항공기용 외부연료탱크 출렁임 및 진동시험

2.1 시험 요구도

미군사 규격 MIL-T-7378은 항공기에 적용되는 외부연료탱크 출렁임 및 진동시험에 대한 요구사항을 규정하고 있다⁽²⁾.

‧ 시간 : 출렁임 주기가 매분 16회 ~ 20회인 경우, 시험체에 출렁임과 진동을 동시 인가하여 25시간 시험 수행하고, 출렁임 주기가 매분 10회 ~ 16회인 경우에는 시험체에 출렁임과 진동을 동시 인가하여 25시간 시험 수행 후, 15시간의 출렁임 시험을 추가로 수행하고, 10분간 진동시험을 수행한다. 참고로, 이 논문에서는 출렁임 주기를 분당 10회로 설정하고, 출렁임 및 진동시험 25시간, 출렁임 시험 15시간, 그리고 진동시험 10분을 수행하였다.

‧ 출렁임 : 항공기의 롤 또는 피치운동을 모사하여 연료탱크 내부에 있는 연료의 출렁임을 발생시킨다. 시험체의 수평자세를 기준으로 ±15°, 총 30° 각도로 규정하고 있다.

‧ 진동 진폭 : 출렁임 및 진동 테이블은 시험체의 고정지점(고유강성 지점)에서 측정된 최소 이중진폭 0.50 mm를 생성하도록 조정되어야 한다. 그리고, 지지격벽(supporting bulkhead)에서는 시험체의 상단과 하단의 평균 진폭이 최소 0.81 mm 이어야 한다.

‧ 진동주파수 : 왕복엔진에 의해 추진되는 항공기에 사용하는 탱크를 테스트하는 경우, 진동주파수는 사용된 엔진의 정상 정격 크랭크축 속도에 해당하는 주파수의 90(+0/-3) %이어야 한다. 다른 항공기 탱크를 시험하기 위한 진동주파수는 2000(+0/-60) r/min이어야 한다. 참고로, 이 시험에서는 진동주파수로 2000(+0/-60) r/min이 적용되었다.

‧ 인가압력 : 출렁임 및 진동시험은 항공기 장치들이 직면할 수 있는 정상 작동압력으로 시험체를 가압하면서 수행해야 한다. 참고로, 이 시험에서는 운용압력으로 24(+0/-5) psig를 적용하였다.

2.2 시험 절차

출렁임 및 진동시험은 아래의 절차에 따라 수행한다.

Step-1 : 시험체 중심선이 출렁임 및 진동시험 장비의 출렁임 축에서 최소 508 mm 높이에 위치하도록 시험체를 설치한다.

Step-2 : 시험체 연료주입구를 열고, 각 구획별 용량의 2/3 부피만큼 물로 채운다.

Step-3 : 시험체를 24(+0/-5) psig로 가압한다.

Step-4 : 출렁임 및 진동시험 장비의 출렁임 각도를 ±15°로 설정하고 동작시킨다.

Step-5 : 시험체에 2000(+0/-60) r/min의 진동주파수가 인가되도록 진동모터를 동작시킨다.

Step-6 : 시험체를 출렁임 및 진동조건에 25시간, 출렁임 조건에 15시간 노출시킨다.

Step-7 : 출렁임 및 진동시험, 출렁임 시험 종료 후, 시험체를 해압한다.

Step-8 : 시험체의 연료주입구를 열고, 추가적으로 급수한 후, 시험체를 24(+0/-5) psig로 가압한다.

Step-9 : 시험체를 2000(+0/-60) r/min의 진동주파수에 10분 동안 노출시킨다.

Step-10 : 시험체를 해압하고, 배수 후 30(+0/-6) psig로 최소 5분간 가압하여 누설점검을 한다.

Step-11 : 시험체 분해 후, 시험체의 파손유무를 육안으로 검사한다.

