+ 아주대학교 대학원 기계공학과
* 교신저자, 아주대학교 공과대학 기계공학과
주소: (우) 443-749 경기도 수원시 영통구 원천동 산 5
⌧ Corresponding Author E-mail: [email protected]
항공기의 탄소 디스크 브레이크의 내마모성에 관한 연구
이장현+, 염현호+, 홍민성*
(Manuscript received: Apr, 5, 2012 / Revised: Dec, 9, 2012 / Accepted: Dec, 10, 2012)
A Study on the Antiabrasion of the Aircraft Carbon Disk Brake
Jang-Hyun Lee
+, Hyun-Ho Yum
+, Min-Sung Hong*
Abstract
ABS(Anti-skid Brake System) had been developed on purpose of most effect at breaking in limited runway. An aircraft has a large amount of kinetic energy on landing. When the brakes are applied, the kinetic energy of the aircraft is dissipated as heat energy in the brake disks between the tire and the ground. The optimum value of the slip during braking is the value at the maximum coefficient of friction. An anti-skid system should maintain the brake torque at a level corresponding to this optimum value of slip. This system is electric control system for brake control valve at effective control to prevent slip and wheel speed or speed ratio. In this study we measured the thickness of the carbon disk before and after to find its wear and it shows that carbon disk brake has higher stiffness and strength than metal disk at high temperature. In addition, thermal structural stability and appropriate frictional coefficient of the carbon disk brake prove its possible substitution of metal disk brake.
Key Words : ABS(미끄럼 방지 제동 시스템), Aircraft(항공기), Brake pressure control(브레이크 압력 제어), Carbon disk brake(탄소
디스크 브레이크)
1. 서 론
항공기가 착륙하여 활주로에 접지한 후 , 제동장치를 세게 밟 으면 바퀴의 회전이 멈추어져 미끄러지거나 타이어가 한 쪽으 로만 닳아서 위험하게 되며 제동거리도 길어지게 된다 . 따라서 브레이크를 밟은 채로 착륙하거나 또는 급브레이크를 사용하 더라도 자동적으로 제동장치가 작동하는 것이 요구된다 .
이를 해결하기 위해 미끄럼을 방지할 수 있고 바퀴의 회전 속도 및 감속률을 보다 효과적으로 통제할 수 있도록 제동압력 컨트롤 밸브 (brake pressure control valve)를 전기로 제어하는
시스템을 사용하게 된다 . 이를 미끄럼 방지(anti-skid control system) 장치라고 한다
(1).
ABS(anti-skid brake system) 는 제한된 활주로에서 항공기 를 효과적으로 제동하기위한 목적으로 개발되었다 . 항공기는 착지순간 그 속도가 매우 높아 과도한 힘으로 브레이크를 작동 하여 브레이크 잠금 현상이 발생될 경우 휠과 타이어가 회전운 동을 하지 못하고 활주로에서 미끄러짐 현상이 발생되어 타이 어가 파손되어 항공기 안전에 치명적인 영향을 끼친다 .
항공기가 착륙 시 많은 운동 에너지를 가지고 있는 상태이고 이때 브레이크를 사용하게 되면 항공기의 운동에너지는 디스
Technical Papers
Fig. 1 brake disk for air craft, developed at DACC
크 브레이크 , 활주로와 타이어 사이의 마찰에 의해 열에너지 형태로 소비하게 된다 . 브레이크 작동 시 타이어 회전 각속도가 항공기 속도보다 낮게 되면서 타이어는 미끄러지게 되고 , 이는 마찰계수를 증가시켜 항공기를 감속시키게 된다 .
ABS는 바퀴마다 스피드 센서를 설치하고 여기서 들어오는 정보를 분석 , 만일 한쪽 바퀴가 잠기면 그 바퀴만 펌핑을 해줘 바퀴의 접지력이 동일하도록 만들어준다 . 따라서 미끄러지는 스키드현상이 일어나지 않아 조종력을 잃지 않으며 , 타이어 잠 김이 생기지 않기 때문에 제동거리도 훨씬 짧아진다 .
