉠제 2차 세계대전(1940년대) : 전투기, DC(더글라스)-3 A/C의 승강기,방항타, 보조날개 등의 조종 면에 도프(Dope)와 직물류 재질 사용㉡1940~1950년 : 유리섬유(Fiberglass) 직물류에 폴리에스터 접착제(Polyester Resin)을 첨가시켜 페어링(Fairing), 라돔(Radome) 사용㉢1950년대 : 에폭시 접착제(epoxy Resin)를 유리섬유 강화재와 함께 날개 팁, 꼬리날개 콘 등의 비 구조 부분에 사용㉣1960년대 : 보론 섬유(Boron Fiber), 카본 섬유(Carbon 유럽)/그래파이트 섬유(Graphite 미국),아라미드 섬유(Aramid Fiber)등 강한 섬유가 개발되어 강도강화㉤1970년대 : 케블러(Kevlar)를 개발, 현재 많은 A/C 에 폭넓게 사용㉥1980년대 : FRM(Fiber Reinforced Metallics)을 개발하여 일부 기체에 장착하여 시험적으로 적용㉦최근 : 새롭게 개발된 화학적 결합밤식(chemical Bonding Formula)과 새로운 고체 구조재(Solid strucural Material)의 결합으로 고강도 경량의 FRP를 만들어 항공기 구조물에 사용하고 있다.②복합재료의 특징과 장점복합재료는 일반 금속재료에 비해서 비강도(Specific strength, 강도와 밀도)와 비강성(Specific Stiffness, 강성/밀도)이 우수하여 기체의 중량을 줄일 수 있다. 복합소재의 장점은 다음과 같다.㉠무게 당 강도비율이 높다(알루미늄 대신 복합재료를 사용하면 인장강도와 압축강도가 약 30% 이상 증가하며, 무게가 약 20%이상 절약된다.).㉡복잡한 형태나 공기역학적인 곡선형태의 제작이 가능하다.㉢일부의 부품과 파스너를 사용하지 않아도 되어 제작이 단순해지고, 비용이 절감 된다.㉣유연성이 크고 진동에 강해서 피로응력(Stress Fatigue)의 문제를 제거한다.㉤부식이 되지 않고 마모가 줄어든다.③복합재료의 구성과 종류근래에 와서 항공기 연료비 절감과 성능 향상을 위해 기체구조물의 높은 강도와 경량화가 요구됨에 따라, 금속재료보다 가볍고 강도가 높은, 여러 종류의 복합소재들이 개발되고 있다. 이들 다양한 복합소재는 헬리콥터, 전투기 및 대형 민간 여객기에 널리 사용되고 있으며, 그 사용범위와 사용량도 더욱 더 증가하고 있다. 복합재료는 하중을 주로 담당하는 고체형태인 강화재와 이들을 결합시키는 액체 형태인 모재로 구성된다. 복합소재에 사용되는 강화재와 모재의 종류는 매우 다양하다.④강화재강화섬유를 의미하며, 모재에 강화재를 결합시킬 때 복합소재 구조에 기본적인 강도를 주게 된다.㉠유리섬유(Glass Fiber) : 용해된 실리카(Silica, 이산화규소)의 가는 가닥으로 만들어진 섬유이다. 용도가 넓고 가격이 저렴해서 가장 흔히 사용되는 강화섬유이며 천 소재로 만들었을 때 윤기가 있는 흰색 천으로 구분할 수 있으며 금속보다 무게가 가볍고, 제조과정이 단순하며, 높은 강도 및 접착성이 우수한 반면 금속에 비해 낮은 강성을 지닌다. 유리섬유는 특성에 따라 몇 가지 형태로 구분할 수 있다.ⓐE-글라스 : 붕규산 유리로 만든 강화섬유이다. 전기 절연성이 뛰어나고 내수성, 내산성 등 화학적 내구성이 좋으며 열팽창률이 작다. 