항공기(aircraft)란 비행에 사용되는, 혹은 비행에 사용되려는 장치를 의미한다(CFR part 1, Definitions and Abbreviations). 항공자격 증명을 위한 항공기의 종류에는 airplane, rotorcraft, glider, lighter-than-air, powered-lift, powered parachute, 그리고 weight-shift control aircraft가 포함된다. 비행기(airplane)란 날개에 대한 공기의 동적 반응을 통해 비행을 유지하는 engine-driven, fixed-wing aircraft를 의미한다(CFR part 1). 14 CFR part 1에 아직 분류되지 않은 용어로 advanced avionics aircraft가 있는데이는 moving map display, GPS(global positioning system), 그리고 기타 시스템(예를 들어 autopilot)을 갖춘 항공기를 의미한다.
FAA는 세 가지 유형의 aviation product를 증명한다: 항공기, 항공기 엔진, 그리고 프로펠러. 각각은 일련의 항공기 기술 기준에 따라 설계된다. 이러한 기준은 FAA가 발행한 14 CFR(Title 14 of the Code of Federal Regulations)의 일부이다. 항공기 기술 기준은 aviation product가 안전하게 설계되도록 만들기 위해 개발되었다. 다음과 같은 다양한 종류의 aviation product에는 서로 다른 항공기 기술 기준이 적용된다:
활공기(gliders)와 수직추력 이착륙기(powered lift)와 같은 일부 항공기는 "special classes"로 간주되며 항공기 기술 기준을 가지지 않는다. 이러한 항공기에 사용되는 항공기 기술 기준은 FAA와 설계자가 해당 항공기에 적합하다고 동의한 14 CFR part 23, 25, 27, 그리고 29의 조건들이 조합된 것이다.
해당 항공기 기술 기준을 준수하는 aviation product에 대해 FAA는 형식 증명서(TC – Type Certificate)를 발부한다. TC가 발부되면 형식증명자료집(TCDS - Type Certificate Date Sheet)가 생성되며 여기에는 항공기, 항공기 엔진, 혹은 프로펠러의 설계 특성과 운영 특성이 명시된다. FAA 웹사이트에서 TCDS를 확인할 수 있다.
A Note About Light Sport Aircraft
경량항공기(Light sport aircraft)는 FAA 항공기 기술 기준에 따라 설계되지 않는다. 대신 경량항공기는 항공 업계에서 합의된 기준에 따라 설계된다. FAA는 경량항공기가 이러한 기준에 따라 설계되는 것에 동의하였다. 경량항공기는 형식 증명을 받은 각각의 엔진과 프로펠러를 필요로 하지 않는다. 대신 항공기 전체에 대한 형식 증명서가 발부되며 여기에는 airframe, engine, 그리고 propeller가 포함된다.
항공기, 항공기 엔진, 그리고 프로펠러는 설계 도면을 통해, 혹은 FAA가 승인한 제조 절차를 통해 한 번에 하나씩 생산될 수 있다. 제조 공정 도중 각 부품들이 설계에 따라 정확하게 제작되었는지 검사되며이러한 검사를 conformity inspection이라 부른다.
항공기가 완성되면 FAA는 항공기에 대한 검사 후 감항 증명서를 발부한다. 감항 증명서를 가지고 있다는 것은 항공기가 설계 및 제조 기준을 만족하며 안전하게 비행될 수 있는 상태임을 의미한다. 모든 비행 도중 감항 증명서가 항공기에 탑재되어 있어야 한다. 감항 증명서가 유효하기 위해선 항공기에 필요한 유지보수와 점검이 주기적으로 수행되어야 한다.
감항 증명서는 “Standard(표준감항증명서)”나“Special(특별감항증명서)”로 분류된다. 표준감항증명서는 흰색이며normal, utility, acrobatic, commuter, 혹은 transport category aircraft에 대해 발부된다. 표준감항증명서는 유인자유기구(manned free balloons)에 대해, 그리고 "Special Class"로 지정된 항공기에 대해서도 발부된다.
특별감항증명서는 분홍색이며 primary, restricted, limited, 그리고 light sport aircraft에 대해 발부된다. 특별감항증명서는 provisional airworthiness certificates, 특별 비행편(페리 비행편), 그리고 실험용 항공기에 대해서도 발부된다.
감항 증명서에 대한 자세한 내용은 Chapter 9에서, 14 CFR parts 175-225에서, 그리고 FAA 웹사이트에서 확인할 수 있다.
항공기의 주요 구성 요소와 하위 구성 요소를 이해하기 위해서는 기본적인 공기역학을 알아야 한다. 이 장은 공기역학을 간략하게 소개한다. 보다 자세한 설명은 Chapter 5, Aerodynamics of Flight를 참조한다.
