요지
항공기 관련 사고는 많은 인명피해 및 물질적 손해가 크게 발생한다. 현재 국내 항공기 활주로 관련 사고는 전체 사고의 28%를 차 지하고 있으며, 국제적으로 33%의 항공기 활주로 사고가 발생하였다. 이러한 사고를 예방하기 위하여 FAA에서는 규정에 미치지 못하 는 활주로 종단안전구역에 과주방지 포장시스템의 설치를 의무화하고 있으며, 안전성 확보를 위하여 활주로 종단안전구역이 규정에 만 족하더라도 과주방지 포장시스템의 설치를 권고하고 있다. 이러한 국제적 정세에 맞추어 국내에서도 과주방지 포장시스템에 대한 연구 가 진행되고 있으며 과주방지 포장시스템의 국내 도입에 대한 절차도 이루어지고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 과주방지 포장시스템 에 대한 합리적인 성능평가를 하기위하여 FAA에서 사용하고 있는 ARRESTOR 프로그램과 3차원 비선형 동적해석이 가능한 LS- DYNA를 이용하여 항공기의 활주로 과주에 따른 제동거리, 견인력, 수직력 및 관입량을 비교하였다. 해석 결과 제동거리는 비슷하게 해 석되었고, 견인력 및 수직력은 다소 차이가 발생하였으나 경향은 비슷하게 도출되었다. 추후 다양한 항공기 조건 및 포장재료의 특징을 고려한 3차원 시뮬레이션 해석이 필요하며, 지속적인 시뮬레이션 해석 기법을 개발하여 보다 정확한 해석방법을 개발할 필요가 있다.
핵심용어
과주방지 포장시스템, 활주로 종단안전구역, ARRESTOR 프로그램, LS-DYNA, 3차원 시뮬레이션
수치해석을 이용한 항공기 과주방지 포장시스템의 평가방법에 관한 연구
A Study on Evaluation of Aircraft Rapid Arresting System Using the Numerical Analysis
이 영 수 Lee, Young Soo 정회원·정인기술단 전무·연구책임자 (Email : [email protected]) 김 춘 선 Kim, Choon Seon 정회원·정인기술단 전무 (Email : [email protected])
하 욱 재 Ha, Wook Jai 정인기술단 부장 (Email : [email protected]) 한 재 현 Han, Jae Hyun 한국교통연구원 책임연구원 (Email : [email protected])
ABSTRACT
Aircraft-related accidents cause mass casualties and major material damages. At present, runway-related accidents in our country account for 28%
of all air accidents. Furthermore, internationally 33% of all air accidents is connected with runway. To prevent these accidents, FAA mandates the installation of aircraft rapid arresting system(ARAS) at the runway end safety areas which do not meet the FAA requirements. Even if the areas satisfy the conditions, FAA recommends the installation of ARAS to ensure the safety. In accordance of the international affairs, the domestic studies for ARAS are in progress and the legal formalities for domestic adoption of ARAS is under way. In this study, we analyzed the stopping distance, drag force, vertical force and tire penetration of runway overrun to assess the performance of ARAS reasonably by using two different kinds of analysis programs. The first is ARRESTOR program adopted by FAA, and the second is LS-DYNA which is available for 3-dimensional nonlineal dynamic analysis. As a result, analytically the stopping distances between two programs are similar. The drag force is rather different, but the tendencies are similar. Later on, the 3-dimensional simulation analysis considering various air-craft condition and properties of packaging materials is necessary. In addition, ongoing development of simulation analysis program is required for more accurate analistic results.
KEYWORDS
aircraft rapid arresting system, runway end safety area, ARRESTOR program, LS-DYNA, 3-dimensional simulation analysis 한국도로학회 논문집
제13권 제1호 2011년 3월
pp. 185 ~ 195
1. 서론
최근 항공기 기술개발 및 항공 종사자의 노력으로 인하여 항공기 관련 사고율은 감소하였으나, 한건의 항공기 사고가 발생하였을 경우에도 많은 인명피해 및 물질적 손해가 크게 발생한다. 국내 항공기 사고는 항공₩철도사고조사위원회에서 조사를 실시하고 있으며, 항공사고가 처음 발생된 최초자료 부터 지금까지 자료를 축척해오고 있다. 또한 국제민간항공 기구(ICAO`:`International Civil Aviation Organization) 는 1947년 이후부터 사고통계를 축적해오고 있다.
국내항공사고에 대해 1980년도부터 2008년까지 항공사고 통계자료를 토대로 살펴보면 83건의 항공기 사고가 발생하였 으며, 전체 사고에서 28%인 23건이 항공기 착륙 시 발생하 였다. 1959년부터 2007년까지 국내에서 발생한 사고를 포 함하여 전 세계적으로 발생한 항공기 사고는 1년에 평균 32 건이 발생하였으며, 이중 심각한 사고는 1년에 평균 11.5건 이 발생되었다. 항공기 사고 유형을 살펴보면 항공기 착륙관 련 사고는 전체의 33%를 차지하고 있다.