일반적으로 많이 사용하는 섬유이며 높은 고유저항을 가지고 있다.복합재료의 천소재 대부분이 E-글라스에 해당하며 유리섬유의 대부분이 여기에 속한다.ⓑS-글라스 : 규산염 유리로 만든 높은 인장강도의 유리섬유이다. E-글라스보다 인장강도가 33% 더 크며, 탄성계수는 20% 더 크다. 무게에 대한 강도비가 커서 항공기에 많이 사용된다.ⓒD-글라스 : 개량된 유전체 유리로서 전자적인 성능이 우수하다. 기계적인 특성이 E-글라스나 S-글라스보다 떨어지지만 낮은 유전율과 저밀도의 특성으로 항공기의 레이돔 제작에 사용되기도 한다.㉡아라미드 섬유(Aramid Fiber) : 보통 케블라(Kevlar)로 불리며 ‘케블라’라는 이름은 미국 듀퐁 회사에서 생산한 아라미드 섬유의 등록상표이다. 아라미드 섬유는 알루미늄 합금보다 인장강도가 4배 이상 클 정도로 인장강도가 강하며, 일도는 알루미늄 합금의 ⅓정도로 가볍기 떄문에 높은 응력과 진동 등의 피로 파괴에 견딜 수 있는 항공기 부품 제작에 이상적인 재료이다. 특히 충격과 마모에 강하다. 그러나 온도변화에 대한 변형과 수분 흡수성이 있기 때문에 사용 중에 문제를 일으킬 수 있고, 압축과 전단에 취약하며 접착성이 좋지 못하고 절단에 어려움이 있다. 아라미드는 노란색 천으로 식별할 수 있다.㉢ 탄소와 흑연 섬유(Carbon & Graphite/카본과 그래파이트) : 넓은 의미로 탄소섬유라고 하며, 엄밀히 말하면 탄소 섬유의 흑연 섬유로 구분된다. 높은 강도와 견고성으로 항공기의 1차 구조재 제작에 사용되며, 아라미드섬유보다는 인장강도가 작지만 압축강도는 훨씬 크다. 그러나 취성이 크고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 탄소섬유가 알루미늄과 직접 접촉되면 이질 금속과 같이 부식이 발생하기 때문에 탄소 섬유와 알루미늄 사이에 유리섬유를 한 겹 끼워 넣고, 알루미늄은 양극 산화처리 등과 같은 부식방지 처리를 하여야 한다. 탄소섬유는 천 소재로 만들었을 때 검은색 천으로 구분할 수 있다.㉣보론(Boron) : 텅스텐에 가는 필라멘트에 보론(붕소)을 붙게 해서 만든다. 보론 섬유는 약 0.1mm의 지름으로 뛰어난 압축강도와 경도를 가지고 있다, 또한 열팽창률이 크고 금속과의 점착성이 좋다. 그러나 취급이 어렵고, 가격이 비싸다는 단점이 있다. 보론 섬유는 여러 종류의 실용금속과 쉽게 반응하므로 강화섬유 금속(RFM)과 같은 복합재료를 만들 때에 사용되며, 민간 항공기에는 잘 사용하지 않으며, 주로 전투기에 사용되고 있지만 사용량이 점차 줄어들고 있다.㉤세라믹(Ceramic) : 높은 온도가 요구되는 곳에 사용한다. 1200℃(2200℉)의 고온에서도 거의 원래의 강도와 유연성을 유지한다. 우주 왕복선의 타일 부분도 세라믹으로 만들어지며 내열서이 크고 열의 분산이 빠르게 일어난다. 세라믹 섬유는 주로 금속 모재와 함께 사용된다.⑤모재(Matrix System)접착제로 섬유를 완전히 둘러싸서 섬유에 강도를 줄 뿐만 아니라 섬유에 응력을 전달한다. 첨단 복합소재는 다양한 제조기술, 새로운 보강용 직물과 모재형태를 사용하여 만든 복합소재이다.㉠수지 모재계 : 플라스틱 형태로 만들어지며, 일반적으로 열가소성과 열경화성 두 가지 범위의 플라스틱이 있다.