비가속 직진수평비행과 관련하여 항공기에 네 가지 힘이 작용한다. 이러한 힘들은 추력, 양력, 무게, 그리고 항력이다. [그림 3-1]
추력은 엔진/프로펠러에 의해 생성되는 전진 힘이다. 이는 항력의 힘에 대항한다. 추력은 보통 세로축에 평행하게 작용한다.
항력은 뒤로 향하는 retarding force이다. 이는 날개, 동체(fuselage), 그리고 그 외 돌출 물체에 의한 공기 흐름 방해 때문에 발생한다. 항력은 추력에 대항하며 상대풍에 평행하게 뒤를 향하여 작용한다.
무게는 항공기, 승무원, 연료, 그리고 화물/수하물의 총 하중이다. 중력으로 인해 무게는 항공기를 아래로 잡아당긴다. 무게는 양력에 대항하며 항공기 CG를 중심으로 아래를 향하여 수직으로 작용한다.
양력은 무게의 아래로 향하는 힘에 대항한다. 이는 날개에 작용하는 공기의 동적 작용에 의해 생성되며 양력 중심(CL - center of lift)을 중심으로 비행경로에 수직으로 작용한다.
항공기는 3차원으로 움직이며 하나 이상의 축을 중심으로 이동한다. 세로(roll)축은 항공기의 기수에서 꼬리까지 연장되는 선으로 이는 CG를 통과한다. 가로(pitch)축은 양쪽 날개 끝을 통과하는 선으로 이 또한 CG를 통과한다. 수직(yaw)축은 항공기를 수직으로 통과하는 선으로 이 또한 CG를 통과한다. 조종간을 움직임이면 항공기가 이러한 축들 중 하나 이상을 중심으로 이동하며 이를 통해 항공기가 조종될 수 있다. [그림 3-2]
항공기 설계에 있어 가장 중요한 요소들 중 하나는 CG(무게중심)이다. CG란 항공기의 무게가 집중되는 곳이라 할 수 있는 특정 지점이다. 즉, 항공기가 CG 지점에서 줄에 매달리면 비교적 수평이 유지될 수 있다. CG의 위치는 비행 중인 항공기의 안정성을 결정한다. CG가 뒤로(꼬리쪽으로) 움직이면 항공기는 점점 동적으로 불안정해진다. CG 앞에 연료 탱크가 위치하는 항공기에서는 연료 탱크가 비어있는 상태에서 CG를 설정하는 것이 중요하다. 그렇지 않으면 연료가 소모됨에 따라 항공기가 불안정해지기 때문이다. [그림 3-3] CG는 초기 설계 및 제조 도중 계산되며 설치 장비, 항공기 적재, 그리고 그 외 요인들에 의해 영향을 받는다.
비행기는 다양한 목적에 따라 설계되긴 하지만 대부분 동일한 주요 구성 요소를 가지고 있다. [그림 3-4] 전반적인 특성은 보통 초기 설계 목적에 의해 결정된다. 대부분의 비행기 구조들은 fuselage, wings, empennage, landing gear, 그리고 power plant를 포함한다.
Fuselage
동체는 비행기의 중심 몸체로이는 승무원, 승객, 그리고 화물을 수용하도록 설계된다. 또한 동체는 날개와 꼬리를구조적으로 연결한다. 오래된 항공기는 목재, 강철, 혹은 알루미늄 튜브로 구성된 open truss structure를 사용한다. [그림 3-5] 오늘날의 항공기에서 가장 널리 사용되는 동체 구조는 monocoque와 semimonocoque이다. 이는 이 장의 뒷부분에서 더 자세히 설명된다.
Wings
날개란 동체의 양 측면에 부착된 에어포일으로이는 비행기를 지탱하는 주요 양력 표면이다. 날개의 설계, 크기, 그리고 모양은 매우 다양하다. 각 날개는 특정 비행기에 대한 예상 성능과 관련하여 특정 요구 사항을 충족한다. 날개가 양력을 생산하는 방법은 Chapter 5, Aerodynamics of Flight에서 설명된다.
날개는 동체의 위, 중앙, 혹은 아래에 부착될 수 있다. 이러한 설계를 각각 high-wing, mid-wing, 그리고 low-wing이라 부른다. 날개의 갯수 또한 다양할 수 있다. 한 세트의 날개가 있는 비행기를 monoplane이라 부른다. 반면 두 세트의 날개가 있는 비행기를 biplane이라 부른다. [그림 3-6]
고익기는 보통 external brace나wing struts를 가지고 있으며이들은 비행 하중과 착륙 하중을 동체 구조로 전달시킨다. wing struts는 보통 날개의 중간쯤에 부착되기 때문에 이러한 종류의 날개 구조를 semi-cantilever라 부른다. 일부 고익기와 대부분의 저익기는 full cantilever wing을 가지는데 이러한 항공기들은 external struts 없이 하중을 견디도록 설계된다.