이와 함께 항공기의 디스크 브레이크 소재로 쓰이는 탄소 복 합 재료는 탄소 기지 (matrix)의 탄소섬유로 구성되어 있으며 이러한 독특한 구성으로 인하여 내열성이 뛰어나고 내마멸성 이 우수하며 또한 낮은 비중 , 높은 열전도도, 높은 내충격성, 낮은 열팽창 등의 특성을 가지고 있다 . Fig. 1은 DACC Inc.에 서 개발한 항공기용
제동 디스크이다
(2).
탄소복합재료는 일반적으로 1,500℃ 이상의 고온에서 지속 적으로 내열성 , 내산화성, 내식성을 보여 주로 우주항공의 고속 비행체 및 엔진의 내열구조 분야 , 초고온에서 고순도 및 내식, 내마멸성 등이 요구되는 원자로 , 핵융합로 분야, 고 순도 및 고 온 열처리가 요구되는 반도체 제조 및 진공 열처리 노 분야 등 의 핵심 전략부품으로 이용된다 . 탄소복합재료는 고온 내열금 속이 담당할 수 없는 1,500℃ 이상의 고온 영역을 견딜 수 있는 필수 소재로 각광받고 있으며 , 기존의 내열합금 또는 세라믹 재료의 기술적 한계를 획기적으로 해결할 수 있는 차세대 초고 온 재료로 평가되고 있다 . 이 외에도 온도의 증가에 따라 강도 가 오히려 증가하는 특성을 가지고 있다 . 이는 탄소 재료의 특 징적인 구조에 기인한 것으로 , 고온의 열처리를 받게 되면 무질 서한 결정구조가 흑연구조로 변환되면서 각종 특성이 변화하 게 된다 . 이에 따라 고온 처리된 흑연은 2,000℃의 열에도 변성
이 없으며 , 기계적 강도가 온도상승에 따라 최고 2배까지 증가 하는 특성을 보인다 . 이는 여타의 산업용 재료에서는 발견할 수 없는 독특한 성질로 초고온 용도에는 최적의 재료로 사용된 다 . 또한, 특유의 윤활성, 내열성, 내식성, 전기 및 열전도성 등 으로 인해 철강 재료에 이어 현대산업에서는 중요한 소재 중 하나로 인식되고 있다 .
항공기 ABS 시스템과 함께 브레이크 시스템에 중요한 소재 로 자리하고 있는 탄소 디스크 브레이크 는 고온 열충격 저항 (∼3,000℃), 철보다 4배 높은 비강도, 높은 마찰제동 특성이 있는 탄소 디스크 브레이크가 있다
(3).
탄소 디스크 브레이크는 이착륙시 수십에서 수백 톤에 상당 하는 무거운 기체가 시속 200∼300km의 속도에서 발생시키 는 운동 에너지를 마찰열 에너지로 바꾸어 흡수함으로써 항공 기를 안전하게 활주거리 내에 제동시키는 기능을 한다 .
특히 , T-50/A-50의 탄소 디스크 브레이크는 ABSC사(미)가 스웨덴 JAS-39 Gripen 전투기에 적용하여 양산한 브레이크를 내산화성을 향상시키고 , 무게를 줄여 국내에 전량 납품하고 있 다 . 육상 차량용과 달리 7∼10장의 다중디스크의 조립체로 구 성되는 항공기 브레이크 시스템의 설계에 필요한 최적 마찰재 성질 , 시스템에 장착 후 기계적 거동(정적강도/동적 진동특성 등 )에 대한 정확한 해석 없이는 탄소 디스크 브레이크 의 구조 와 물성 설계제작이 곤란한 점 때문에 일련의 탄소 디스크 브레 이크의 기술혁신은 시스템 업체에 의해 주도 되어오고 있다 .
