동체
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1. 개요
동체는 항공기의 주요 구조 요소로, 다양한 구조 형식을 가지며 강도, 무게, 제작 용이성 등에서 장단점을 보인다. 초기 항공기에는 트러스 구조가 사용되었으며, 모노코크 구조는 동체의 외피가 주요 구조 역할을 한다. 세미모노코크 구조는 모노코크 구조에 스트링거와 프레임을 추가하여 강도를 높인 형태로, 현대 항공기에 널리 사용된다. 동체는 재료에 따라 나무, 금속, 복합재료 등으로 제작되며, 조종석 창문은 조류 충돌에 대비하여 설계되고, 객실 창문은 아크릴 유리로 만들어진다. 일부 항공기는 날개와 동체가 통합된 형태를 가지며, 속도 영역에 따라 동체 구조가 분류된다.
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| 동체 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 개요 | |
| 정의 | 항공기의 주요 몸체 부분으로, 날개, 꼬리, 조종석, 객실, 화물칸 등을 포함한다. |
| 기능 | 항공기 구성 요소를 연결하고 지지하는 구조적 역할 승객, 화물, 장비 등을 수용하는 공간 제공 기체의 공기역학적 형태를 결정 |
| 구조 및 설계 | |
| 형태 | 원통형: 여객기 등에서 일반적 유선형: 고속 항공기에서 공기 저항 감소 목적 기타 형태: 특수 목적 항공기 (예: 군용기) |
| 재료 | 과거: 주로 금속 (알루미늄 합금) 현대: 복합 재료 (탄소 섬유, 유리 섬유) 사용 증가 (경량화 및 강도 향상 목적) |
| 주요 구성 요소 | 전방 동체 (조종석, 레이더 등) 중앙 동체 (객실, 화물칸 등) 후방 동체 (꼬리 날개 부착 부분) |
| 구조적 특징 | 골격 구조: 뼈대 역할을 하는 프레임 및 세로 지지대 외피: 공기역학적 형태를 제공하는 외부 패널 격벽: 동체 내부를 구획하는 구조물 |
| 종류 | |
| 협동체 | 단일 통로, 중소형 여객기에 사용 |
| 광동체 | 복수 통로, 대형 여객기, 화물기에 사용 |
| 캔틸레버식 동체 | 외팔보 형태의 날개를 지지 |
| 반 모노코크식 동체 | 응력 외피 구조와 골격 구조의 혼합형 |
| 설계 고려 사항 | |
| 공기역학 | 항력 감소 및 양력 효율 극대화 |
| 구조적 강도 | 비행 중 발생하는 하중 및 압력을 견딜 수 있는 능력 |
| 안전 | 충돌 시 승객 보호 및 비상 탈출 용이성 확보 |
| 내부 공간 | 승객 편의성, 화물 적재 효율성, 장비 배치 용이성 고려 |
| 제작 | 효율적인 조립 및 유지보수 용이성 |
| 관련 용어 | |
| 동체 | 기체 (항공)의 주요 구조 부분 |
| 기골 | 항공기 동체의 뼈대 |
| 외피 | 동체를 덮는 외부 패널 |
| 조종석 | 조종사가 항공기를 조종하는 공간 |
| 객실 | 승객이 탑승하는 공간 |
| 화물칸 | 화물을 싣는 공간 |
| 승무원 | 항공기 운항 및 승객 서비스를 담당하는 사람 |
2. 동체의 구조
동체는 조종석, 객실, 화물실로 구성되며, 비행에 필요한 계기, 유압 장치, 전기 장치, 라디오, 레이더 등이 대부분 동체 안에 장착되어 있다.[1] 고고도 비행 시에는 여압 장치를 통해 압축된 공기를 공급하여 산소 부족을 방지하고, 기내 압력을 지상 2,400m 상당의 0.75기압 정도로 유지하며, 냉난방 장치로 기내 온도도 조절한다.[1]
2. 1. 트러스 구조
초기 항공기에는 나무나 강철 튜브를 용접하여 만든 트러스 구조가 주로 사용되었다. 이러한 구조는 경량 항공기에 여전히 사용되며, 목재와 합판을 사용하기도 한다.[1]
2. 2. 측지선 구조 (Geodesic Construction)
측지선 구조는 전간기와 제2차 세계 대전 시기에 영국의 비커스사에서 바네스 월리스에 의해 개발된 동체 구조 방식이다. 특히 공기역학적 형상을 만드는 데 사용되었다.[1]