(출처: Aeronautics-Guide)
날개의 주요 구조물에는 spars, ribs, 그리고 stringers가 있다. [그림 3-7] 이 구조물들은 trusses, I-beams, tubing, 혹은 그 외 장치들에 의해 강화된다. wing ribs는 날개(에어포일)의 모양과 두께를 결정한다. 대부분의 현대 비행기에서 연료 탱크는 날개 구조에 내장되거나 날개 내부에 장착된 유연한 용기로 구성된다.
날개의 뒷전에 부착된 두 가지 유형의 조종면을 ailerons와 flaps라 부른다. ailerons는 각 날개의 중간지점으로부터 날개 끝을 향해 바깥으로 연장된다. 비행기를 선회시키기 위한 공기역학적 힘을 발생시키기 위해 양 쪽 aileron은 서로 반대 방향으로 움직인다. flaps는 각 날개의 중간지점으로부터 동체를 향해 안쪽으로 연장된다. 순항 비행 도중 flaps는 보통 날개 표면과 수평을 이룬다. 이착륙을 위해 flaps를 연장한 경우에는 양쪽 flap이 아래로 움직여서 날개의 양력을 증가시킨다. [그림 3-8]
Empennage
미익은 꼬리의 모든 부분들을 포함하며 여기에는 수직 안정판과 수평 안정판 같은 고정 표면들이 있다. 움직일 수 있는 표면들에는 rudder, elevator, 그리고 하나 이상의 trim tabs가 있다. [그림 3-10]
rudder는 수직 안정판의 뒤쪽에 부착된다. rudder는 비행 도중 비행기의 기수를 좌우로 움직이기 위해 사용된다. 수평 안정판의 뒤쪽에 부착된 elevator는 비행 도중 비행기의 기수를 위아래로 움직이기 위해 사용된다. trim tabs는 조종면 뒷전의 자그마한 부분이다. 조종실에서 제어되는 이 movable trim tabs는 조종간 압력을 줄여준다. trim tabs는 ailerons, rudder, 그리고/혹은 elevator에 설치될 수 있다.
두 번째 유형의 미익 설계는 elevator를 필요로 하지 않는다. 대신 여기에는 central hinge point를 중심으로 회전하는 일체형 수평 안정판이 통합되어 있다. 이러한 유형의 설계를 stabilator라 부르며 elevator와 마찬가지로 조종간을 통해 움직인다. 예를 들어 조종사가 조종간을 뒤로 당기면 stabilator가 축을 중심으로 회전해서 뒷전이 위로 이동한다. 이는 공기역학적 tail load를 증가시켜서 비행기의 기수가 위로 움직이게 만든다. stabilator의 뒷전을 가로질러서 antiservo tab이 연장된다. [그림 3-11]
antiservo tab은 stabilator의 뒷전과 동일한 방향으로 움직여서stabilator가 덜 민감해지도록 만든다. 또한 antiservo tab은 trim tab처럼 기능해서 조종간 압력을 완화하며 원하는 위치에서 stabilator가 유지되도록 돕는다.
(출처: boldmethod)
Landing Gear
착륙 기어는 항공기 주기, 지상 활주, 이륙, 혹은 착륙 시 비행기를 지탱하는 주요 장치이다. 가장 일반적인 종류의 착륙 기어는 바퀴로 구성되어 있지만 수상 운영을 위해 floats가, 혹은 눈에서의 착륙을 위해 skis가 장착될 수도 있다. [그림 3-12]
착륙 기어는 세 개의 바퀴로 구성된다: 두 개의 main wheels, 그리고 비행기의 전방이나 후방에 위치한 세 번째 바퀴. 후방에 바퀴가 장착된 착륙 기어를 conventional landing gear라 부른다.
conventional landing gear를 갖춘 비행기는 tailwheel airplanes라고도 불린다. 세 번째 바퀴가 기수에 위치한 경우에는 이를 nosewheel이라 부르며이러한 설계를 tricycle gear라 부른다. steerable nosewheel/tailwheel이 있다면 지상에서의 모든 운영 도중 비행기가 제어될 수 있다. 대부분의 항공기는 rudder pedals의 움직임을 통해 조향된다. 또한 일부 항공기는 브레이크를 통해 조향된다.
