291 기출분석 2019년 119회

[제1교시] (243)

# 다음 문제중 10문제를 선택하여 설명하시오. (각 10점)

1. 다음 그림과 같이 정의된 기체축(body axis)에 대하여 모멘트 (1), (2), (3)의 명칭을 쓰시오. (30)

1. 기체축의 정의

기체축은 항공기의 거동을 해석하기 위하여 설정하는 기준방향으로, 대표적인 기체축으로는 공력해석용과 구조해석용이 있다.

2. 기체축의 종류

1) 공력해석용

항공기의 전진을 표현하는 관점에서 무게중심을 기준으로 하여 항공기 진행방향으로 +X, 오른쪽 주익방향으로 +Y, 오른손 법칙에 의하여 항공기의 아랫 방향이 +Z로 정의된다. 문제에서 제시된 그림은 공력해석용 좌표계이다.

2) 구조해석용

항공기의 진행에 의한 항력의 관계에서 무게중심을 기준으로 하여 후미쪽으로 +X, 오른쪽 주익방향으로 +Y, 오른손 법칙에 의하여 항공기의 윗 방향이 +Z로 정의된다.

3. 기체축에 따른 특성

	축이름	모멘트	모멘트표현	조종면
(1) X	세로축	Roll	P	보조날개 (Aileron)
(2) Y	가로축	Pitch	Q	승강타 (Elevator)
(3) Z	수직축	Yaw	R	방향타 (Rudder)

 

2. 2차원 단면 (x, y)에서 유동 속도분포가 (u, v)= (Ax + By, x + y)이다. 비압축성 비점성 유동의 속도분포가 성립하기 위한 A, B를 구하시오. (0)

 

3. SI 단위계에서 질량차원을 M, 길이차원을 L, 시간차원을 T라할 때, 순환(circulation) Gamma의 차원을 쓰시오. (30)

다양한 단위계를 같은 수치들과 비교를 위하여 단위를 차원의 조합으로 쓸 수 있다. 예를 들어, 힘의 단위인 F(Force)의 경우 F=ma와 같은 정의에서 F= ma = m * v / t = m * (l / t) / t = [M] * [L / T] / [T] = [MLT^-2]와 같이 표현할 수 있다.

순환(circulation) Gamma의 수식적 표현은 2pi v r 이므로

Gamma = 2pi v r = 2 * pi * (l / t) * l = [] * [] * [L / T] * [L]= [L^2 T^-1]와 같이 표현할 수 있다.

 

4. 비점성 압축성 유동에서 발생한 반대방향의 경사충격파가 충돌하면 미끌림선(slip line)이 발생한다. 미끌림선의 상하면 유동이 만족해야 할 조건을 쓰시오. (0)

 

5. "초도비행시험준비검토" 회의의 목적을 크게 2가지로 구분하여 설명하시오. (25)

1. 초도비행시험준비검토회의의 정의

초도비행시험준비검토회의 (FFRR, First Flight Readiness Review)는 신규 개발하는 항공기 또는 기 운행 항공기의 개조 작업 후 항공기를 규정하는 형상 (configuration)이 변경되었을 경우, 최초의 비행에 대하여 검토하는 회의로 주로 비행안전성의 확보 여부를 확인하는 내용으로 진행된다.

2. 초되행시험준비검토회의의 내용

초도비행시험준비검토회의는 비행안전성을 확인하는 회의로서 주로 하중과 시험계획을 검토한다.

1) 비행전 비행하중에 의한 구조의 안전성 확인

최초 비행시 항공기의 최대 성능까지 발휘되는지 확인하는 비행을 하지는 않지만, 최초 비행중 발생할 수 있는 속도 및 고도에서의 기체의 공탄성 해석결과 확인 및 이후 시험계획에 따른 하중비행시 발생할 수 있는 최대/최소하중배수까지의 하중해석 결과와 이에 따른 응력해석결과를 확인하여 항공기의 구조안전성을 확인한다.