활주로 주변 항공사고 대부분은 과주(이탈, 활주로 전착지) 에 의하여 발생하였다. 국내에서 발생된 활주로 주변사고 27 건 중 활주로 전착지는 1건, 활주로 이탈은 17건, 활주로 과주 사고는 9건으로 조사되었다. 그리고 해외에서 발생된 활주로 주변사고를 항공사 조종사협회가 조사한 자료를 보면, 1,146 건 중 활주로 전착지는 278건, 활주로 이탈은 402건, 활주로 과주사고는 466건으로 조사되었다(국토해양부, 2009).
이러한 활주로 과주사고를 예방하기 위하여 국제민간항공기 구, 미연방항공청(FAA`:`Federal Aviation Administration) 에서 활주로 종단안전구역(RESA`:`Runway End Safety Area)기준을 300m(1,000피트)를 확보하도록 설정하였으 며, 국내 항공법에도 300m를 권고하고 있다. 그러나 대부분 의 활주로의 경우 활주로 종단안전구역 기준을 제시하기 이 전에 건설되어 시설기준에 미흡한 실정이다. 기존 활주로를 표준안전구역으로 확장할 경우 자연장애물, 환경, 지역개발 등으로 활주로 종단안전구역을 연장하기 위한 공간 확보가 곤란하여 지형적, 환경적, 경제적 영향으로 활주로 종단 안전 구역확장보다는 과주하는 항공기를 안전하게 정지시키기 위 한 수단인 과주방지 포장재의 개발 필요성이 증대되었다(국 토해양부, 2009).
과주방지 포장시스템이란 활주로 시단(runway threshold) 을 이탈하는 항공기를 제동시킬 목적으로 항공기 하중이 작용 할 때 확실히 깨진다는 것을 예측할 수 있는 강도를 가지면서 높은 에너지를 흡수할 수 있는 공학적인 재료로 과주로에 설치 하는 수동적인 급제동시설을 가리킨다(김춘선 등, 2010).
미연방항공청에서는 1984년에 발생한 JFK 국제공항에서 의 사고를 계기로 1986부터 과주방지 포장시스템을 연구하
기 시작하였다. 그 후 1995~96년도에 기포 콘크리트를 이 용한 시험에서 성공한 뒤 과주방지 포장시스템의 설계기준인 AC 150/5220-22 기준서를 발행하였다. 1999년에 발행한 FAA Order 5200.8에서는 활주로 안전구역 프로그램의 평 가과정에 대하여 설명하였고, 2004년에 FAA Order 5200.9를 발행하여 FAA Order 5200.8과 연관하여 과주방 지 포장시스템의 경제성 평가방법을 제안하여 활주로 종단안 전구역의 개량에 대하여 가장 실질적이며 경제적으로 타당한 대안 결정을 하고 있다. 미국에서는 1998년에 최초로 JFK 국제공항 4R방향에 폼크리트 과주방지 포장시스템을 설치하 여 총 3회의 과주사고를 큰 피해 없이 안전하게 정지시켰으 며, 2008년까지 30개 공항의 45개의 활주로에 과주방지 포 장시스템을 설치하였다.
현재 국내에서는 항공기 과주방지 포장시스템 개발의 필요 성이 증대되어 항공기 과주방지 포장시스템에 관한 기준안을 검토 중에 있으며, 과주방지 포장시스템에 적합한 재료개발 에 대한 연구가 진행되고 있다(김춘선 등, 2010). 그러나 개 발된 재료를 평가하기 위한 가장 좋은 방법은 실제 항공기를 이용한 실물시험이 병행되어야 하지만 국내에서는 어려운 실 정이다. 현재 FAA에서 과주방지 포장시스템에 적합한 재료 를 평가하기 위해 실제 항공기를 이용한 실물크기 실험을 수 행하기도 하였으며, ARRESTOR라는 컴퓨터 프로그램을 이 용하여 제동거리를 예측하기도 한다(FAA, 2005).
본 논문에서는 FAA에서 1차적으로 과주방지 포장재료의 적 합성을 평가하는데 사용되고 있는 ARRESTOR 프로그램과 비선형 동적해석이 가능한 3차원 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 항공기가 과주방지 포장시스템에 진입하였을 경우 제동거리, 항공기 바퀴의 관입깊이, 수직력, 견인력 및 감속도 를 비교하였다. 이러한 비교검증을 바탕으로 항공기 과주방지 포장시스템 시뮬레이션의 적합성을 평가하는데 목적이 있다.