The Powerplant
powerplant는 보통 엔진과 프로펠러를 모두 포함한다. 엔진의 주요 기능은 프로펠러를 돌릴 수 있는 출력을 제공하는 것이다. 또한 엔진은 전력을 생성하고, 일부 비행계기에 진공 압을 제공하며, 조종사/승객을 위한 히터를 제공한다. [그림 3-13] 엔진은 cowling이나nacelle로 덮여 있으며 이들은 모두 housing(기계 부품을 덮는 단단한 덮개)의 한 유형이다. cowling이나nacelle은 엔진 주위의 공기 흐름을 유선형으로 만들며 실린더 주위로 공기를 배관해서 엔진 냉각을 돕는다.
엔진의 앞부분에 장착된 프로펠러는 엔진의 회전력을 추력으로 변환한다. 추력은 비행기가 공기 중을 통과하여 움직일 수 있도록 돕는 전진 힘이다. 프로펠러는 공기역학적 작용을 통해 추력을 생성하는 회전 에어포일이다. 프로펠러 에어포일의 뒤쪽에는 고압 영역이, 그리고 앞쪽에는 저압 영역이 형성된다. 이러한 압력 차이가 프로펠러로부터 추력을 발생시켜서 비행기를 전방으로 당긴다. 프로펠러가 뒤에 배치된 경우에는 엔진이 pusher로 전환될 수 있다.
(출처: Aeronautics-Guide)
프로펠러 설계에 있어 두 가지 중요한 요인이 있으며 이는 프로펠러의 효율성에 영향을 미친다. 프로펠러 블레이드의 각도(propeller hub를 기준으로 측정된 각도)가 프로펠러 블레이드를 따라 비교적 일정한 받음각을 유지해야 실속 가능성이 줄어든다. 프로펠러에 의해 발생하는 양력은 받음각(상대풍과 프로펠러 블레이드가 만나는 각도)과 직접적으로 연관된다. 비행 도중 항공기의 방향에 따라 받음각이 계속 변화한다.
pitch란 프로펠러가 한 번 회전할 때 이동하는 거리로 규정된다. 이 두 가지 요인을 결합해서 프로펠러 효율을 측정할 수 있다. 프로펠러는 보통 특정 aircraft/powerplant 조합과 연결되며이는 특정 출력 설정에서 최고의 효율을 달성하기 위함이다. 엔진이 어떻게 장착되는지에 따라 프로펠러는 pull이나push를 수행한다.
비행기의 하위 구성 요소에는 airframe, electrical system, flight controls, 그리고 brakes가 있다.
기체(airframe)는 항공기의 기본 구조이다. 기체는 모든 공기역학적 힘, 그리고 연료 ∙ 승무원 ∙ 유상하중의 무게에 의해 가해지는 응력을 견딜 수 있도록 설계된다.
항공기 전기 시스템의 주요 기능은 전력을 생성, 조절, 그리고 분배하는 것이다. 항공기 전기 시스템에 전력을 공급하는 여러 가지 전원들이 있다. 여기에는engine-driven AC(alternating current) generators, APU(auxiliary power units), 그리고 external power가 있다. 항공기의 전기 시스템은 비행계기, 필수 시스템(예를 들어 anti-icing), 그리고 승객 서비스(예를 들어 객실 조명)를 작동하는데 사용된다.
조종간은 항공기의 자세를 제어하는, 그리고 그 결과로 항공기의 비행경로를 제어하는 장치 및 시스템이다. 종래의 비행기에서는 primary flight controls로 보통 elevator, aileron, 그리고 rudder를 사용한다. 이러한 조종면들은 조종사나 자동 조종 장치에 의해 작동한다.
현대 비행기의 브레이크는 보통 multiple pads(caliper pads라 불림)와 rotating disk(rotor라 불림)으로 구성된다. caliper pads는 유압을 통해 압축되며 그 사이에는 rotor가 있다. rotor는 바퀴와 함께 회전한다. caliper pads가 rotor에 압력을 가하면 rotor의 마찰이 증가해서 바퀴의 속도가 느려진다. disks와 brake pads는 강철이나 탄소 소재로 만들어진다. 비행기 브레이크는 주로 착륙 도중 사용되며 엄청난 양의 에너지를 흡수해야 한다. 때문에 브레이크 수명은 주행 거리가 아닌 착륙 횟수로 측정된다.
항공기의 동체 구조는 wood truss structure -monocoque shell structure -semimonocoque shell structure 순서로 발전하였다.