2) 비행시험계획의 적절성 확인

비행시험은 속도와 고도의 함수로 계산되는 동압 (dynamic pressure)이 작은 구간에서부터 큰 구간의 순서로 진행하는데, 이유는 동압에 따른 항공기에 작용하는 하중이 비례적으로 작용하기 때문이다. 비행시험용 항공기의 시험 순서는 먼저 동특성 시험용 항공기가 확인하고자 하는 동압 구간을 비행한 후, 비행결과를 지상에서 확인하고, 이상없을 시 하중측정 시험용 항공기가 해당하는 동압 구간에서 시험하게 된다. 그러므로 비행시험계획에서의 시험 순서의 적절성도 항공기 안전성을 위한 중요한 요소이다.

 

6. "상세설계검토회의"에 따라 작성되며, 개발시험펴악 및 운용시험평가를 위한 기준서 역할을 하는 문서의 명칭을 쓰시오. (10)

시험평가를 위한 기준문서는 시험평가총괄계획 (TEMP, Test Evaluation Master Plan)이며, 이 계획서에 따라 시험을 진행한다. 지상시험단계에서는 각종 구조시험과 세부계통의 성능시험을 하고, 비행시험단계에서는 고도 및 속도에 연동되는 동압이 낮은 영역에서부터 설계목표상의 고도 및 속도영역까지 시험을 진행한다.

 

7. 시험 요청그룹의 검토에 의해 시험 실패로 결정되어 "시험실패해결보고서"를 작성하여야 하는 경우 3가지를 쓰시오. (23)

1. 시험 진행 과정

시험 요구부서에서는 시험요구도를 제시하고, 시험 수행부서에서는 시험요구도에 맞는 시험 치구 (test rig)를 제작하여, 시험체에 하중을 부가하고, 시험결과를 시험 요구부서에 제공한다. 이는 정상적인 절차의 시험진행과정이며, 시험 진행중 이상 발견시 시험실패를 선언하고, 시험 요구부서에서는 시험실패해결보고서를 작성하며, 시험 수행부서에서는 이에 따른 복구계획을 세운다.

2. 시험실패해결보고서 (TFRR, Test Failure Resolution Report)의 내용

1) 시험 진행중 소음 발생시

실제 시험하중을 부가하기 전에 시험하중의 40%에서 100% 사이의 값을 우선 적용하여 자유이동(free play)을 허락하고 시험을 진행하는데, 이후 소음의 발생은 구조 단품의 파손이나 패스너의 파손을 고려해 볼 수 있다.

2) 시험체의 구조 파손 발생시

하중부가로 인항 구조 파손으로 수리가 필요한 경우이며, 파손의 원인이 설계하중계산의 오류인지, 응력해석부서의 사이징 오류인지, 생산의 오류인지, 시험 수행부서의 오류인지 등의 검토가 필요한다.

3) 시험체의 예상되는 변형량을 기준이상 초과시 (안전 요구도 불만족)

시험 요구부서에서 시험요구도를 제시할 때, 설계제한하중을 고려하여 하중부가값과 이에 따른 예상 변형량을 계산하여 제공하는데, 이러한 예상 변형량을 초과하는 시험 결과를 얻었을 때, 구조물의 파손을 고려해 볼 수 있다.

 

8. 기체구조의 설계하중에서 제한하중(limit load)과 극한하중(ultimate load)의 정의를 설명하고, 안전계수가 사용되는 이유를 2가지만 쓰시오. (30)

1.제한하중과 극한하중의 정의

1) 제한하중

제한하중은 항공기의 설계 수명기간중 항공기가 겪게되는 하중의 최대범위를 나타낸다. 즉, 항공기의 목표 성능을 구현하는데 발생하는 최대의 하중값이며, 제한하중이 제거되면 항공기는 영구적인 변형없이 원래의 형상으로 돌아와야 한다.

2) 극한하중

극한하중은 제한하중에 안전계수를 적용하여 생성하는 하중으로, 극한하중에서는 구조물에 영구변형이 발생하여도 되지만, 구조물의 파손이 있어서는 안된다.

2. 안전계수의 적용

안전계수는 유인항공기에서는 보통 1.5를 사용하는데, 적용하는 이유는 계산의 불확실성이나 재료 강도특성의 분균일성이다.