2. 과주방지 포장시스템
(ARAS`:`Aircraft Rapid Arresting System) 2.1. 과주방지 포장시스템의 개요
활주로를 과주하는 항공기의 착륙기어에 견인력을 작용시 켜서 제동거리를 줄이기 위하여 활주로 끝단에 저밀도이며 낮은 강도를 가지고 있는 포장재료를 설치함으로서 승객의 안정성 및 항공기 손상을 최소화 시키는 방식을 과주방지 포 장시스템이라 한다. 과주방지 포장시스템은 현재 미국 FAA 에서 도입하여 미국 내 활주로 종단안전구역 길이를 확보하 지 못하는 활주로에 설치하였으며, 현재 설치하고 있는 활주 로도 있다(Aerodromes Panel, 2009).
국내 항공법 및 ICAO의 활주로 종단안전구역의 설치기준
은 분류번호 3,4(계기비행)일 때 폭은 150m 길이는 최소한 90m 이상이어야 하고, 240m까지 연장되도록 권장하고 있 다. 미국 FAA에서는 활주로 종단안전구역의 접근등급 C, D 의 활주로 종단안전구역의 폭은 150m(500ft)이며, 길이는 300m(1,000ft)을 확보토록 규정하고 있으며, 활주로 종단안 전 구 역 에 FAA에 서 인 증 한 과 주 방 지 포 장 시 스 템 (EMAS`:`Engineered Material Arrestor Systems)을 180m 길이로 설치할 경우 300m의 활주로 종단안전구역 길 이에 상응하는 것으로 간주하고 있다(FAA, 2002, 2005).
과주방지 포장시스템의 설치 위치는 그림 1과 같이 제트 후류로부터 과주방지 포장을 보호하고, 항공기가 활주로에 전착지할 경우 과주방지 시스템이 방해가 되지 않도록 고려 하여 활주로 시단으로부터 일정거리 떨어진 활주로 종단안전 구역 내에 설치한다.
2.2. 과주방지 포장시스템의 제동 원리
항공기가 과주방지 포장시스템에 접근하여 제동되는 원리 및 항공기 착륙기어에 작용하는 힘의 자유도는 그림 2에 나 타내었다. F
sprung
은 스프링에 작용하는 항공기 중량에 의한 하중이고, Funsprung
은 스프링이 없는 지지대에 작용하는 중량 이며, Fz-arrestor
는 항공기 타이어에 작용하는 총 과주방지 포 장재의 반력을 말한다. 과주방지 포장재는 바퀴와 활주로 간 의 마찰력Ffriction
보다 짧은 활주로 길이에서 항공기를 감속 하기 위한 많은 견인력인 Fx-arrestor
을 만들어 내며, 과주방지 포장재 내에서Ffriction
는Fx-arrestor
와 비교하면 그 값은 무시될 정도로 작다. 과주방지 포장재는 항공기 바퀴 하중으로 인해 재료가 깨진 후 복원이 일어나지 않거나 매우 적게 일어나는 소성 거동을 나타내며, 정지거리를 증가시키는F(materialrebound)
는 고려하지 않는다(Heymsfield, 2008).
항공기가 과주방지 포장시스템에 의해 제동되는 과정에서 항공기 가속은 뉴턴 제 2법칙에 의한 항공기 무게중심에 의 해 결정되며, 다음 식(1)은 과주방지 포장재 견인력과 공기 역학적인 견인력에 의한 감속에 대한 상호작용에 관한 결과
표 1. 활주로 종단안전구역 기준 (ICAO CODE 3, 4, 계기비행)
비교(국토해양부, 2009)
구 분 ICAO
(RESA)
FAA (Runway End Safety Area) 항공안전본부 (RESA) FAA표준 FAA (EMAS)
RESA 길이 (일방향)
의무 : 90m 권고 : 240m
300m (1,000ft)
180m (600ft)
의무 : 90m 권고 : 240m
RESA 폭 150m 150m 착륙대폭이상 150m
그림 1. 과주방지 포장 시스템 설치 위치 (a) 과주방지 포장시스템의 개념
(b) 과주방지 포장시스템 표준단면(FAA, 2005)
그림 2. 항공기 과주방지 포장시스템 원리 (a) 항공기 착륙기어 자유도(Heymsfield, 2008)
(b) 과주방지 포장시스템 이론 모델
Fsprung
F
unsprung
F
(material rebound)
F
x-arrestor
F
friction
F
x-arrestor
aircraft velocity z
x
타이어 운동방향
활주로 표면 리바운드 높이 타이어스프링 요소
바퀴축수직이동
타이어표면 원호세그먼트 포장재 높 이
RUNWAY SAFETY AREALENGTH
BASE
BASE LEAD IN RAMP
RUNWAY END EMAS BED
RUNWAY
RUNWAY WIDTH
SIDE SLOPES/STEPS FOR ARFF ACCESS AND PASSENGER EGRESS SET BACT
(VARIES)
식을 나타낸 것이다.