3.1 시험장비 개요

Fig. 1은 출렁임 및 진동시험 장비의 전체적인 형상을 보여주고 있다. 출렁임 및 진동시험 장비는 크게 출렁임 인가부와 진동 인가부로 구성되어 있다. Fig. 1(a)는 출렁임 구현부로써, 출렁임용 모터의 회전운동을 상판과 연결된 커넥팅로드(connecting rod)에 전달하여 출렁임 운동을 인가한다. Fig. 1(b)에 나타낸 진동 인가부는 구동축과 구동모터, 베어링(bearing), 베어링 설치블록(bearing installation block), 편심조정블록(eccentric adjustment block)으로 구성되어 있는데, 편심조정 블록 내부에 설치되어 있는 편심판을 조정하여 의도하는 진폭을 인가한다.

Fig. 1

Test equipment for the S&V test

3.2 시험체 고정치구

Fig. 2는 시험체를 출렁임 및 진동시험 장비에 고정하는 치구이다. 해당 고정치구는 외부연료탱크 중량과 2000 r/min으로 인가되는 진동에 대해 구조 건전성을 확보해야 하며, 이를 확인하기 위한 수치해석을 수행하였다.

Fig. 2

Test fixture to install the test specimen

Fig. 3은 고정치구에 대한 유한요소 모델이다. 총 절점 13 947개, 총 요소수는 12 468개로, 셸(shell) 요소 11 500개, 솔리드(solid) 요소 928개, 바(bar) 요소 40개를 사용하였고, 각 부품간의 체결을 위해 RBE2 72개를 사용하였다. 그리고, CONM2를 사용하여 시험체 중량을 모사하였고, 경계조건으로 시험장비에 고정되는 체결점 4곳에 고정 경계조건을 부과하였다. 그리고, 진동해석을 위해 경계조건이 부과된 바닥면 4곳에 진동 2000 r/min 조건으로 정현파 33.3 Hz와 진폭 1 mm를 인가하였다. 참고로, 고정치구 주요부재는 SS400이 적용되었고, 수치해석 전/후처리용 소프트웨어는 패트란(patran), 솔버(solver)는 나스트란(nastran)을 사용하였다.

Fig. 3

FEM of test fixture and boundary condition

Fig. 4는 진동해석을 통해 계산된 등가응력 분포를 보여주고 있다. Fig. 4(a)에서 셸 요소로 모델링 한 상판의 최대 등가응력은 302 MPa, Fig. 4(b)에서 솔리드 요소를 사용한 측면 보강판의 최대 등가응력은 42 MPa로 계산되었다. 따라서, 적용소재 SS400의 인장강도(400 MPa ~ 510 MPa)를 기준으로, 상판의 안전여유는 0.3, 측면 보강판의 안전여유는 8.0 이상으로 파악되어 해당 시험치구는 출렁임 및 진동시험을 수행하기 위한 구조 강도를 확보하고 있는 것으로 파악되었다.

Fig. 4

Results of vibration analysis of test fixture

3.3 시험체 설치

Fig. 5는 출렁임 및 진동시험을 수행하면서 가속도를 측정하기 위해 설치한 가속도 센서 위치들을 나타내고 있다. 가속도 센서는 BRU와 체결되는 전/후방 러그(lug)에 1개씩, 전/후방 지지격벽(bulkhead) 상/하부에 각 1개씩, 총 6개가 설치되었다. Fig. 6은 파일런 대체치구와 외부장착물 분리장치(bomb rack unit, 이하 BRU), 시험치구를 사용하여 시험체를 출렁임 및 진동시험 장비에 설치한 형상을 보여주고 있다.

Fig. 5

Test specimen and locations of accelerometer

Fig. 6

Test specimen installed on the test equipment

4.1 출렁임 및 진동시험

진동이 선형일 경우 가속도와 진폭은 식 (1)의 관계를 갖고 있다.

여기서, A는 가속도(mm/s²), D는 진폭(mm), f는 가진 주파수(Hz)를 의미한다.