본 연구에서는 ABS 시스템 구성품의 시험과 기능을 세부적 으로 알아봄으로써 ABS 시스템을 정확하게 이해하고 탄소복 합소재의 우수성과 항공기 적용시 탄소 브레이크의 마멸도를 알아보고자 한다 .
2. Anti-skid 시스템
Anti-skid 시스템은 항공기 제동 시 각 타이어의 휠 실린더에 가해지는 브레이크 유압을 감소 또는 증가시켜 제동거리를 가 장 짧게 하는 가장 큰 마찰계수의 값을 얻을 수 있는 휠 슬립 상태가 되도록 제어한다
(5).
2.1 휠 스피드 트랜스듀서(Wheel speed transducer)
휠 스피드 트랜스듀서는 휠의 회전속도를 측정하는 장치로서
속도의 변화를 감지한다 . Fig. 2는 작은 발전기로서 휠 엑슬
(wheel axel)에 각기 하나씩 장착되어있다. 휠 스피드 트랜스듀
서는 드라이브 캡 (drive cap) 을 통하여 메인 휠과 같이 회전한
다 . 회전함에 따라 이 휠 스피드 트랜스듀서는 전압과 전류 신
호를 보내게 된다 . 이 신호의 세기에 따라 휠 회전 속도를 나타
내게 되며 이 신호는 전선을 통하여 브레이크 제어 유닛 (brake
control unit)에 보내어진다.
Fig. 5 Carbon brake and main wheel(4) Fig. 2 Wheel speed transducer cross-section(4)
Fig. 3 Brake Control Unit(4)
Fig. 4 Brake Control Module(4)
2.2 브레이크 제어 유닛
Fig. 3의 브레이크 제어 유닛은 휠 스피드 트랜스듀서로 부터 온 신호를 식별하고 신호의 세기 변화를 감지한다 . 이 변화에서 스키드가 발생 , 휠이 잠금, 브레이크의 작동 및 해제 등을 판단 하게 된다 . 이러한 것을 분석하고 난 후 적당한 신호를 브레이
크 제어 밸브에 있는 솔레노이드 (Solenoid)로 보내게 된다.
2.3 브레이크 제어 밸브
BCU로 부터 받은 전기적인 신호가 브레이크 제어 밸브에 장착된 2개의 솔레노이드를 작동시킨다. 신호가 없을 경우 (wheel skidding 이 없을 경우) Fig. 4는 브레이크 작동에 아무 런 영향을 주지 않는다 . 그러나 스키드가 발생하면 스키드의 강약에 상관없이 신호가 브레이크 제어 밸브의 솔레노이드에 보내지게 된다 . 이 솔레노이드의 작용은 미터링 밸브(metering valve)와 브레이크 실린더(brake cylinder) 사이에 있는 압력라 인의 압력을 낮추게 된다 . 이것은 솔레노이드가 자화될 때는 언제나 리턴라인을 따라 탱크에 귀화됨으로써 이루어진다 . 그 리고 바로 브레이크가 해제 된다 . 미터링 밸브로부터 브레이크 라인으로 들어가는 압력 흐름은 조종사가 브레이크 페달을 밟 고 있는 동안에는 계속적으로 들어가게 된다 . 솔레노이드가 작 동되면 브레이크 제어 밸브와 브레이크 사이에 있는 포트가 열 리게 된다 . 이 포트는 브레이크를 작동시키는 압력을 유틸리티 시스템의 귀환라인으로 방출시킨다 . 따라서 브레이크 작용이 줄어들고 휠은 다시 빠르게 회전하게 된다 . 시스템은 스키드점 바로 아래에서 작용할 수 있도록 충분한 힘을 공급할 수 있게 설계되어있어 가장 효과적인 제동 작용을 얻을 수 있다 .
2.4 탄소 디스크 브레이크
항공기 제동 디스크의 마찰소재로써 탄소 -탄소 복합체는 다 른 재료에 비해 비강성이 월등히 높고 비 산화 상태에서는 2,000℃~3,000℃의 고온에서도 기계적 물성의 저하가 거의 없는 유일한 재료이다
(3).