(1)
여기서, =`항공기 중량
=`항공기 무게중심에서 가속도
=`공기압과 항공기 공기 역학적인 힘 및 추진력에 의한 견인력
3. 항공기 과주방지 시스템 시뮬레이션 3.1. 시뮬레이션 적용 항공기 및 포장재료 3.1.1. 항공기 제원
시뮬레이션에 적용한 항공기는 국내 항공사에서 가장 많이 보유하고, 활주로 이용이 가장 많은 기종인 보잉사 B737- 800으로 결정하였으며 B737-800의 제원은 그림 3과 같다.
항공기의 무게중심(C.G)은 항공기에 탑재되는 사람, 화물, 장착물에 따라서 그 위치가 변동 되는데, 안전한 비행을 위한 무게중심의 허용 변화를 무게중심 범위라 하고 항공기의 무 게중심은 이륙, 비행, 착륙 중 항상 이 무게중심 범위 한계 내 에 있어야 한다. 무게중심 한계는 항공기가 미국 FAA의 요구 사항에 의한 성능과 비행특성을 갖춘 경우의 무게중심 위치이 며, 이 한계는 평균공력시위(MAC: Mean Aerodynamic Chord)의 백분율이나 항공기의 기준선(datum line)에서 앞, 뒤를 거리로 나타낸 것이다. 항공기의 무게중심 위치는 전체 모멘트를 전체무게로 나누어 구할 수 있으며 그림 4는 항공기 무게중심 산정 예를 나타낸 그림이다.
본 연구의 대상항공기(B737-800)의 무게중심은 표 2와 같이 산정하였으며, 무게중심의 위치는 그림 5와 같이 메인 기어 중심에서 전방으로 1.56m 이격된 것으로 계산되었다.
그림 3. B737-800 항공기 제원(Beoing, 2005)
그림 4. 항공기 무게중심 산정 예
그림 5. 항공기(B737-800) 무게중심 산정
항 목 무게(ton) 모멘트 길이(m) 모멘트(ton·m)
Main Wheel 35.31 19.69 695.25
Nose Wheel 3.92 4.09 16.03
합계 39.23 - 711.28
C.G 위치 711.28/39.23 = 18.13m (19.69-18.13 = 1.56m)
전방한계 후방
한계 허용
C.C범위 10lb 50lb
10° 50°
표 2. 항공기(B737-800) 무게중심 계산
<그림 계속>
a b
C.G
3.1.2. 과주방지 포장재료의 강도특성
과주방지 포장재료의 물성치는「항공기 과주방지 포장시스 템에 적합한 저강도 펄라이트 콘크리트의 개발 및 적합성 연 구」(김춘선 등, 2010)에서 실험한 재료를 적용하였으며 재료 에 대한 일축압축강도 실험 결과는 그림 6과 같다.
과주방지 포장재료가 항복 이후의 소성구간에서 변형경화 곡선이 고차함수의 포물선을 나타내고 있으나, 해석 시간의 단축 및 실제 경향과 유한요소해석 경향의 많은 차이를 보이 지 않기 때문에 동적 비선형 유한요소프로그램인 LS-DYNA 에서 과주방지 포장재료의 물리적인 특성을 실제 경향과 비 슷하게 되도록 하기 위하여 탄성구간 이 후의 소성상태에서 의 변형경화율(strain-hardening rate)을 0으로 하여 완전 소성거동상태로 가정하였다. 그림 7은 실험을 통한 재료 응 력-변형률 곡선과 LS-DYNA에 적용한 응력-변형률 곡선을 나타낸 그래프이다.
미국 FAA에서 사용하는 ARRESTOR 프로그램의 경우 포장재료에 대한 입력 데이터는 그림 8과 같이 관입실험을 통한 결과를 적용하였다. 본 연구에서 적용한 포장재료에 대 한 관입실험결과는 그림 6에서 측정한 재료와 동일한 방식으 로 만든 case3을 이용하여 실험한 관입실험 결과를 이용하였
으며, 실험 결과는「항공기 과주방지 포장시스템에 적합한 저 강도 펄라이트 콘크리트의 개발 및 적합성 연구」(김춘선 등, 2010)의 3.3.4 관입강도실험 결과를 이용하였다. 관입강도 실험 결과는 그림 8과 같다.
3.1.3. 과주방지 포장재 단면 설정
과주방지 포장시설의 단면은 그림 9와 같이 항공기가 포장 재의 진입 시 항공기의 손상을 줄이기 위하여 진입부에 24m 길이의 램프경사들 두어 기하학적인 단면으로 설정하였다.
과주방지 포장재가 설치되는 총 길이는 157m로 하였으며, 폭은 항공기 메인기어의 폭을 고려하여 10m로 결정하였다.