1) 계산의 불확실성

설계하중을 계산할 때는 제한하중을 기준으로 생성하는데, 하중을 적용해야할 부품에 대한 이해도의 부족으로 고려해야 할 요소를 놓치거나, 응력해석중 계산과정에서의 부호나 관련 지수, 계수 적용의 오류가 발생할 수도 있으므로, 이에 대한 안전을 확보하고자 안전계수를 적용한다.

2) 기체구조를 구정하는 재료 강도특성의 불균일성

구조물의 최초 생산시에는 재료 물성치가 A-basis나 B-basis를 보장하는 상태이나, basis의 상태로 100%의 균일한 상태가 아닌 95% 신뢰도의 값이므로, 요구되는 성능에서 미달되는 제품이 공급될 가능성도 있다.

 

9. 복합재료 구조에서 대표적인 준등방성 대칭적층판의 적층순서를 제시하고, 대칭으로 적층하는 이유를 설명하시오. (29)

복합재료 적층시 요구되는 강성에 따라 적층순서 및 적층방향을 설계할 수 있는데, 적층순서의 예로 [90/-45/45/0 || 0/45/-45/90]와 같이 쓸수 있으며, 약칭으로 [90/-45/45/0]_sym으로 쓰기도 한다. 이때 기준좌표에 대한 가로, 세로 및 대각선의 균형을 맞추어야 하는데, 대칭적층의 이유는 laminate의 굽힘성질을 균등하게 적용하기 위함이고, 균형이 맞지 않는 설계시 각 방향으로의 변형이 복합적으로 작용하여 사각 평판은 말안장 모양으로 변형될 수 있다.

 

 

10. 새로운 항공기 개발에 필요한 비용중 비반복비용(non-recurring cost)에 해당하는 항목을 2가지만 쓰시오. (0)

 

11. 기체구조의 손상허용성(damage tolerance)의 정의에 대하여 설명하시오. (29)

Safe Life - 항공기의 전체 수명기간중 피로에 의한 파괴가 일어나지 않도록, 부품의 수명을 설계 (착륙장치)

Fail-Safe - 

Damage Tolerance - 재료나 제조부품에 초기 결함이 있음을 가정하고, 초기 결함이 성장하여 정기적인 항공기 검사시 발견될 때까지 구조부품의 파손이 발생하지 않도록 구조부품을 해석적관점에서 사이징(sizing, 형상이나 크기를 결정하는 과정)하는 해석방법

 

12. 비행기 착륙장치가 접지할 때 동체축 수평방향으로 작용하는 하중 2가지를 쓰고, 각각을 설명하시오. (30)

1. 항공기 착륙장치

착륙장치는 항공기의 이륙과 착륙시 지면에서의 반력을 흡수하여, 항공기, 외장장착물 그리고 탑승객의 안전을 보장하는 세부계통이며, 크게 전륜식과 후륜식으로 구분할 수 있다.

2. 항공기 착륙시 작용하중

1) Spin-up

비행후 항공기의 착륙을 위하여 착륙장치의 전개시 착륙장치의 타이어는 회전하지 않고 있는 상태이다. 타이어가 지면에 접촉하게 되면 정지하고 있던 타이어는 회전을 시작하며 급격한 가속을 하게 된다. 가속에도 불구하고 타이어와 항공기의 상태속도 차이로 인하여 착륙장치는 착륙진행의 반대방향으로 탄성변형 거동을 하게 된다. 이때 착륙장치에 작용하는 하중을 Spin-up이라고 하며, 타이어의 회전속도의 상승을 의미한다.

2) Spring-back

착륙중의 탄성변형 거동이 응력한계에 도달하게 되면, 변형된 상태에서 원래의 상태로 복귀하려는 힘이 작용하게 되며, 이때 착륙장치에 작용하는 하중을 Spring-back이라고 한다.

3) 하중해석

착륙장치의 착륙시 하중에는 Spin-up과 Spring-back 외에 Maximum vertical이 있다. Maximum vertical은 탄성변형에 의한 Spin-up과 Spring-back의 사이클이 종료된 이후, 착륙장치의 완충기에 의하여 항공기의 중량이 완전하게 지지되는 상태를 나타낸다.