브레이크는 주 항공기 유압계통으로부터 전달된 유압에 의해 작동되며 제동력은 회전식 디스크에 의해 휠에 전달된다 . Fig.
5는 탄소 브레이크와 주 휠을 나타낸다.
Fig. 6 Coefficient of friction as a function of sliding speed over the entire range of aircraft operation
Fig. 7 Compared performance characteristics of disc materials
Fig. 8 I-level PMA set-up
2.5 마찰 속도와 마찰계수와의 관계
Fig. 6은 디스크 표면 사이의 슬라이딩 속도에 따라 건조 조 건하에서의 마찰계수 변화를 나타낸다 . 점선으로 표시된 구간 에 나타난 것과 같이 마찰 동작이 시작되어 약 5m/s 속도의 슬라이딩 부근에서 마찰계수가 가장 크게 나타나는 특성을 보 이며 , 특히 정적 혹은 낮은 속도의 슬라이딩 조건에서의 마찰계 수는 다른 조건의 경우보다 낮게 나타나는 것이 탄소섬유 복합 재료의 마찰계수의 특성이다 .
항공기용 탄소 -탄소 복합재료 디스크 마찰계수는 0.35ã0.15 이나 , 마찰과정과 속도에 따라서 온도와 함께 마찰계수도 변화 하는데 통상적인 항공기 운항 중에는 0.15∼0.25 사이에서 운 행되어진다
(3).
2.6 마찰열의 흡수력
마찰제동 시스템은 마찰재의 마찰열 에너지의 흡수 능력에 따라 제동 역할을 하게 된다 . 고성능 브레이크에서 사용되고 있는 디스크는 마찰 중에 운동에너지를 30초 이내의 짧은 시간 에 열로 전환해야 한다 . 따라서 에너지 분산 면에서 에너지 흡 수력이 우수해야한다
(3).
Table 1 Energy absorbed per N of brake system Type of brake Energy absorbed per N(KJ/N)
Normal braking Emergency braking
Concord 85 220
Mirage 2000 83~100 165
Airbus 82~93 240
Falcon900 105 180
Formula 1(racing) 50 100
Motor cycle(1,500cc) 39 65
Very high speed train 55 92
Tank 46~82 103
Table 1은 각종 브레이크의 정상, 비상시에 제동할 때 열에너 지의 흡수 수치를 나타내었다 . 수치의 차이가 확연히 나며 제동 디스크의 열 흡수 능력이 중요함을 알 수 있다 .
Fig. 7은 물질별로 온도에 따른 에너지 흡수율 나타내고 있으 며 탄소복합체는 높은 열 흡수율을 나타내고 있다 .
3. 시뮬레이션 및 실험결과
3.1 브레이크 제어 유닛
Fig. 8은 랩톱 컴퓨터에 정비 프로그램을 가동하고 주 메뉴에 서 전류 상태를 선택한 후 Tester에 115vac 와 28vdc를 연결하 고 ac, pri, sec, a/s power를 공급하여 랩톱 PMA 디스플에이 에 전류상태가 나타나게 셋업한 것이다 .
Fig. 9는 오른쪽 브레이크 제동밸브의 전기신호 체계가 잘못
되었다는 것을 나타낸다 . Fig. 10은 왼쪽의 휠 스피드 트랜스듀
스의 전기신호 체계가 잘못되었다는 것을 나타낸다 . 설정한 기
준 값에 따라 랩톱 디스플레이에 위의 그림들이 나타나게 되고
그것을 기준으로 BCU를 수정하게 된다.
Fig. 9 Failed right brake control valve
Fig. 10 Failed left wheel speed transducer
Fig. 11 Brake output pressure test
Fig. 12 Correlation of current and pressure at brake 2
Fig. 13 Time response test
Fig. 14 Brake pedals > 6%
3.2 브레이크 제어 밸브
Fig. 11에서 유압 시험대에 3,000psi의 압력이 제공되면 매 니폴드 (manifold)의 차단밸브가 열리면서 브레이크 제어 밸브 에 유압이 연결되어 4개의 브레이크 라인으로 공급된다. 이때 각 브레이크 포트의 압력은 2,200∼2,500psi이다.