그리고 과주방지 포장시스템의 높이는 항공기 바퀴 지름이 약 1.2m이므로 바퀴의 중심축까지의 길이를 고려하여 0.6m 로 결정하였다.
3.2. ARRESTOR 프로그램
ARRESTOR는 Cook에 의하여 개발된 약한 지반 위를 이 동하는 전투기의 이동을 예측하기 위하여 사용된 FITER1 컴퓨터 코드를 확장한 것으로 현재 FAA에서 공개한 프로그 램이다. ARRESTOR 프로그램은 FAA에서 1995년에 과주 방지 포장시설의 성능을 예측하는 수치해석 프로그램으로 수 치해석과 실물 항공기 주행시험을 통한 결과에 대하여 비교
그림 6. 과주방지 포장재료의 응력`-`변형률 곡선
그림 7. 시뮬레이션에 적용한 응력`-`변형률 곡선
그림 8. ARRESTOR에 적용한 응력`-`관입비 그래프
그림 9. 과주방지 포장시설의 단면
변형률(%)응력(kN/m2)
변형률(%) 응력(kN/m2)
변형률(%) 응력(kN/m2)
₩분석하여 프로그램의 신뢰성이 입증되었다(White and Agrawal, 1993). ARRESTOR 프로그램의 입력과 출력 개 요는 그림 10에서 나타낸 바와 같다.
ARRESTOR 프로그램의 입력데이터는 그림 11과 같이 비행기의 특징, 과주방지 포장시스템의 재료에 대한 강도특 성 그리고 과주방지 포장시스템의 형상을 입력한다. 그리고 ARRESTOR 프로그램을 통한 출력물은 항공기 노즈 및 착 륙기어에 걸리는 힘, 과주방지 포장재료의 깨지는 두께, 항공 기의 제동 거리이다.
3.3. LS-DYNA 프로그램 3.3.1. LS-DYNA 프로그램 소개
과주방지 포장시스템의 수치해석은 포장재료의 물리적 특 성, 포장시설의 기하학적인 형상, 항공기의 여러 매개변수들 을 고려하여야 한다. 매개변수들은 항공기 기어하중, 기어형 상, 타이어 접촉압력, 무게중심, 과주속도를 포함하며, 이러 한 입력변수에 의하여 항공기의 기어 견인력, 관입 깊이, 항 공, 감속비율, 과주방지 포장시설 내에서의 정지거리등을 계 산할 필요가 있다.
과주방지 포장시설의 시뮬레이션은 항공기 착륙기어의 복잡 한 구조와 과주방지 포장재료의 비선형 거동, 포장재의 형상 이 일정하지 않은 기하학적인 형상을 가지므로 이러한 계산은 매우 복잡하다. 따라서 본 연구에서는 파괴, 충돌 등의 해석에 뛰어난 장점이 있는 프로그램 중 LSTC社에서 개발한 LS- DYNA를 이용하여 과주방지 포장시스템의 제동능력을 시뮬 레이션 하였다. LS-DYNA는 비선형 동적해석을 짧은 시간 내에 효율적으로 수행할 수 있는 외삽법(Explicit 해석기법)을 적용하여 고난도의 비선형 구조해석 문제를 해결할 수 있다.
본 연구에서는 B737-800 항공기에 대하여 시뮬레이션 기 초를 연구하고 항공기가 활주로 종단을 과주하였을 때 과주 방지 포장재의 견인작용으로 인한 포장시설 내에서 제동거리 를 분석하고 속도 및 견인력, 관입 깊이 등에 대한 해석결과 를 도출하여 ARRESTOR 프로그램을 통한 검토결과와 비교 분석하였다.
3.3.2. 과주방지 포장재 모델링
그림 12는 과주방지 포장시설 및 기초, 항공기의 전체 모델을 나타내고 있으며, 항공기의 요소(Element)의 개수는 29,317
그림 10. FAA ARRESTOR 프로그램의 Input -
Output(Heymsfield, 2008)
그림 11. ARRESTOR 프로그램의 입력데이터 종류 (a) 메인화면
(b)재료의 강도특성 입력창
(c)과주방지 포장시스템의 형상 입력
그림 12. 과주방지 포장시설 시뮬레이션 모델링 전체계
Ground과주방지포장재 Plane
(B737-800)
Unit : ton, mm, sec, N
개, 과주방지 포장재의 개수는 2,228,310개, 기초의 개수는 239,207개를 사용하여 모델링하였으며, 과주방지 포장의 재료 파괴 모델은 Soil And Foam Failure를 사용하였다.
3.3.3. 항공기 모델링
항공기는 그림 13과 같이 모델링 하였다. 그리고 항공기의 기하학적인 형상이 좌우 대칭인 관계로 반단면 조건을 적용 하여 모델을 구성하였으며 항공기의 중량은 최대 이륙중량으 로 설정하였다. 과주방지 포장시스템에 접근할 때의 항공기 속도는 활주로 종단을 어떠한 역 추력이 없는 조건을 가지는 130km/hr(70knot)로 과주하는 것으로 설정하였으며 역 추 력 및 제동장치를 사용하지 않는 조건으로 검토하였다.