Fig. 7은 출렁임 및 진동시험 동안 실시간으로 계측되는 가속도의 일부분을 보여주고 있으며, Fig. 8은 가속도 측정값에 대한 고속 푸리에 변환(fast Fourier transform, 이하 FFT)를 통해 지지격벽과 러그영역에서 시험조건인 진동주파수 2000(+0/-60) r/min(33.3(+0/-1) Hz)으로 잘 가진되고 있는지 점검한 결과이다. FFT 결과로부터, 지지격벽과 러그영역이 1985 r/min (33.1 Hz)으로 가진되고 있으며, 시험요구 조건에 부합하는 진동이 잘 인가되고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 7

Measurement of acceleration in the S&V test

Fig. 8

FFT of accelerometer data

25시간 동안 출렁임 및 진동시험을 수행하면서 가속도 센서에서 계측된 RMS 데이터를 기록한 결과가 Table 2에 주어져 있다. 참고로, Table 2에서 전/후방 격벽의 진폭은 전방격벽의 상/하부 평균진폭과 후방격벽의 상/하부 평균진폭을 의미한다.

Table 2

Acceleration measured at lug and bulkhead[unit: g]

Fig. 8의 가진 주파수와 Table 2의 가속도 데이터를 적용하여 가속도 측정위치에서 평균진폭과 최대진폭을 계산한 결과를 Table 3에 나타내었다. 그 결과, 전/후방 격벽의 평균진폭은 1.06 mm와 0.89 mm, 최대진폭은 1.12 mm와 0.93 mm로 계산되어, 격벽에 대한 진폭 요구조건을 만족하는 것으로 분석되었다. 또한, 러그 전/후방의 평균진폭은 0.91 mm와 0.84 mm, 최대진폭은 0.96 mm와 1.03 mm로 계산되어, 러그부에 대한 진폭 요구조건도 만족하는 것으로 파악되었다.

Table 3

Amplitude of the S&V test[unit: mm]

Fig. 9는 출렁임 및 진동시험 진행되고 있는 시험체의 –15° ~ +15° 사이의 1주기 운동을 보여주고 있으며, Fig. 10은 시험이 진행되는 동안 시험체 내부압력에 대한 모니터링 결과이다. 시험체 내부압력은 운용압력 범위 24(+0/-5) psig로 적용되었는데, 이 시험에서는 21.9 psig로 인가되었으며, 시험이 진행되는 동안 인가압력이 잘 유지되고 있음을 확인하였다. Table 4는 출렁임 및 진동시험 종료 후에 진동시험 요구조건에 맞춰 추가적으로 급수하고 10분 동안 수행한 진동시험 결과이다. 그 결과, 전/후방 격벽의 진폭은 각각 0.87 mm, 0.89 mm, 전/후방 러그부의 진폭은 모두 0.89 mm로 파악되었다. 따라서, 진동시험에서도 모든 측정지점에서 Table 1의 진폭 요구조건을 만족하고 있음을 확인하였다.

Fig. 9

One cycle motion of the S&V test

Fig. 10

Internal pressure check of test specimen

Table 4

Acceleration and amplitude in the vibration test

4.2 가압시험 및 분해검사

Fig. 11은 출렁임 및 진동시험, 출렁임 시험 그리고 진동시험 종료 후, 압력을 해제하고, 내부 물을 배수한 뒤 수행한 가압시험 결과이다. 가압시험은 시험체의 누설여부를 최종 점검하기 위한 시험으로써, 시험체 내부의 검사 압력범위는 30(+0/-6) psig인데, 이 검사에서는 27.0 psig가 인가되었다. 5분간 수행된 가압시험 결과, 시험체 내부 압력 잘 유지되는 것으로 파악되어 시험체의 누설은 없는 것으로 확인되었다.

Fig. 11

Internal pressure check of test specimen

Fig. 12는 시험 종료 후 시험체 내부를 점검한 결과이다. 점검 결과, 시험체의 구조적 변형이나 파손의 흔적은 없는 것으로 확인되었으며, 내부 부품과 배관에서의 파손도 발견되지 않았다.

Fig. 12

Result of disassembly inspection