ⓐ열가소성(Thermoplastic)수지 : 열을 가해서 성형 후 다시 열을 가하면 연해지고 냉각하면 원래상태로 돌아오는 수지이다. 최근에는 복합소재 공항의 발달로 고온도 열가소성 수지의 개발로 750℉를 초과하지 않은 기체 구조에 사용되기도 한다. 폴리염화비닐, 폴리에틸렌, 나일론, 폴리메타크릴산 등이 있다.ⓑ열경화성(Thermoset)수지 : 열을 사용하여 성형을 하면 그 모양이 영구적으로 남는다. 플라스틱은 일단 굳어지면 열을 가해도 변형되지 않는다. 열경화성 모재 자체로는 충분한 강도를 갖지 못해서 구조물로 사용할 수 없지만 다른 보강재와 함께 사용하여 고강도 경량의 복합소재 구조부로 사용하고 있다. 페놀수지, 에폭시 수지, 불포화 폴리에스테를, 폴리우레탄 등이 있다.㉡금속 모재 복합소재(Metal Matrix Composit) : 잘게 쪼개진 섬유가닥이 녹은 금속과 섞일 때 형성된다. 혼합물이 형성되고, 성형되고, 롤로 만들어지고 필요한 곳으로 압출된다. 섬유는 금속에 무게를 더하지 않고 강도를 크게 한다. 항공기용 브레이크 디스크나 로켓 노즐 등에 실용화 되고 있다.㉢코어물질(Core Material)두 개의 얇은 판 사이에 접착시키면 단단하고 가벼운 구조가 만들어진다. 이런 방법으로 복합소재 구조를 제작해서 가끔 샌드위치 제작이라고 부른다. 블레이드가 코어 구조로 되어있는 경우 표피에 걸리는 대부분의 굽힘이나 뒤틀림을 제거하며, 금속 리브를 판금으로 만들면 보강 리브가 없는 곳의 스킨은 뒤틀리고 굽어지는 것을 방지하고 표피의 수명을 크게 연장시키는 효과가 있다.코어는 허니컴이나 폼 구조로 되어있고 그 효과는 같다. 다만 허니컴은 무게당 강도비율이 가장 높고, 폼은 일반적으로 사용범위가 더 넓다. 폼 코어의 경우 복원력이 있어 손상되었을 때 원래 강도의 약 80%정도 회복이 되지만, 대부분의 허니컴 코어의 경우에는 복원력이 없다.ⓐ허니컴 : 자연의 벌집구조 형태로 무게 당 강도비가 매우 높다. 알루미늄이나 케블라, 카본 등으로 제작되며, 다양한 복합소재나 금속의 얇은 박판으로 만들어져 있다. 허니컴은 코어소재를 구부려서 만들고, 형태는 리본방향이며 수리 시에는 교환되는 허니컴의 리본방향을 일치시켜야 한다.

공학/기술| 2015.09.24| 5페이지| 1,000원| 조회(992)

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항공기에 작용하는 응력의 종류와 특징

힘은 물체에 운동과 변형을 일으키는 요인이다. 특히 항공기 구조를 해석하는 데는 힘에 의해 기체에 발생하는 변현을 예측하는 것이 더욱 중요하다. 같은 힘이라도 넓은 면에 작용할 때와 작은 면적에 집중될 때 발생하는 변현의 크기가 전혀 다르므로 단순히 힘의 크기만 가지고는 구조에 미치는 영향을 결정할 수 없다.외력에 저항하는 힘을 내력이라 하며, 단위면적당 작용하는 내력의 크기를 응력이라 한다. 응력은 외부의 힘이 증가함에 따라 증가하지만 이에는 한도가 있어서 응력이 그 재료 고유의 한도에 도달하면 외부의 힘에 저항할 수 없게 되어 그 재료는 파괴된다. 고체 재료나 구조물 등에서는 외력이 작용하면 아주 적더라도 변형이 생긴다. 이 변형에 저항해서 재료의 내부에는 저항력이 생기고, 이것이 클수록 강한 재료라고 할 수 있으며, 외부의 힘에 의해 생기는 응력이 그 재료의 한도 응력보다 작을수록 안전한 상태라고 할 수 있다.