항공기 과주방지 포장시설의 시뮬레이션에서 과주방지 포 장시스템과 착륙기어 사이에서 발생하는 견인력으로 항공기 가 제동하기 때문에 항공기 착륙기어의 모델링이 가장 중요 하다. 항공기 착륙기어의 구조 형태는 복잡한 구조를 가지며, 항공기의 착륙기어는 그림 14와 같이 랜딩기어와 타이어 휠, 타이어로 구성되어 있다.
노즈(Nose)기어의 타이어 크기는 27×7.76R15, 메인 (Main)기어의 타이어 크기는 H44.5×16.5-21를 사용하였 으며, 착륙기어에서 과주방지 포장재와 같이 완충작용을 해 주는 타이어의 공기압은 185psi를 적용하였다. 그림 14∼15 와 같이 노즈(Nose)기어와 메인(Main)기어를 2D 요소 (Shell element)를 사용하여 모델링하였으며, 표 3에 노즈 (Nose)기어와 메인(Main)기어의 구조들의 사용된 요소 (Element) 두께, 재료물성, 요소수를 나타내었다.
4. 과주방지 포장 시뮬레이션 결과 4.1. 제동거리와 감속도
그림 16은 ARRESTOR 프로그램과 시뮬레이션(LS- DYNA)의 제동거리에 따른 속도 변화의 결과를 나타내고 있 다. 분석 결과, ARRESTOR는 60m 구간 내에서는 선형을 보이다가 이후 구간에서는 비선형을 보이면서 감속하여 143m에서 정지하였으며, 시뮬레이션(LS-DYNA)은 그림 16과 같이 램프구간(0∼20m)까지는 선형으로 감소하다가 램프구간 이후 속도가 급격하게 감소하여 속도가 낮은구간 (130~140m)에서 비선형을 나타내면서 140m에서 정지하 는 것으로 분석되었다. 해석 방법에 따른 제동거리를 비교한 결과는 표 4에 나타내었다.
(a) 항공기(B737-800) 모델링 측면
(b) 항공기(B737-800) 모델링 정면
그림 13. 항공기 모델링
그림 14. 착륙기어 모델링
(a) 노즈기어 모델링 (b) 메인기어 모델링
그림 15. 노즈기어 및 메인기어 모델링
표 3. 착륙기어 모델링 설정
노즈 기어 메인 기어
구 분 두께
(mm) 재료 모델 요소
수 구 분 두께
(mm) 재료 모델 요소 수 Tire-top 100 Elastic 1,056 Tire-top 100 Elastic 864 Tire-side 50 Elastic 960 Tire-side 50 Elastic 768 Rim 2.1 Elastic-Plastic 960 Rim 2.1 Elastic-Plastic 864 Wheel 3.8 Rigid 300 Wheel 3.8 Rigid 276 Airbag 10 Elastic 2,976 Airbag 10 Elastic 2,496 Tire-top1 10 Elastic-Plastic 1,056 Tire-top1 10 Elastic-Plastic 864 Tire-side1 10 Elastic-Plastic 960 Tire-side1 10 Elastic-Plastic 768
총 계 8,268 총 계 6,900
4.2. 항공기 기어의 견인력 검토 결과 4.2.1. 노즈(Nose)기어의 견인력
그림 18은 ARRESTOR 프로그램과 시뮬레이션의 제동거 리에 따른 노즈(Nose)기어 견인력을 나타낸 것이다.
ARRESTOR 프로그램 해석 결과, 0~45m 구간 내에서는 0.25×105 N으로 일정한 견인력이 발생되다가, 45m~95m 구간에서는 낮은 견인력을 보이며 95m 구간 이후 급격하게 증가하여 최대 1.32×105 N까지 발생되었다. 시뮬레이션 해 석 결과, 최대 견인력은 제동거리 43m 구간에서 2.9×105N 이 발생되었으며, 항공기의 이탈속도가 감소할수록 노즈기어 의 견인력은 감소하는 경향을 보였다. 그리고 항공기의 무게 중심이 메인기어 쪽에 위치하고 있어 과주방지 포장시스템 진입 초기에 노즈기어의 견인력이 불규칙하게 나타난 것으로 판단된다.
ARRESTOR 프로그램은 계산식을 단순반복 수행하여 나 온 결과로서 항공기 속도가 감속될수록 견인력이 매우 증가
되는 것으로 분석되었으나, 시뮬레이션 결과는 속도 감속으 로 인해 정지하기까지 점차 견인력 또한 감소하는 것으로 분 석되어 실제 항공기의 속도가 감소하면 견인력 또한 시뮬레 이션 결과와 같이 감소할 것으로 판단된다.