Truss Structure
truss structure의 주요 단점은 유선형 모양이 없다는 것이다. truss structure에서는 longerons라 불리는 긴 관들이 서로 용접되어서 튼튼한 골조를 형성한다. 수평 지지대와 수직 지지대가 longerons에 용접되며 이를 끝에서 보면 정사각형이나 직사각형 모양을 이룬다. 모든 방향으로부터 발생할 수 있는 응력에 저항하려면 추가적인 지지대가 필요하다. 동체의 모양을 만들고 덮개를 지탱하기 위해 stingers와 bulkheads(혹은 formers)가 추가된다.
기술의 발전에 따라 항공기 설계자들은 비행기를 유선형으로 만들고 성능을 향상시키기 위해 트러스 부재들을 둘러싸기 시작하였다. 초기에는 천이 사용되었으나 이는 결국 알루미늄과 같은 가벼운 금속으로 대체되었다. 경우에 따라 외부 표면이 비행 하중을 전부, 혹은 비행 하중의 대부분을 지지할 수 있다. 대부분의 현대 항공기는 이러한 응력 외피 구조(stressed skin structure) 형태를 사용하며 이는 monocoque나semimonocoque로 알려져 있다 . [그림 3-14]
Monocoque
monocoque 구조는 거의 모든 하중을 지탱하기 위해 응력 외피를 사용한다. monocoque 구조는 매우 강하긴 하나 표면의 변형에 대한 내성은 높지 않다. 예를 들어 알루미늄 캔의 끝부분은 상당한 힘을 지지할 수 있으나 만약 캔이 하중을 지지하는 상태에서 옆면이 변형되면 쉽게 무너질 수 있다.
대부분의 비틀림 응력과 휨 응력은 외부 표면에 의해 견뎌진다. 따라서 내부 버팀대의 필요성이 사라졌으며 덕분에 무게가 절약되고 공간이 극대화되었다. monocoque 구조는 초기 항공 산업에서 사용되었지만 이와 연관된 복잡성 때문에 수십 년 동안 다시 나타나지 않았다.
Semimonocoque
semimonocoque는 하부 구조를 사용하며 이하부 구조는 비행기의 표면과 부착된다. 다양한 크기의 bulkheads 및/혹은 formers와stringers로 구성된 하부 구조가 동체의 휨 응력을 일부 흡수해서 응력 외피를 보강한다. 동체의 주요 부분에는 wing attachment points와 firewall도 있다. 단발 엔진 비행기의 경우 엔진은 보통 동체의 앞부분에 부착된다. 엔진과 조종실사이에는 불연성 칸막이가 있으며이는 우발적 엔진 화재로부터 조종사와 승객을 보호한다. 이러한 칸막이를 방화벽(firewall)이라 부르며보통 내열성 소재(예를 들어 스테인리스강)로 만들어진다. 허나 새롭게 떠오르는 항공기 구조 공정에서는 복합재가 통합되거나, 혹은 항공기가 복합재로만 이루어진다.
Composite Construction
복합재란 광범위한 용어로이는 섬유 유리, 탄소 섬유 천, 케블라 섬유 천, 그리고 이 모든 재료의 혼합물과 같은 소재를 의미할 수 있다. 복합재 구조는 두 가지 이점을 제공한다: 매우 매끄러운 표면을 제공함, 그리고 복잡한 곡선이나 유선형 구조를 쉽게 형성할 수 있음. [그림 3-15]
Composite Materials in Aircraft
복합재는 fiber-reinforced matrix systems이다. matrix는 섬유들을 함께 고정하는데 사용되는 접착제로이것이 경화되면 부품에 형태를 제공하지만 대부분의 하중은 섬유가 지탱한다. 다양한 유형의 섬유와 matrix system이 있다.
항공기에서 가장 일반적으로 사용되는 matrix는 열경화성 플라스틱의 일종인 에폭시 수지이다. 에폭시는 다른 선택지(예를 들어 폴리에스테르 수지)에 비해 강하며 고온 특성이 좋다. 다양한 종류의 에폭시 수지를 사용할 수 있으며 이들의 구조적 특성, 경화 시간 및 온도, 그리고 비용은 광범위하다.
항공기 구조에 사용되는 가장 일반적인 강화 섬유는 섬유 유리와 탄소 섬유이다. 섬유 유리는 인장 강도, 압축 강도, 그리고 내충격성이 좋다. 또한 취급하기 편리하며 비교적 저렴하여 쉽게 이용할 수 있다. 가장 큰 단점은 무게가 다소 무거우며 제대로 설계된 알루미늄 구조보다 더 가벼운 섬유 유리 구조를 만드는 것이 어렵다는 것이다.
