항공기 설계(2부):지평 확장

게시일:2020년 12월 25일 | By WayKen Rapid Manufacturing

현대의 엔지니어링 의사결정자들은 이 단계에서 과도한 계산 능력을 사용하는 것은 무의미하고 시간을 잡아먹는다고 생각합니다. 근사와 관련된 기술을 채택하면 훨씬 더 효율적이고 매개변수 모델링을 실행하는 데 필요한 시간을 줄이는 데 도움이 됩니다. 이러한 기술에는 시스템의 수학적 복잡성을 줄이면서 지배적인 편미분 방정식의 물리학이 그대로 유지되도록 하는 차수 감소 모델링이 포함됩니다.

초기 분석이 수행된 후, 최적화를 위한 설계 변경이 결과에 따라 달라지는 반복적인 절차가 시작됩니다. 이 절차는 개념적 설계 단계와 예비 설계 단계 간의 연결입니다. 자세히 산업 디자인 프로토타이핑을 참조하십시오.

프로젝트 종합 프로세스에 대한 유명한 How 모델의 요약된 형식을 살펴보겠습니다.

• 타당성 조사의 확장으로 간주되지만 더 세부적이고 복잡합니다.
• 이 프로세스의 첫 번째 단계는 하나 이상의 구성을 선택하는 것입니다.
• 두 번째 단계는 비행 체제 및 동력 장치 선택으로 알려져 있습니다. 이 단계에서 주어진 작동 조건 세트(예:마하 수 등)에 대해 선택할 동력 장치 유형(터보 프롭, 피스톤 프롭, 터보팬, 로우 바이패스 터보팬, 터보제트, 램제트 등)이 선정됩니다.
• 다음 단계는 동체 레이아웃 선택에 관한 것입니다. 페이로드의 세부 사항은 종종 이 단계의 추진 요인입니다. 이것은 항공기 질량의 첫 번째 예측을 위한 좋은 출발점이 됩니다.
• 윙 구성은 다음과 같습니다. 이것은 많은 매개변수가 관련된 공기역학 연구실의 복잡한 절차입니다. 예비 설계 과정의 기본 단계입니다. 이는 항공기의 양력, 항력, 질량의 초기 추정으로 이어지며 연속적인 분석이 수행된 후 날개 하중 추정 계산을 달성하는 데 도움이 됩니다. 날개 하중 추정은 다양한 비행 조건에 대한 경험적 데이터에 따라 조정된 이론 방정식을 기반으로 수행됩니다. 또한 추력 대 중량 비율을 대략적으로 추정하는 데 도움이 됩니다.
• 마지막으로 매개변수 분석 단계가 시작됩니다. 첫 번째 단계는 날개와 동체 치수를 결합하여 각 비행 단계에 대한 일련의 결과를 생성합니다. 결과적으로 디자인 공간이 형성됩니다. 매개변수 분석의 두 번째 단계를 위해 적절한 날개 하중 및 추력 대 중량 비율 세트가 선택됩니다.
• 파라메트릭 분석의 두 번째 단계에서는 선택한 데이터 세트를 통합하여 전체 항공기 질량을 계산합니다. 최적의 질량 값을 제공하는 세트는 심도 있는 분석 및 평가에 사용되는 심판 디자인을 만드는 데 사용됩니다.
• 심판 디자인이 평가되어 다음을 제공합니다.
  • 컨트롤 표면의 예상 크기
  • 랜딩 기어 레이아웃 완성 지원
  • 양력, 항력 및 질량 값의 더 나은 추정
  • 조정된 입력 데이터 및 복잡한 추정 방법을 기반으로 성능 특성에 대한 수정된 계산
  • 대량 수렴 기준이 충족될 때까지 절차 반복
• 이 디자인 단계가 끝나면 그래픽 또는 수학적 기술을 사용하여 중요한 디자인 영역을 식별하기 위해 감도 디자인 연구가 수행됩니다. 또한 유압, 전기, 화재 진압, 방빙 및 공압 시스템의 설계를 포함한 다른 활동이 동시에 진행되고 있습니다.

다음 단계, 즉 상세 설계 단계는 마법이 일어나는 곳입니다. 즉, 설계가 완전히 정의되고, 테스트를 위한 확장 모델이 프로토타입 제조업체에서 주문된 다음, 조립을 위한 설계 및 제조를 위한 설계를 기반으로 하는 최종 도면이 실제 토폴로지와 함께 배치됩니다. , 형상, 치수, 공차 및 재료 사양. 이제 다음 섹션에서 이에 대해 더 자세히 논의하겠습니다.