Fig. 12는 BCV에서 전류와 유압과의 상관관계를 나타낸 것 이며 3,000psi 의 압력 하에서 동력원(power supply)으로 전류 를 보냈을 때 전류의 세기에 따라 솔레노이드 밸브의 actuating pin이 shoulder pin을 밀어주며 최대 유압의 한계치는 2,300∼
2,500psi 이다. 파란색 곡선사이에 위치할 때 정상작동 범위이
다 . 브레이크 1도 동일한 조건에서 시험된다.
Fig. 15 F-15 carbon disk brake
Fig. 16 C-130 steel disk brake
Fig. 13은 급격한 전류의 변화에 BCV의 반응을 나타낸 것
이다 . 3,000psi 의 압력 하에서 최소 2초 동안 180mA DC를 주었을 때 반응하는 산출압력의 변화는 최대 2,250psi이다.
2,250psi가 시작되는 돌출부위는 23ms를 초과하지 않고 전 류와 압력의 반응시간 차이는 20ms를 초과하지 않는다.
Fig. 14는 항공기의 전체적인 제동 유압라인을 나타낸 것으 로써 풀 페달 (full pedal)의 6%이상 되면 양쪽 브레이크의 차단 밸브가 열려서 양쪽 브레이크 제어밸브에 압력이 전달된다 .
3.3 탄소 디스크 브레이크
3.3.1 마찰계수(Coefficient of friction)
마찰계수는 브레이크에서 전체 마찰력과 압력만으로 간단히 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
μ =
(1)
여기서 , μ : 마찰계수
F : 마찰력의 평균값(회전력) P : 시험편에 가하는 전체 가압력(N)
P는 (압력ň 유압실린더 단면적(A)ň 실린더 수)이며, 토크 값 에서 회전력을 구하여 계산할 수 있으며 , 더 상세히 표현하면 다음과 같이 나타 낼 수 있다 .
μ =
(2)
여기서 , T : 제동토크(N-m)
R
avg: 디스크 회전 반지름
A
area: 압력 판의 피스톤 전체 단면적(
)
N
rotor: 회전판의 마찰 면 수
p : 제동압력(MPa)
항공기 디스크의 마찰계수는 식 (2)를 활용하여 계산한다. 또 한 마찰 면적에 발생된 에너지 값과 토크로서 계산할 때 는 식 (3)이 이용 된다
μ =
(3)
여기서 , A
bnch: Kinetic energy K
loss: Energy loss factor
K
nl: Coefficient of non-linearity P
ax: Axial braking load
R
avg: Average radius of friction T
avg: Average braking times JIN : Shaft rotation speed(rps)
3.3.2 마멸도
아래의 그림은 항공기에 장착된 탄소 디스크 브레이크와 스 틸 브레이크의 사진이다 .
Fig. 15는 탄소 디스크 브레이크로써 디스크 조립체의 폭(높 이 )은 6.89inch이고 마모 지시기 핀의 길이는 0.91inch로 측정 되었다 . Fig. 16은 스틸 디스크 브레이크로써 디스크 조립 체의 폭 (높이)은 3.94inch이고 마모 지시기 핀의 길이는 0.55inch로 측정되었다 .
일반적으로 F-16 항공기의 경우 보통 767회의 착륙에 브레
이크를 교환한다 . 본 실험의 F-15 항공기의 경우 보통 800회에
교환하고 , C-130 항공기는 보통 300회로 한다. 먼저 디스크 조
립체의 폭과 마모 지시기 핀의 길이를 기준으로 살펴보면 마모
지시기 핀이 플랜지 표면이나 아래에 있을 때 브레이크가 교환
된다 . 탄소 브레이크의 경우 폭이 6.89inch이고 핀의 길이는
0.91inch이다. 따라서 마멸된 디스크 조립체의 폭은 5.98inch
가 된다 . 여기에서 핀의 길이에 800회 착륙을 나누면 회당 마멸
두께를 알 수가 있다 .