탄소 섬유는 일반적으로 섬유 유리보다 인장 강도와 압축 강도가 더 강하다. 또한 휨 강도가 높으며 섬유 유리보다 상당히 가볍다. 허나 내충격성은 상대적으로 약하다(부서지기 쉬우며 날카로운 충격에 의해 산산조각 나는 경향이 있음). 이는 “toughened” epoxy resin system을 통해 크게 개선될 수 있다. 과거에는 탄소 섬유가 섬유 유리보다 비쌌으나 현재는 가격이 떨어졌다. 제대로 설계된 탄소 섬유 구조는 알루미늄 구조보다 상당히 가벼울 수 있다.
Advantages of Composites
복합재 구조는 금속, 목재, 혹은 직물에 비해 몇 가지 장점이 있으며 가장 자주 언급되는 것은 가벼운 무게이다. 허나 가벼운 무게가 항상 자동으로 따라오는 것은 아니다. 복합재로 항공기 구조를 만든다 하여 가벼운 무게가 보장되는 것은 아니다. 가벼운 무게는 구조, 그리고 사용되는 복합재의 유형에 달려있다.
더 중요한 장점은 복합재로 만들어진 매우 매끄러운 곡선 모양의 공기역학적 구조가 항력을 줄여준다는 것이다. 항공기에 복합재를 사용하면 항력이 감소해서 fixed landing gear를 가지고 있음에도 불구하고 높은 성능을 얻을 수 있다. 또한 복합재는 “스텔스” 항공기의 레이더 신호를 감추는데 도움을 준다. 오늘날 복합재는 글라이더부터 신형 헬리콥터에 이르기까지 다양한 종류의 항공기에서 발견될 수 있다.
부식이 없는 것은 복합재의 세 번째 장점이다. 보잉은 787의 동체를 전부 복합재로 설계하였으며 이 덕분에 이전의 여객기들보다 더 높은 differential pressure(객실 압력과 대기압의 차이)와 더 높은 객실 습도를 가질 수 있다. 엔지니어들은 더 이상 동체 표면의 숨겨진 부분(예를 들어 블랭킷 단열재의 뒷부분)에서 발생한 수분 응축을, 그리고 이로 인한 부식을 걱정하지 않는다. 이는 항공사의 장기 유지보수 비용을 절감시켜 준다.
Disadvantages of Composites
복합재는 고유한 단점들을 가지고 있는데그 중 가장 중요한 것은 손상에 대한 시각적 증거가 없다는 것이다. 복합재는 충격에 대해 다른 구조 물질들과는 다르게 반응하며 손상의 명확한 징후가 없는 경우가 많다. 예를 들어 자동차가 알루미늄 동체에 부딪히면 알루미늄 동체가 찌그러질 수 있다. 만약 동체가 찌그러지지 않았다면 손상이 없는 것이다. 만약 동체가 찌그러졌다면 손상이 눈에 보이며 수리가 이루어진다.
복합재에 대한 낮은 에너지 충격(예를 들어 공구를 떨어뜨린 경우)은 눈에 보이는 징후를 표면에 남기지 않을 수 있다. 허나 충격 부위 아래에서는 원뿔 모양으로 퍼진 광범위한 박리가 있을 수 있다. 구조물 뒷면의 손상이 심각하고 광범위할 수 있지만 그것이 눈에 보이지 않을 수 있다. 설령 경미하더라도 충격이 있었다 생각된다면 복합재에 익숙한 검사관으로부터 구조물을 검사받아서 손상을 확인하는 것이 좋다. 섬유 유리 구조에서 희끄무레한 영역이 나타났다는 것은 파손이 발생하였음을 암시하는 좋은 정보이다.
중간 정도의 에너지 충격(예를 들어 차량과 부딪힌 경우)은 표면을 국소적으로 찌그러뜨리며 이는 육안으로 확인될 수 있다.손상 부위는눈에 보이는 것보다 훨씬 크므로 수리가 필요하다. 높은 에너지 충격(예를 들어 비행 도중 조류나 우박과 충돌한 경우)은 펑크와 심한 구조물 손상으로 이어진다. 중간 정도의 에너지 충격과 높은 에너지 충격에서는 손상이 눈에 보인다. 허나 낮은 에너지 충격은 감지하기 어렵다. [그림 3-16]
충격으로 인해 박리, 표면의 찌그러짐, 혹은 펑크가 발생하였다면 수리가 필수적이다. 수리를 기다리는 동안 손상 부위를 덮어서 비로부터 보호해야 한다. 많은 복합재 부품들이 honeycomb core 상단의 얇은 층들로 구성되어서 “sandwich” structure를 만든다. 이러한 구조는 구조적 강성 측면에서는 우수하지만수분 침투가 쉬워서 나중에 더 큰 문제로 이어질 수 있다. 수분 침투를 막기 위해 펑크 위에 “speed tape”를 붙이는 것이 좋지만 이는 구조적 수리는 아니다. 손상을 덮기 위해 paste filler를 사용하는 것은 미용상 허용되지만이 또한 구조적 수리는 아니다.