상세 디자인

이 단계의 초점은 주로 이전 단계에서 설명한 설계 절차에 대한 검증을 받는 것입니다. 전체 설계 프로세스 중 가장 광범위한 단계입니다. 각 부품의 최종 설계, 프로토타이핑 및 테스트에 중점을 둡니다. 예비 설계 단계에서 얻은 데이터를 기반으로 이 단계에서는 설계 활동을 지원하기 위해 Computer-Aided Design 및 Computer-Aided Manufacturing 패키지를 사용합니다.

성능, 제조 비용, 소요 시간 및 운영 효율성의 세 가지 요소를 고려합니다. 종합적인 결과를 얻으려면 지상 테스트와 기내 테스트와 같은 두 가지 유형의 테스트 절차가 필요합니다. 두 유형의 세부 사항을 더 자세히 살펴보겠습니다.

• 지상 테스트: 여기에는 CFD 패키지의 결과를 검증하기 위한 풍동 테스트, 구조 테스트, 항공전자공학 평가 및 시스템 점검이 포함됩니다. 프로토타이핑이 하루를 절약하는 단계입니다. 초기 테스트를 위해 크기가 조정된 부품의 프로토타이핑은 비용과 귀중한 시간을 절약하는 열쇠입니다. 훌륭한 프로토타이핑 서비스 제공업체는 적절한 전문 지식을 사용하여 고객이 원하는 재료 사양으로 구조를 제작할 것입니다. 프로토타입은 강도, 강성, 플러터, 탄성 안정성 및 기타 시스템 매개변수를 분석하는 데 사용할 수 있습니다. 정적 하중, 동적 하중, 진동 모달 해석 및 플러터 해석은 수행해야 하는 주요 테스트 중 일부입니다. 크기가 조정된 항공기 부품의 경우 광조형 3D 프린팅은 개요 설계와 실험 결과 간의 포괄적인 평가에 필요한 정확도를 제공합니다.
• 기내 테스트: 실제 항공기의 성능 및 비행 특성을 검증하기 위한 인증 기관의 참여. 이러한 기관을 감항 당국이라고 합니다. 그들은 연방 항공 규정 감항성 표준에 요약된 사전 설정된 설계 및 안전 요구 사항을 기반으로 항공기 설계를 평가합니다. 다음 표는 모든 감항성 표준과 각각의 용도를 포괄적으로 요약한 것입니다.

이러한 표준 중 가장 주목할만한 것은 최대 이륙 중량(MTOW)이 12,500파운드 미만이고 승객 수용 인원이 9명 이하인 일반 항공기, 유틸리티 항공기 및 곡예 항공기에 적용되는 FAR Part 23입니다. 또한 MTOW가 19,000파운드 이하이고 수용 인원이 19명 이하인 통근 비행기에 대한 표준을 명시하고 있습니다.

Airbus A320 또는 Boeing 737과 같은 상업용 운송 범주 항공기의 경우 FAR Part 25에 필요한 표준이 명시되어 있습니다. 파트 25에는 A, B, C, D, E 및 F라는 다양한 하위 파트가 포함되어 있으며, 모두 상업용 항공기의 다양한 시스템 및 하위 시스템에 대한 표준을 지정합니다.

마찬가지로 회전익기(가장 일반적으로 헬리콥터로 알려짐)의 경우 FAR Part 27 및 29는 각각 일반 및 운송 범주에 대한 표준을 지정합니다. 감항성 인증을 획득한 후 설계 주기는 실질적으로 이 단계에서 발생하는 수명 주기 비용의 95%로 끝납니다. 그 다음에는 대규모 제조 단계가 이어집니다.

항공기 설계 프로세스 마무리

항공기 설계 주기에 대한 이 심층 검토는 매우 복잡해 보일 수 있습니다. 그러나 단계별 접근, 비판적 사고에 기반한 성숙한 결정, 현명한 의사 결정을 통해 항공기 설계 주기는 달성 가능한 위업입니다. 비용과 시간 면에서 모두 이해관계가 높은 현대 시대에서 항공기 설계의 성공은 전적으로 설계 아이디어의 포괄적인 검증에 달려 있기 때문에 시제품 제작의 사용은 필요할 때 필요한 곳에서 매우 중요합니다. 그러나 프로토타입의 정확성이 매우 중요하기 때문에 항공 분야에서 올바른 프로토타입 제조업체의 서비스를 제공하는 것이 정말 중요합니다. 최근 보잉 737 맥스의 경우처럼 설계 주기의 어느 단계에서나 취한 지름길은 나중에 파괴적인 것으로 판명됩니다.