4.2.2. 메인(Main)기어의 견인력
그림 19는 ARRESTOR 프로그램과 시뮬레이션의 제동거 리에 따른 메인(Main)기어 견인력을 나타내고 있다.
ARRESTOR 프로그램 해석 결과, 메인(Main)기어 최대 견 인력은 3.79×105N이 발생하였으며, 평균적으로 3.0×105 N의 견인력에서 불규칙한 변화를 나타내었다. 시뮬레이션 해 석 결과, 최대 견인력은 제동거리가 27m인 지점에서 2.30×
105N이 발생하였으며, 항공기의 이탈속도가 감소함에 따라 약 0.7×105 N의 견인력으로 수렴하는 규칙적인 경향을 나 타내었다.
4.3. 항공기 기어의 수직력 검토 결과 4.3.1. 노즈(Nose)기어의 수직력
그림 20은 ARRESTOR 프로그램과 시뮬레이션의 제동거 리에 따른 노즈기어 수직력을 비교한 결과이다. ARRESTOR
표 4. 해석 방법에 따른 제동거리 비교
구 분 ARRESTOR LS-DYNA 비 고
제동거리
(m) 143 140
ARRESTOR`:`60m 이후 비선형 감소
LS-DYNA`:`낮은 속도에서 비선 형 감소
그림 16. 제동거리에 따른 속도 변화
그림 17. 시뮬레이션 제동거리
그림 18. 제동거리에 따른 견인력 변화(노즈기어)
그림 19. 제동거리에 따른 견인력 변화(메인기어)
거리(m)속도(km/h)
거리(m)
Drag force(N)
거리(m)
Drag force(N)
프로그램 해석 결과 노즈기어의 수직력은 제동거리가 93m 지 점까지는 불규칙하게 변하면서 평균 1.2×105N의 수직력을 나타내고 있었으나, 그 이후 수직력이 급격하게 증가하여 제 동거리 128m 지점에서 2.76×105N의 최대 수직력이 발생 하였다. 시뮬레이션 해석결과 과주방지 포장시스템에 진입한 이후 60m 구간까지는 수직력의 편차가 크게 발생하여 50m 지점에서 3.16×105 N의 최대수직력이 발생되었으며 다소 불규칙한 경향을 나타내었다, 그러나 60m 구간 이후 수직력 이 감소하면서 1.0×105N으로 수렴하는 경향을 나타내었다.
이러한 원인은 항공기의 무게중심이 메인기어쪽에 위치함에 따라 활주로 이탈 초기에 노즈기어가 과주방지 포장재에 완전 히 관입이 되지 않고 반동에 의하여 수직력의 변화가 크게 발 생하였으나, 항공기의 이탈속도가 감소함에 따라 일정한 수직 력으로 수렴하는 것으로 판단된다.
4.3.2 메인(Main)기어의 수직력
그림 21은 ARRESTOR 프로그램과 시뮬레이션의 제동거 리에 따른 메인(Main)기어 수직력을 비교한 결과이다.
ARRESTOR 프로그램 해석 결과 메인(Main)기어 최대 수 직력은 4.36×105N이 발생하였으며, 평균적으로 3.0×105
N의 견인력을 나타내었다. 시뮬레이션 해석결과 최대 수직력 은 과주방지 포장시스템에 진입 초기에 5.63×105N이 발생 하였으며, 이탈속도가 감소함에 따라 3.6×105 N의 견인력 으로 수렴하는 경향을 나타내었다. 이러한 이유는 항공기의 무게중심이 메인기어쪽에 위치하고 있어 노즈기어에 비해 다 소 규칙적인 수직력의 변화를 나타내는 것으로 판단된다.
4.4. 항공기 타이어 관입 깊이 검토 결과
ARRESTOR 프로그램 해석 결과, 노즈기어의 최대 포장 재 관입 깊이는 385mm로 나타났으며, 메인기어의 최대 포 장재 관입 깊이는 441mm로 나타났다. 그리고 시뮬레이션 해석결과 노즈기어의 최대 포장재 관입 깊이는 208mm로 나
그림 20. 제동거리에 따른 수직력 변화(노즈기어)
그림 22. 시뮬레이션 관입 결과 (a) 시뮬레이션 노즈기어 관입
(b) 시뮬레이션 메인기어 관입
그림 21. 제동거리에 따른 수직력 변화(메인기어)
제동 거리(m)Vertical force(N)
제동 거리(m)
Vertical force(N)
타났으며, 메인기어의 최대 포장재 관입 깊이는 268mm로 분 석되었다. 전체 포장재 깊이에 따른 관입량은 ARRESTOR 의 경우 최대 74%까지 관입한 것으로 검토되었으며, LS- DYNA의 경우 45%까지 관입한 것으로 검토되었다.