(출처: Aeronautics-Guide)
복합재의 또 다른 단점으로 수지(resin)의 열 손상 가능성이 있다. 에폭시 수지는 보통 화씨 150도 이상에서 약화되기 시작한다. 이 문제를 최소화하기 위해 복합재에 흰색 페인트를 사용하는 경우가 많다. 예를 들어 검정색으로 칠해진 날개의 아랫면은 덥고 화창한 날에 화씨 220도까지 뜨거워질 수 있다. 반면 흰색으로 칠해진 동일한 구조에서는 화씨 140도를 초과하는 경우가 거의 없다. 따라서 복합재 항공기에는 페인트 색상에 대한 특정 권장 사항이 있는 경우가 많다. 항공기를 다시 페인트칠 하는 경우에는 이러한 권장 사항을 따라야 한다. 화재로 인해 열 손상이 발생할 수도 있다. 자그마한 브레이크 화재를 빠르게 소화시켰다 해도 날개 하부 표면, 복합재 착륙 기어, 혹은 wheel pants가 손상될 수 있다.
또한 화학적 페인트 제거액은 복합재에 매우 해로우므로 이를 사용해서는 안 된다. 복합재에서 페인트를 제거해야 하는 경우에는 오직 기계적 방법(예를 들어 grit blasting이나sanding)만을 사용할 수 있다. 많은 고가의 복합재 부품들이 페인트 제거액으로 인해 손상되었으며이러한 손상은 보통 복구될 수 없다.
Fluid Spills on Composites
일부 소유자들은 복합재 표면에 연료, 오일, 혹은 유압유가 쏟아진 것을 걱정한다. 에폭시 수지를 사용하는 현대의 복합재에서는 일반적으로 문제가 없다. 이러한 유출물이 페인트를 손상시키지 않았다면 보통 복합재 내부 구조에도 손상을 주지 않는다. 예를 들어 일부 항공기는 밀폐재를 사용하지 않아서 연료가 복합재 표면에 직접 닿는 섬유 유리 연료 탱크를 사용한다. 만약 섬유 유리 구조가 좀 저렴한 형식의 폴리에스테르 수지로 만들어졌다면 에탄올이 혼합된 오토가스(auto gas)를 사용할 때 문제가 발생할 수 있다. 폴리에스테르 수지와 에폭시 수지가 더 비싼 형식인 경우에는 auto gas, 100 octane avigation gas, 그리고 jet fuel이 사용될 수 있다.
Lightning Strike Protection
낙뢰 보호는 항공기 설계에서 중요한 고려 사항이다. 항공기가 번개에 맞으면 매우 많은 양의 에너지가 구조물로 전달된다. 범용 항공 항공기든 대형 여객기든 낙뢰 보호의 기본 원리는 동일하다. 항공기의 크기가 어떠하든 낙뢰로 인한 에너지가 넓은 표면적으로 분산되어야 한다. 이는 평방인치 당 암페어를 무해한 수준으로 낮추기 위함이다.
낙뢰가 알루미늄 비행기에 부딪히면 전기 에너지가 알루미늄 구조물을 통해 쉽게 전달된다. 문제는 에너지가 안전하게 바깥으로 전도되기 전까지 항법 장비와연료 시스템 등등을 전기 에너지로부터 보호하는 것이다. 항공기의 외부 표면은 저항이 가장 적은 경로이다.
복합재 항공기에서 섬유 유리는 우수한 전기 절연체이다. 반면 탄소 섬유는 전기를 전도하지만 알루미늄만큼 쉽게 전기를 전도하지는 않는다. 따라서 복합재 표면의 바깥층에 추가적인 전기 전도성이 필요하다. 이를 위해 보통 미세한 금속 망(metal mesh)이 표면에 접합된다. 알루미늄 망(aluminum mesh)과 구리 망(copper mesh)이 가장 일반적으로 사용된다. 알루미늄은 섬유 유리에서, 그리고 구리는 탄소 섬유에서 사용된다.
내부 무선 안테나가 있는 복합재 항공기의 경우에는 안테나 영역의 lightning strike mesh에 "windowns"가 있어야 한다. 내부 무선 안테나는 섬유 유리 복합재에 존재할 수 있다. 왜냐하면 섬유 유리는 라디오 주파수를 투과시키지만 탄소 섬유는 그렇지 않기 때문이다.
