첨단 항공기 설계: 2부 - 효율적 모델링으로 지평 확대

작성일: 2020년 12월 25일 | 작성자: WayKen 신속 제조

현대 엔지니어링 의사결정자들은 이 단계에서 과도한 계산 능력 사용을 무의미하고 시간 낭비로 간주합니다. 근사치를 포함하는 기술 채택이 훨씬 효율적이며 매개변수 모델링 실행에 필요한 시간을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이러한 기술에는 시스템의 수학적 복잡성을 줄이면서 지배적인 편미분 방정식의 물리학을 그대로 유지하는 차수 축소 모델링(Reduced Order Modeling)이 포함됩니다.

초기 분석이 수행된 후 결과가 최적화를 위한 설계 변경을 지시하는 반복적 절차가 작동합니다. 이 절차는 개념 설계와 예비 설계 단계를 연결하는 링크입니다. 더 자세한 내용은 산업 디자인 시제품 제작을 참조하세요.

유명한 하우(Howe) 모델의 프로젝트 합성 공정을 요약해 보겠습니다.

• 타당성 연구의 연장으로 간주되지만 더 큰 세부 사항과 복잡성이 관여됩니다.
• 이 공정의 첫 단계는 하나 이상의 구성 선택입니다.
• 두 번째 단계는 비행 영역과 동력장치 선택으로 알려져 있습니다. 주어진 운용 조건(마하 수 등)에 대해 동력장치 유형(터보프롭, 피스톤프롭, 터보팬, 저 바이패스 터보팬, 터보제트, 램제트 등)을 후보로 좁힙니다.
• 다음 단계는 동체 배치 선택입니다. 탑재량 세부 사항이 이 단계를 이끄는 주요 요인인 경우가 많습니다. 이는 항공기 질량의 첫 예측을 위한 좋은 출발점을 제공합니다.
• 날개 구성이 다음입니다. 수많은 매개변수가 관여되는 공기역학 연구소의 복잡한 절차입니다. 예비 설계 공정의 근본적인 단계입니다. 연속 분석 후 양력, 항력, 항공기 질량의 초기 추정을 이끌며 날개 하중 추정 계산도 달성하는 데 도움이 됩니다. 날개 하중 추정은 다양한 비행 조건에 맞춰 조정된 이론적 방정식과 경험적 데이터를 기반으로 수행됩니다. 추력-중량 비율의 대략적 추정도 달성하는 데 도움이 됩니다.
• 마지막으로 매개변수 분석 단계가 작동합니다. 첫 단계는 날개와 동체 치수를 결합하여 각 비행 단계에 대한 결과 세트를 생성합니다. 이는 설계 공간의 형성을 초래합니다. 적절한 날개 하중과 추력-중량 비율 세트가 매개변수 분석의 두 번째 단계에 선택됩니다.
• 매개변수 분석의 두 번째 단계는 선택된 데이터 세트를 통합하여 전체 항공기 질량을 계산합니다. 최적 질량 값을 제공하는 세트를 사용하여 심층 분석과 평가를 위한 기준 설계(referee design)를 만듭니다.
• 기준 설계가 평가되어 다음을 제공합니다:
  • 조종면 예상 크기
  • 착륙 장치 배치 완성 지원
  • 양력, 항력, 질량 값의 더 나은 추정
  • 조정된 입력 데이터와 복잡한 추정 방법 기반의 성능 특성 재계산
  • 질량 수렴 기준이 충족될 때까지 절차 반복
• 이 설계 단계가 끝나면 그래픽 또는 수학적 기법을 사용하여 중요한 설계 영역을 식별하기 위한 민감도 설계 연구가 수행됩니다. 또한 유압, 전기, 화재 진압, 결빙 방지, 공압 시스템 설계 등 다른 활동도 동시에 진행됩니다.

다음 단계인 상세 설계 단계에서 마법이 일어납니다. 즉, 설계가 완전히 정의되고, 테스트용 축소 모델이 시제품 제조업체로부터 주문되며, 조립을 위한 설계(DFA)와 제조를 위한 설계(DFM)를 기반으로 실제 토폴로지, 기하학, 치수, 공차, 재료 사양을 갖춘 최종 도면이 작성됩니다. 다음 섹션에서 이에 대해 더 자세히 논의해 보겠습니다.