4.5. 상호 분석결과
ARRESTOR 프로그램은 과주방지 포장재와 항공기의 구 조물들을 등가 단축모델로 구성되어 수식으로 이루어져 계산 되며, 시뮬레이션(LS-DYNA)은 3차원 비선형 동적해석으로 과주방지 포장재와 항공기의 구조물들을 실제와 동일하게 이 루어져 해석되는 차이가 있다. 시뮬레이션 해석결과, 노즈 (Nose)기어의 경우 무게중심에 따라 관입보다는 포장재 위 를 타려는 현상이 나타났으며, 메인(Main)기어의 경우 관입 량은 ARRESTOR보다 시뮬레이션 결과가 더 적은 것으로 나타났다.
5. 결론
본 연구에서는 항공기의 활주로 과주사고에 따른 피해를 최 소화하기 위해 설치되는 과주방지 포장시스템에 대한 성능평 가방법을 비교하여 보다 정확한 수치해석 방법을 제안하기 위 하여 수행하였다. 항공기 과주방지 포장시스템의 시뮬레이션 평가 방법은 현재 미국FAA에서 사용하고 있는 ARRESTOR 프로그램과 3차원 비선형 동적 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 비교₩검토 하였으며, 결과는 다음과 같다.
1. 항공기의 제동거리를 검토한 결과 ARRESTOR의 경우 143m로 검토되었고, LS-DYNA는 140m가 검토되어 두 가지 모두 비슷한 제동거리가 발생되는 것으로 검토되었 다. 또한 ARRESTOR의 경우 0~60m 구간은 선형적으 로 감소하다가 60m 구간 이후 비선형적으로 감소하였으 나, LS-DYNA해석 결과 0~20m 구간은 선형적으로 감 소하다가 20m 이후 급격하게 감속되었고, 저속도 구간인 120m 이후부터 비선형적으로 감소하였다.
2. 항공기 기어에 작용하는 견인력을 검토한 결과 노즈기어 에 작용하는 견인력의 경우 ARRESTOR 검토결과 속도
가 크게 감속되는 100m 구간 이후 견인력이 최대로 증가 되는 것으로 검토되었으나, LS-DYNA의 경우 45m지점 에서 최대로 증가하였으며 그 이후 점차 감소하는 것으로 나타났다. 또한 메인기어에 작용하는 견인력의 경우 평균 적으로 노즈기어보다 작용하는 견인력이 보다 크게 발생 되었으며, 이러한 결과는 항공기의 무게중심이 메인기어 에서 전방으로 1.56m 떨어진 지점에 위치하여 노즈기어 보다 메인기어에 작용하는 견인력이 상대적으로 크게 걸 리는 데 따른 것으로 판단된다.
3. 항공기 기어에 작용하는 수직력을 검토한 결과 ARRESTOR의 경우 100m 구간 이후부터 증가하는 경향 이 나타났으며, LS-DYNA해석 결과 30m 구간 이후 크게 증가하였다가 점차 감소하는 것으로 검토되었다. 그러나 메인기어에 작용하는 수직력은 ARRESTOR의 경우 제동 거리에 따른 수직력의 변화가 크게 발생하지 않았으나 LS-DYNA의 경우 초기에 크게 증가하다가 점차 일정한 값으로 수렴해 가는 것으로 검토되었다.
4. 항공기 기어에 작용하는 견인력과 수직력의 관계를 검토 한 결과 수평방향으로 작용하는 견인력이 증가할수록 수 직방향으로 작용하는 수직력은 감소하였으며, 수직력이 증가하면 견인력은 감소하는 것으로 나타났다. 또한 과주 방지 포장시설에 진입 후 초반에는 견인력 및 수직력이 노 즈기어에 크게 작용하였으나 항공기의 이탈속도가 감소할 수록 메인기어에 작용하는 견인력 및 수직력이 크게 증가 하는 것으로 나타났다.
5. 항공기 타이어의 관입 깊이를 검토한 결과 ARRESTOR 의 경우 385~441mm가 관입되어 포장재 두께의 74%가 관입되었고, LS-DYNA의 경우 208~268mm가 관입되 어 포장재 두께의 45%가 관입된 것으로 검토되었다.
6. ARRESTOR 프로그램과 비교하였을 때 시뮬레이션 검토 결과 견인력 및 관입 깊이의 차이가 발생함에도 불구하고 제동거리가 비슷하게 나타난 원인은 실제 바퀴배열에 따 른 영향과 포장재와의 마찰력 때문인 것으로 판단된다. 그 러므로 정확한 예측을 하기 위하여 모든 조건을 고려할 수 있는 시뮬레이션 해석이 필요하며 시뮬레이션 해석을 보 다 정밀하게 하여 과주방지 포장시스템 설계 시 최적의 설 계가 가능할 것으로 판단된다.