일반적으로 항공기 구조물 각 부재에 작용되는 내력(응력, stress)의 형태는 크게 나누어 압축(compression), 인장(tension), 비틀림(torsion), 휨(bending), 전단(shear)의 다섯 가지로 구분하며 항공기 구조 해석에서도 마찬가지로 적용된다.1.압축응력(compression)파괴와 압력(축소시키려 할 때 부재가 받는 하중)으로 가해지는 응력으로, 항공기의 장착장치는 항공기가 지상에 있을 때 압축력을 받으며 착륙할 때 강착장치부에 많은 압축응력을 받게 된다. 인장력과 마찬가지로 축방향 압축력은 그 방향이 반대인 경우이므로 수직압축응력의 부호는 음(-)이다. 아래 그림의 압축력의 예에서 비행 중인 항공기에서 추력은 뒤에서 앞으로 밀고공기저항은 뒤쪽으로 저지하기 때문에 동체각부에 압축력이 작용한다.2.인장응력(tension)힘을 가하여 부재(member) 또는 보(beam)을 길이방향으로 잡아당길 때 부재 또는 보 내에 걸리는 내력을 말한다. 이와 같이 축방향 인장력을 그것이 작용하는 단면적으로 나누어 수직인장응력(normal tension stress)이라고 한다. 내부의 가상단면을 생각하면, 이 면에서의 내력은 외력과 균형이 잡혀있고, 이 가상단면이 서로 당겨 맞았을 때의 수직 응력을 인장응력이라고 한다. 물체 내부에 인장응력은 고공비행을 할 때 기체 내부의 압력이 외부의 압력보다 높아 팽창하려는 힘이 발생하거나, 항공기의 앞면에서 발생하는 추력과 뒷면의 항력으로 인해 발생한다. 아래 그림의 인장력의 예에서 프로펠러 추력에 의하여 항공기가 전진할 때 동체 각부에 공기저항이 뒤쪽으로 작용하므로 동체는 인장력을 받게 된다.3.전단응력(shear)금속판을 자를 경우 판과 판 사이에 걸리는 응력으로 두 힘이 평행하게 작용한다.보통 전단응력 대신에 전단흐름(shear flow)을 많이 사용하는데 전단응력에 부재의 두께를 곱한 것이다. 항공기 구조에 많이 적용되는 플렌지-웨브형(flange-web type) 구조에서 전단력은 웨브가 주로 받고 굽힘 모멘트나 인장력, 압축력 등을 플렌지가 받는다. 아래 그림의 전단력의 예에서 양력이 작용하는 날개와 중력이 작용하는 동체 사이 단면에 전단력이 작용한다.항공기에 작용하는 응력은 대부분 전단응력이다.4.비틀림 응력(torsion)보의 양 끝에 서로 반대방향으로 축을 돌리는 모멘트가 작용할 경우에 생긴다.꼬임응력(stress of twist)라고도 하며 부하가 걸리는 회전축의 내부에는 비틀림이 발생한다. 비틀림(torsion)은 물체에 돌림 힘이 재하되었을 때 나타나는 (변형)상태이다. 비틀림 각() 또는 재축 방향 단위 길이 당 비틀림 각으로 측정되며, 비틀림으로 인하여 반지름 방향과 직각 방향으로 전단 응력이 발생하게 된다. 수직꼬리날개에 작용하는 공력하중에 의한 비틀림 모멘트로 인하여 동체에 비틀림이 발생하며 날개에도 공기력에 의한 모멘트가 비틀림을 발생시킨다, 비틀림이 작용할 때 가상의 인접한 두 단면이 미끄럼을 일으키므로 전단응력 경우로 해석한다. 예를 들어 두 개의 판을 리벳이나 볼트로 체결하였을 때 인장력은 판의 각 부에 반대 방향으로 걸리며 서로 당기고 리벳이나 볼트에는 전단응력이 발생된다.5.