상세 설계(Detailed Design)

이 단계의 초점은 주로 이전 단계에서 개략된 설계 절차에 대한 검증을 받는 것입니다. 전체 설계 공정에서 가장 광범위한 단계입니다. 각 부품의 최종 설계, 시제품 제작, 테스트에 초점을 맞춥니다. 예비 설계 단계에서 획득한 데이터를 기반으로 이 단계는 컴퓨터 지원 설계(CAD)와 컴퓨터 지원 제조(CAM) 패키지를 사용하여 설계 활동을 지원합니다.

성능, 제조 비용, 소요 시간, 운영 효율성이라는 4가지 요소를 고려합니다. 포괄적인 결과를 위해 지상 테스트와 비행 테스트 두 가지 유형의 테스트 절차가 관여됩니다. 각각의 구체적인 내용을 더 자세히 살펴보겠습니다.

• 지상 테스트(Ground Testing): CFD 패키지 결과 검증을 위한 풍동 테스트, 구조 테스트, 항공전자 평가, 시스템 점검이 포함됩니다. 이 단계에서 시제품 제작이 빛을 발합니다. 초기 테스트를 위한 축소 부품 시제품 제작이 비용과 소중한 시간을 절약하는 열쇠입니다. 좋은 시제품 서비스 제공업체는 귀하의 측에서 요구한 재료 사양에 따라 구조를 제작하는 적절한 전문성을 사용할 것입니다. 시제품은 강도, 강성, 플러터, 탄성 안정성, 기타 시스템 매개변수 분석에 사용될 수 있습니다. 정적 하중, 동적 하중, 진동 모달 분석, 플러터 분석은 수행해야 할 주요 테스트들입니다. 축소 항공기 부품의 경우 광경화성 수지 조형(SLA) 3D 프린팅이 개략된 설계와 실험 결과 간의 포괄적 평가에 필요한 정확도를 제공합니다.
• 비행 테스트(In-Flight Testing): 실제 항공기의 성능과 비행 특성을 검증하기 위한 인증 기관의 관여가 포함됩니다. 이 기관들은 감항 당국으로 알려져 있습니다. 이들은 연방 항공 규정 감항 기준에 개략된 사전 설정된 설계 및 안전 요구사항을 기반으로 항공기 설계를 평가합니다. 다음 표는 모든 감항 기준과 각각의 용도를 포괄적으로 개략합니다.

이 기준 중 가장 주목할 만한 것은 최대 이륙 중량(MTOW) 12,500파운드 이하, 승객 9명 이하의 일반, 유틸리티, 곡예 비행기에 적용되는 FAR Part 23입니다. 또한 MTOW 19,000파운드 이하, 승객 19명 이하의 통근용 비행기에 대한 표준도 규정합니다.

에어버스 A320이나 보잉 737 같은 상업용 수송기 카테고리 비행기의 경우 FAR Part 25가 요구되는 표준을 규정합니다. Part 25에는 A, B, C, D, E, F 다양한 하위 파트가 있으며, 모두 상업용 수송 항공기의 다양한 시스템과 하위 시스템에 대한 표준을 규정합니다.

마찬가지로 회전익기(흔히 헬리콥터로 알려짐)의 경우 FAR Part 27과 29가 각각 일반 및 수송 카테고리에 대한 표준을 규정합니다. 감항 인증을 달성한 후 설계 주기는 사실상 이 단계에서 수명 주기 비용의 95%가 발생하며 끝납니다. 이어서 대규모 제조 단계가 뒤따릅니다.

항공기 설계 공정 마무리

항공기 설계 주기에 대한 이 심층 검토는 매우 복잡해 보일 수 있습니다. 그러나 단계별 접근, 비판적 사고에 기반한 성숙한 결정, 현명한 의사 결정으로 항공기 설계 주기는 달성 가능한 위업입니다. 현대 시대에서 비용과 시간 측면에서 이해관계가 높은 상황에서, 시제품 제작의 활용은 설계 아이디어의 포괄적 검증에 전적으로 의존하는 항공기 설계의 성공을 위해 필요할 때와 장소에서 필수적입니다. 하지만 항공 분야에서 정확성이 매우 중요하므로 올바른 시제품 제조업체의 서비스를 이용하는 것이 정말 중요합니다. 설계 주기의 어느 단계에서든 지름길을 택하면 나중에 파괴적인 결과를 초래합니다. 최근 보잉 737 맥스(Max) 사례처럼 말입니다.