Fig. 17 Carbon disk(new part)
Fig. 18 Carbon disk(used)
Fig. 19 Steel disk (new part)
Fig. 20 Steel disk(used)
Fig. 21 Wear depth of carbon and steel
탄소 브레이크의 착륙 1회당 마멸두께를 계산해 보면
×
inch가 된다. 스틸 브레이크의 경우 폭이 3.94inch, 핀의 길이는 0.55inch이다. 따라서 마멸된 디스크 조립체의 폭 은 3.39inch가 된다. 스틸 브레이크의 착륙 1회당 마멸두께를 계산해 보면
× inch가 된다.
위와 같은 다판식 (multi-plate type)으로 구성된 항공기의 디 스크 브레이크에서의 마멸도 (V)는 실제 제동시험 결과를 토대 로 식 (4)를 활용하여 계산한다. 대부분 디스크의 마멸량을 육 안으로 검사할 수 있도록 바퀴에 설치하여 사용하는 경우가 많다 .
V=
×
(4)
여기서 ,
은 시험 전 디스크 두께
,
는 시험 후 디스크 두께
, n은 제동 회수, a는 원판의 마찰면의 수이다.
Fig. 17는 신품 탄소 디스크로써 두께를 측정했을 때 0.670inch 이었다 . Fig. 18은 브레이크 마모 지시기 핀이 플랜지 표면이나 아래에 있을 때 장탈된 마멸된 탄소 디스크로써 두께를 측정했 을 때 0.605inch 이었다.
Fig. 19은 신품 스틸 디스크로써 두께를 측정했을 때 0.399 inch 이었다. Fig. 20 은 브레이크 마모 지시기 핀이 플랜지 표 면이나 아래에 있을 때 장탈 된 마멸된 스틸 디스크로써 두께를 측정했을 때 0.298inch 이었다.
일반적으로 사용되는 탄소디스크 원판의 마찰면의 수는 20 면이고 , 스틸디스크 원판 의 마찰면의 수는 14면이다. 따라서 탄소 디스크의 마멸도는 사용 전 디스크의 두께가 0.670inch이
고 사용 후 마멸된 디스크의 두께는 0.605inch이다. 스틸 디스 크의 경우 사용 전 디스크의 두께가 0.399inch이고 사용 후 마 멸된 디스크의 두께는 0.298inch이다. 식 (4)에 따라 마멸도를 계산하면 탄소 디스크의 경우
× 이고 스틸 디스크 의 경우
× 이다 .
4. 결 론
본 논문에서는 항공기 브레이크 시스템에 있어 안티스키드의 역할과 세부적으로 각 부품의 기능에 대해서 살펴보고 특히 탄 소 디스크의 성능에 대하여 고찰하고 다음의 결과를 도출하였다 . (1) 브레이크 제어밸브에 있어서 전류와 유압과의 상관관계는
3,000psi의 압력 하에서 최대 유압의 한계치는 2,300∼
2,500psi 이고. 급격한 전류의 변화에 BCV의 반응 시험은
같은 압력 하에서 최소 2초 동안 180mA DC를 주었을 때 반응하는 산출압력의 변화는 최대 2,250psi 이었다.
(2) 탄소와 스틸 디스크의 사용전과 사용 후의 두께를 측정하 고 마찰면의 수와 착륙회수를 조사하여 두 물질의 마멸도 를 계산하였다. 금속 마찰재의 재료에 비해 탄소 디스크가 고온에서 비 강성 및 비강도가 높고, 열적 구조적 안전성과 함께 적당한 마찰계수 특성을 가지고 있음을 확인할 수 있 었다.
후 기
이 논문은 지식경제부와 한국산업기술재단의 전략기술인력 양성사업의 지원을 받아 수행된 연구임.
References