The Future of Composites
복합재는 2차 세계대전 이후 수십 년 동안 항공기 구조 설계에서 중요한 역할을 담당해 왔다. 복합재의 설계 유연성, 내식성, 그리고 높은 강도는 더욱 혁신적인 항공기 설계를 가능하게 할 것이다. Cirrus SR-20에서 Boeing 787에 이르기까지 복합재가 항공기 제작에 활용되고 있으며 앞으로도 계속 사용될 것이다. [그림 3-17]
최근까지 대부분의 범용 항공 항공기는 종래의 계기들을 장비하였다. 허나 EFD(electronic flight display) system이 출시된 후에는 종래의 계기들이 LCD 화면들로 대체되었다. 첫 번째 화면은 조종사의 좌석 앞에 설치되며이를 PFD(primary flight display)라 부른다. 대략 계기 패널의 중앙에 위치한 두 번째 화면을 MFD(multi-function display)라 부른다. 이 두 개의 화면은 계기 패널을 정돈함과 동시에 안정성을 증가시켜준다. 이는 기존 아날로그 계기보다 고장률이 훨씬 낮은 반도체 계기를 통해 달성되었다. [그림 3-18]
항전 장비의 발전에 따라 모든 조종사는 기내 비행 제어 시스템에 대해 명확히 알아야 하며 자동화(automation)가 ADM(aeronautical decision-making)과 어떻게 결합되는지 알아야 한다. 이 주제는 Chapter 2, Aeronautical Decision-Making에서 자세히 다루어진다.
항공기 계기는 아날로그 계기이든 디지털 계기이든 세 가지 종류로 나뉜다: performance, control, 그리고 navigation.
Performance Instruments
성능 계기는 항공기의 실제 성능을 나타낸다. 성능은 altimeter, airspeed indicator, VSI(vertical speed indicator), heading indicator, 그리고 turn-and-slip indicator를 통해 결정된다. 성능 계기들은 항공기가 만들어내고 있는 성능을 직접 반영한다. 항공기의 속도는 속도계를 통해 확인될 수 있다. 고도는 고도계를 통해 확인될 수 있다. 항공기의 상승 성능은 VSI를 통해 확인될 수 있다. 이 외의 성능 계기로는 heading indicator, angle of attack indicator, 그리고 slip-skid indicator가 있다. [그림 3-19]
Control Instruments
조종 계기는 자세 변화와 출력 변화를 즉시 표시한다. 정교한 조정을 허용하기 위해 이 계기들에는 눈금이 매겨진다. [그림 3-20] 자세계는 항공기의 자세를 나타내기 위한 계기이다. 조종 계기는 항공기의 속도나 고도를 표시하지 않는다. 이러한 변수들을 결정하기 위해서는 성능 계기를 참조해야 한다.
Navigation Instruments
항법 계기는 특정 항법 시설이나fix에 대한 항공기의 위치를 나타낸다. 항법 계기에는 다양한 유형의 course indicators, range indicators, glideslope indicators, 그리고 bearing pointers가 포함된다. 보다 기술적으로 진보한 계기를 갖춘 최신 항공기는 혼합된 정보를 제공하며이는 조종사에게 더욱 정확한 위치 정보를 제공한다.
항법 계기는 GPS, VOR, NDB, 그리고 ILS 정보를 표시하는 계기들로 구성된다. 이 계기들은 특정 항법 시설이나fix에 대한 항공기의 위치를 나타낸다. 또한 이 계기들은 항공기가 특정 경로를 유지하도록 조종 정보도 제공한다. 이러한 조종 정보는 2차원(ground-based 항법 정보)이나 3차원(space-based 항법 정보)으로 제공될 수 있다. [그림 3-21 및 22]
GPS란 미국 국방부가 궤도에 올려놓은 위성 네트워크로 구성된 위성 기반 항법 시스템이다. GPS는 원래 군사적 용도로 사용되었다. 허나 1980년대에 정부는 이 시스템을 민간인이 사용할 수 있도록 만들었다. GPS는 전 세계 어디에서든 24시간 내내 작동한다. 2차원 위치(위도 및 경도)를 계산하고 그 움직임을 쫓기 위해선 GPS 수신기가 최소 세 개의 위성 신호를 자동으로 추적해야 한다. 수신기가 4개 이상의 위성을 확인한 경우에는 사용자의 3차원 위치(위도, 경도, 그리고 고도)를 결정할 수 있다. 신호의 손실과 신호의 모호성을 상쇄하기 위해선 수신기가 그 외의 위성을 확인해야 한다. GPS의 사용 방법에 대해서는 Chapter 17, Navigation에서 자세히 설명되며AIM에서도 설명된다.
