항공기의 주요 구성 (major components) 1

항공기는 다양한 목적으로 설계되지만 대부분 유사한 구조를 갖춘다. 항공기의 특징은 사용목적에 따라 결정되지만 대부분의 항공기 구조는 동체, 날개, 꼬리날개, 착륙장치와 동력장치로 구성되어 있다.

 

동체(fuselage)

동체는 항공기의 중심 부분으로서 승무원, 승개, 그리고 화물 등을 수용하도록 제작되며 주 날개와 꼬리날개가 구조적으로 연결된다. 재래식 항공기의 동체는 나무, 금속 또는 알루미늄 등으로 이루어진 트러스(truss)구조인데 현대에 사용되는 가장 대중적인 동체구조는 모노코크(monocoque)와 세미 모노코크(semi-monocoque)구조이다.

 

◈ 항공기 동체의 구조

 

트러스 구조(truss structure)

 

트러스 구조의 단점은 유선형 형태를 이루지 못하는 것이다. 이 방식은 론저론이라 불리는 긴 배관이 뼈대의 버팀대가 위치한 곳에 용접되어 있으며 수직, 수평 스트럿이 론저론에 각각 연결되어 있다. 트러스 구조는 끝에서 보면 정사각형 또는 직사각형 모양으로 보인다.

 

스트럿은 어느 방향에서든 압력에 견딜 수 있어야 하며 스트링거와 벌크헤드는 동체의 모양을 형성하는데 도움을 준다. 기술이 발전하여 항공기 설계자들은 트러스 구조를 유선형으로 만들면서 항공기의 성능을 증가시겼다. 동체의 외피는 처음에는 직물을 사용했지만 나중에는 가벼운 금속, 알루미늄 같은 것을 사용함으로써 항공기 하중을 담당하는 중요부분이 되었다. 현대 대부분 항공기의 외피는 모노코크 또는 세미 모노코크 구조를 사용한다.

 

모노코크 구조(monocoque)

 

모노코크 구조는 음료 캔의 알루미늄같이 응력외피를 사용하여 무게하중을 분산시킨다. 그러나 음료캔에 가해지는 외부의 힘이 한계에 도달하면 측면이 변하게 되는 것처럼 모노코크 구조는 표면에 가해지는 충격에 약하다.

 

모노코크 구조는 스트링거가 없어지거나 줄어들었기 때문에, 대부분의 비틀림과 굽힘 응력은 외피로 전달되며, 무게를 줄이고 내부공간을 확보할 수 있는 장점이 있다. 혁신적인 모노코크 구조는 잭 노드롭에 의해 개발되었다. 1918년에 그는 새로운 방식인 모노코크 구조로 동체를 제작하여 Lockhead S-1 Racer를 만들었다. 이전시대에 사용되었던 모노코크 구조는 복합적인 이유 때문에 수십 년 동안 재출현하지 못했었다. 모노코크 구조는 일상적으로 자동차 제작에서 찾아볼 수 있게 되었으며, 자동차 몸체구조의 표준이 되었다.

 

세니 모노코크(semi-monocoque)

 

세미 모노코크 구조는 항공기의 골조와 외피를 따로 만들어서 조립하지만 외피도 응력을 지탱하도록된 구조이다. 이 구조는 벌크헤드 그리고 다양한 크기로 이루어진 스트링거와, 굽힘과 응력이 강화된 외피 등으로 이루어져 있다. 단발엔진 항공기의 엔진은 보통 동체의 앞부분에 장착되어 있어 조종석을 엔진 화재로부터 보호하기 위해 열에 잘 버티는 금속인 스테인리스 같은 것으로 내화부분 칸막이를 부착한다. 최근의 항공기 구조는 기술 발전으로 복합 소재로 만든다.

 

◈ 복합소재를 이용한 구조

 

복합소재 구조의 역사

 

항공기제작에 이용되는 복합소재 구조는 2차 세계대전 시기에, 유리섬유와 B-2 항공기 동체에 사용된 것에 기원한다. 1950년 이후 유럽은 고성능 활공기의 주요 부분을 유리섬유를 사용하여 제작하였고 미연방항공청은 1965년 유리섬유 구조가 적용된 스위스의 고성능 활공기인 Diamant HBV에 대하여 첫 형식증명을 발부하였다.

 

4년 후 미연방항공청은 구조에 복합소재를 적용한 새로운 단발엔진 비행기인 Windecker Eagle에 대해서 형식증명을 발부하였다. 복합소재의 발전으로 2005년 이후 제작되는 새로운 항공기의 35%는 복합소재를 사용하여 제작되고 있다.

 

복합소재는 유리섬유, 탄소섬유, 케뷸러(kevlar)섬유 등을 단독으로 또는 혼합하여 사용되는 소재형태를 총칭한다. 복합구조는 극도의 유연한 외피와 유선형이거나 쉽게 커브형태의 구조를 만들 수 있는 두 가지 이점을 제공한다.

 

항공기의 복합소재(composite materials in aircraft)

 

복합소재는 섬유강화 매트릭스이다. 매트릭스는'접착제'를 의미하며 섬유를 고정시키고 형태를 보존하며 섬유조직은 구조에 전달되는 대부분의 하중을 담당한다. 최근에는 다양한 종류의 섬유와 매트릭스가 개발되고 있다. 항공기 제작에 이용되는 대부분의 공통적인 매트릭스는 열경화성 플라스틱 종류인 에폭시수지이다. 폴리에스테르수지와 비교하여 에폭시는 강하고 높은 온도에 잘 견디는 특징이 있다. 다양한 종류의 에폭시수지는 넓은 범위에 사용되며, 정비가 쉽고 내열성이 좋으며 비용절감의 장점이 있다. 

 

항공기 구조에 흔히 사용되는 강화섬유는 유리섬유와 탄소섬유이다. 유리섬유는 좋은 탄성과 압축력, 충격흡수에 장점이 있고 상대적으로 저렴하고, 손쉽게 원하는 모양으로 제작할 수 있지만 알루미늄 구조보다 무겁고 수화물을 싣기 쉬운 구조로 제작하기가 쉽지 않다. 

 

탄소섬유는 유리섬유보다 탄성과 압축력이 더 좋고 잘 구부러지는 특성으로 인해 제작이 쉽다. 하지만 충격에 잘 구부러지고 심지어 산산조각 나는 경향이 있다.

 

탄소섬유는 보잉 787의 수직, 수평 안정판에 사용되는 강화에폭시 레진 방식으로 발전했다. 탄소섬유는 유리섬유보다 비싸지만 1980년대의 B-2 제작 프로그램과 90년대의 보잉 777 개발로 인한 기술의 발전으로 가격이 많이 감소했다. 잘 만들어진 탄소섬유 소재는 알루미늄 구조보다 30%이상 가볍게 제작할 수 있다.