이 방식은 여러 개의 평평한 스트링거(stringer)를 반대 방향의 나선형으로 형틀에 감아 바구니 모양으로 만든다. 이는 가볍고 강하며 견고하다는 장점이 있고, 거의 전적으로 목재를 사용할 수 있다는 이점이 있었다.[1] 알루미늄 합금을 사용한 유사한 구조는 비커스 워릭에 사용되었는데, 다른 구조 방식에 필요한 것보다 적은 재료로 제작되었다.[1] 측지선 구조는 중복성을 가지기 때문에 국부적인 손상이 발생하더라도 치명적인 파손 없이 견딜 수 있다.[1] 구조물 위에 천으로 된 피복을 덧씌워 공기역학적 외피를 완성하였다. 이러한 방식을 사용한 대형 전투기의 예로 비커스 웰링턴이 있다.[1] 이러한 방식에서 더 발전한 것은 여러 장의 합판을 서로 다른 방향으로 목재결을 배치하여 모노코크형 동체를 만드는 것이다.[1]
2. 3. 모노코크 구조 (Monocoque Shell)
Monocoque Shell영어 구조는 동체의 외피가 주요 구조 역할을 하는 방식이다. 얇은 금속판이나 복합재료를 사용하여 동체를 만든다. 현대 항공기에서 널리 사용되는 방식이다.[1]초기 형태의 예로는 록히드 베가 항공기가 있는데, 성형 합판을 사용하여 제작되었다. 합판 층은 "플러그" 위 또는 금형 내에서 형성된다.[1] 이 구조의 후기 형태는 합판 대신 폴리에스터 또는 에폭시 수지를 함침시킨 Fiberglass영어 직물을 외피로 사용한다.[1] 일부 아마추어 제작 항공기에서는 코어로 경질 발포 플라스틱을 사용하고 섬유유리로 덮는 간단한 형태를 사용하는데, 이는 금형을 제작할 필요가 없지만 마무리에 더 많은 수고가 필요하다. (루탄 밸리 이지 참조)[1]
제2차 세계 대전 당시의 드 하빌랜드 모스키토 전투기/경폭격기는 더 큰 성형 합판 항공기의 예이다. 합판 외피 동체는 얇은 외피가 좌굴되는 것을 방지하기 위해 강화 요소가 구조에 통합되어 집중 하중을 지탱하므로 진정한 모노코크 구조는 아니다.[1]
현대의 많은 글라이더 시리즈 생산에서는 거의 완성품인 네거티브("암컷") 몰드를 사용하여 성형된 섬유유리를 사용하는 방식이 널리 보급되어 있다. 동체 구조에 성형 복합재를 사용하는 것은 보잉 787 ''드림라이너''(암컷 금형에 압력 성형 사용)와 같은 대형 여객기까지 확대되고 있다.[1]
2. 4. 세미모노코크 구조 (Semi-monocoque)
세미모노코크(Semi-monocoque) 구조는 모노코크 구조와 유사하지만, 세로 방향의 보강재(스트링거, 롱제론)와 프레임을 추가하여 강도를 높인 구조이다.Semi-monocoque영어[1] 대부분의 현대 항공기, 특히 대형 항공기에서 사용되는 방식이다.
이 방식은 주로 알루미늄 동체를 제작하는 데 사용된다. 먼저 동체 단면 형상의 프레임을 고정구에 고정하고, 이 프레임들을 스트링거라고 하는 경량의 세로 방향 요소로 연결한다. 그런 다음 얇은 알루미늄 판으로 덮고, 리벳으로 고정하거나 특수 접착제로 접합한다. 이후 고정구를 분해하고 완성된 동체 쉘에서 제거한 후, 배선, 제어 장치, 좌석 및 수하물 칸과 같은 내부 장비를 장착한다.
대부분의 현대식 대형 항공기는 이 기술을 사용하여 제작되지만, 이 방식으로 제작된 여러 개의 큰 섹션을 고정장치로 연결하여 완전한 동체를 형성한다. 최종 제품의 정확도는 대부분 비용이 많이 드는 고정구에 따라 결정되므로, 이 형태는 동일한 항공기를 여러 대 생산해야 하는 대량 생산에 적합하다. 이러한 유형의 초기 예로는 DC-2, DC-3 민간 항공기와 B-17 플라잉 포트리스가 있다. 대부분의 금속 경항공기는 이 공정을 사용하여 제작된다.
모노코크와 세미모노코크는 모두 "응력 외피 구조"라고 불린다. 외부 하중의 전부 또는 일부가 표면 피복에 의해 받쳐지기 때문이다. 또한, 내부 가압에 의한 모든 하중은 외부 스킨에 의해 (''스킨의 장력''으로) 지탱된다.
구성 요소 간의 하중 비율은 설계에 따라 달라지며, 주로 구성에 사용 가능한 구성 요소의 치수, 강도 및 탄성에 따라 결정된다.
3. 동체 재료
초기 항공기는 천으로 덮인 나무 골조로 제작되었다. 단엽기가 인기를 얻으면서 금속 골조가 강도를 향상시켰고, 결국 모든 외부 표면에 금속 피복을 사용한 전금속 구조 항공기로 이어졌다. 이것은 1915년 후반 융커스 J 1에서 처음으로 개척되었다. 일부 현대 항공기는 보잉 787과 같이 주요 조종면, 날개 또는 전체 동체에 복합재료를 사용하여 제작된다. 보잉 787의 경우, 더 높은 기압 수준과 더 큰 창을 통해 승객의 편안함을 높이고 무게를 줄여 운영 비용을 절감할 수 있다.