굽힘 모멘트(휨, bending)보의 양끝에서 축을 굽히는 모멘트이다. 보를 양끝에서 받치고 그 축에 직각 방향으로 힘을 작용시키면 보는 휜다. 휨 변형은 위쪽이 줄고, 아래쪽이 늘어나는 등 길이 방향의 신축성에 의해 일어난다. 물체가 휠 때 물체 단면에 일어나는 수직 응력을 휨 응력이라고 하며, 상부 쪽의 줄어드는 부분과 하부 쪽의 늘어나는 부분 사이의 신축이 없는 수평면을 중립면이라 한다. 예를 들면 양력으로 인해 날개가 휘는 경우를 들 수 있다. 이와 같이 굽힘 모멘트가 작용하는 경우 중립축을 중심으로 상하 양쪽으로 같은 거리만큼 떨어진 지점에서 응력의 크기가 같고 부호는 반대이다. 즉, 비행중인 경우, 중립축 위쪽 부분에는 음의 부호인 수직압축응력이 아래 부분에는 양의 부호인 수직 인장응력이 발생한다.아래 그림에서 단면의 위 부분에는 단면과 수직으로 압축 응력이 나타나고, 아래 부분에는 인장 응력이 발생 한다.항공기에서는 각 부위마다 담당하는 응력이 다르다. 날개는 인장응력과 휨 응력을 담당하고 동체 외피는 전단응력을, 강착장지(착륙장치)가 압축응력을 담당한다.압축은 말 그대로 누르는 힘이다. 비행기의 커다란 크기와 엄청난 무게만큼, 압축응력은 굉장히 크게 작용한다. 여러 곳에 압축응력이 가해지게 되는데 특히 착륙장치에 많이 발생한다. 압축 응력은 비행중과 지상에 있을 때의 2가지 경우로 받는 곳이 나누어진다. 비행 중에는 주로 날개의 윗면이 중력에 의하여 압축응력을 받게 된다. 그리고 지상에 있을 경우에는 Landing Gear(착륙장치)가 마찬가지로 중력에 의하여 압축응력을 받게 된다. 또한 날개의 아랫면은 날개의 무게에 의하여 압축응력을 받는다.인장은 당겨지는, 다른 말로는 늘어나려는 힘이다. 인장응력도 지상에 있을 때와 비행 중일 때의 두 가지 경우로 받는 곳이 나누어지는데, 지상에 있을 때는 중력에 의해 날개 윗면에 인장응력이 작용하며 비행 중에는 날개 아랫면에 인장응력이 작용한다.전단은 끊어지거나 잘리려고 하는 힘을 말하는데, 힘의 방향이 반대가 되면서 발생하게 된다. 금속판을 자를 때, 볼트, 리벳, 날개장착부 등에 발생한다. 강하지는 않지만 비행기의 경우 거의 모든 곳에서 전단응력이 일어난다. 가장 많이 일어나는 곳은 주로 외피인데, 외피와 외피를 연결해주는 ‘볼트’와 ‘너트’에 전단응력이 가장 많이 가해진다. 항공기 외피는 용접처럼 영구적으로 잇는 방법이 아니라 판 두 개를 겹쳐 구멍을 뚫고 그곳에 볼트나 너트를 끼워 넣어서 연결을 하는 방식이기에 주고 이곳에 전단이 가해진다. 각종 조종케이블, 외피, 볼트, 스트러트 등에 발생한다.비틀림 응력은 꼬이는 힘으로, 부하가 생기는 회전축 등에 발행하는데, 주로 엔진에 작용하게 되는 응력이다. 그 이유는 엔진이 축을 중심으로 한 회전체이기 때문이다. 항공기가 앞으로 나아가는 동안 엔진은 팬이나 압축기 안의 로터가 돌아가면서 회전체의 성질을 가지게 되는데, 이때 고정된 기관과 비틀림을 이루게 된다.휨(굽힘 모멘트)는 주로 날개에 걸리는 응력으로, 공기의 저항 및 점성에 의해 날개 끝으로 갈수록 뒤로 밀리기 때문에 걸리는 응력이다.

공학/기술| 2015.09.24| 4페이지| 1,000원| 조회(228)

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