4. 동체 창문
동체 창문은 안전을 위해 특수하게 설계되며, 여러 겹의 유리 또는 플라스틱으로 구성된다. 동체 창문은 크게 조종석 창문과 객실 창문으로 나뉜다.
조종석 창문은 에어버스 A320 기준으로 최대 350kn의 조류 충돌을 견딜 수 있어야 하며, 화학 강화 유리로 만들어진다. 객실 창문은 유리보다 가벼운 아크릴 수지를 사용하며, 여러 겹으로 구성되어 최대 객실 압력의 4배를 견딜 수 있다.[2]
4. 1. 조종석 창문
에어버스 A320의 조종석 앞유리는 최대 350kn의 조류 충돌을 견딜 수 있도록 화학 강화 유리로 만들어진다.[2] 이는 일반적으로 유리 또는 플라스틱의 세 겹으로 구성되는데, 안쪽 두 겹은 각각 두께 8mm로 구조적인 역할을 하고, 바깥쪽 겹은 약 3mm 두께로 외부 물체 손상 및 마모에 대한 방어막 역할을 하며, 종종 소수성 코팅이 되어 있다.[2]내부 결로를 방지하고 제빙 기능을 수행하기 위해 이전에는 자동차 뒷유리와 유사한 가는 전선을 사용했지만,[2] 현재는 겹 사이에 놓인 수 나노미터 두께의 투명한 인듐 주석 산화물 코팅으로 이루어져 있으며, 전기 전도성을 지니므로 열을 전달한다.[2] 곡면 유리는 공기역학을 향상시키지만, 시야 확보를 위해 더 큰 패널을 필요로 한다.[2] 조종석 앞유리는 4~6개의 패널로 구성되며, 에어버스 A320의 경우 각 패널의 무게는 35kg이다.[2] 평균적으로 항공기는 수명 동안 3~4개의 앞유리를 교체한다.[2]
4. 2. 객실 창문
객실 창문은 유리보다 훨씬 가벼운 신축성 있는 아크릴 수지로 만들어지며, 여러 겹으로 구성된다.[2] 바깥쪽 창은 최대 객실 압력의 네 배를 견딜 수 있도록 설계되었고, 안쪽 창은 중복성을 위한 것이며, 승객 쪽에는 긁힘 방지 창이 있다.[2] 아크릴은 크레이징에 취약하여 미세한 균열 네트워크가 나타나지만, 연마를 통해 광학 투명성을 회복할 수 있다.[2] 코팅되지 않은 창의 경우 일반적으로 2~3년마다 제거 및 연마 작업을 거친다.[2]5. 날개와 동체의 통합
일부 항공기는 동체와 날개가 통합된 형태를 가지며, 이를 통해 공기역학적 효율을 높인다. 이러한 형태의 항공기는 전익기, 양력체(리프팅 바디), 융합익 동체로 나눌 수 있다.
5. 1. 전익기 (Flying Wing)
전익기 항공기인 노스롭 YB-49와 노스롭 B-2 스피릿 폭격기와 같은 "전익기" 항공기에는 별도의 동체가 없다. 대신, 동체 역할을 하는 부분은 날개 구조의 두꺼워진 부분이다.[1]5. 2. 리프팅 바디 (Lifting Body)
별도의 날개 없이 동체를 이용하여 양력을 발생시키는 항공기 설계는 소수 존재한다. 예를 들어, 미국 항공우주국(NASA)의 실험적인 양력체 설계나 보트 항공기의 XF5U-1 플라잉 플랩잭 등이 있다.[1]5. 3. 융합익 동체 (Blended Wing Body)
융합익 동체는 동체와 날개의 구분이 명확하지 않고, 동체가 양력 발생에 기여하는 형태이다. 유용한 하중을 양력을 발생시키는 동체에 실어 나르는 방식이다. 현대적인 예로는 보잉 X-48이 있다. 이러한 설계 방식을 사용한 초기 항공기 중 하나는 Burnelli CBY-3|버넬리 CBY-3영어이며, 이 항공기의 동체는 양력을 발생시키도록 에어포일 형상을 하고 있다.6. 갤러리
참조
[1]
웹사이트
Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge
https://www.faa.gov/[...]
Federal Aviation Administration
2016-08-24
[2]
뉴스
What Passenger Cabin Windows Will Future Airliners Have?
http://aviationweek.[...]
Aviation Week
2016-11-28
[3]
뉴스
What Passenger Cabin Windows Will Future Airliners Have?
http://aviationweek.[...]
Aviation Week
2016-11-28
[4]
뉴스
What Passenger Cabin Windows Will Future Airliners Have?
http://aviationweek.[...]
Aviation Week
2016-11-28
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