이러한 착륙장치의 하중조건으로 각종 중량, 속도, 착륙자세를 고려하여 설계 및 제작하게 된다.

 

13. 항공기 기술기준(KAS) Part 25 규정에 제시된 여객기 객실 여압고도에 대한 조건을 쓰시오. (7)

고도 8kft까지는 여압을 적용하지 않으며, 고도 23kft 이상에서는 5.2 psi를 적용하며, 그 사이의 고도에서는 선형보간을 이용한 압력을 적용한다.

 

 

[제2교시]

# 다음 문제중 4문제를 선택하여 설명하시오. (각 25점)

1. 세로 안정성(longitudinal stability)에 대한 다음 문제를 설명하시오.

1) 정적 세로 안정성(static longitudinal stability)에 대하여 설명하시오.

외력이 제거되었을 때, 활동의 안정, 현 상태 유지, 발산

2) 동적 세로 안정성(dynamic longitudinal stability)에 대하여 설명하시오.

시간이 지나면서 활동의 안정, 현 상태 유지, 발산

 

2. 안전비행(SOF, Safety of Flight)의 정의는 무엇이며, 항공기 개발 단계에 따른 안전비행항목 선정과 영역 확장에 대하여 설명하시오.

 

3. 그림과 같이 원공이 있는 평판에 분포하중이 가해지고 있다. 하중 및 기하학적 대칭 조건을 이용하여 평판의 우측 상부 1/4 부분만을 유한요소 모델링할 때, 적절한 경계 조건을 설명하시오.

 

4. 그림과 같은 얇은 날개 이론이 적용되는 캠버가 있는 2차원 날개가 있다. 0.0 양력 받음각은 alpha_{l=0} = -1 deg이고, 양력계수는 c_l = pi^2 over 10이다. c/4점의 모멘트계수 변화율은 dc_{m,c/4} over d alpha = m_0로 상수이다. 다음 값들을 구하시오.

1) 받음각을 구하시오.

2) 무차원 공력중심점 x_ac에서 모멘트계수(C_m,ac), 양력계수(c_l) 및 c/4점의 모멘트계수(c_{m,c/4})의 관계식으로부터 x_ac점을 구하시오.

 

5. 감항인증계획을 수립할 때에는 단계별 감항인증계획과 더불어 해당 항공기의 기종별 주요안전품목(CSI, Critical Safety Item) 식별계획을 포함하여야 한다. CSI 정의를 설명하고, CSI로 선정되는 기준과 CSI로 선정되지 않는 경우에 대하여 설명하시오.

 

6. 기체 표면에서의 압력이 진동수 500 Hz인 정현파 형태로 진동하고 있다. 평균압력이 0 Pa이고, 압력의 실효치(root mean square, rms)가 220 Pa일 때, 이 압력의 최대피(peak value)를 구하시오.

 

 

 

[제3교시]

# 다음 문제중 4문제를 선택하여 설명하시오. (각 25점)

1. 타원형상의 3차원 날개의 받음각에 대한 양력계수를 다음 과정을 거쳐 구하시오.

1) 유도받음각 alpha_i를 양력계수 C_L과 가로세로비 AR로 표기하시오.

alpha_i = C_L^2 over (pi e AR)

2) 받음각 alpha에 따른 양력계수 변화율을 구하시오. (단, 날개의 뒤틀림은 없으며, 캠버형상도 일정하다.)

3) AR=5.0, 받음각 alpha = 0.01 pi (radian)이고, 날개 단면은 얇은 날개 이론이 적용되는 대칭날개이다. 양력계수 C_L을 구하시오.

 

2. 다음 시험들에 대하여 설명하시오.

1) 비행하중보정시험

항공기에 장착된 하중측정센서에 대하여 지상에서 보정하는 시험

2) 하중비행시험의 2종류

- 최대수직하중배수

- 러더킥

 

3. 탄소섬유/열경화성 수지 복합재료 구조 제작을 위한 대표적인 성형 싸이클(curing cycle)을 도시하고, 이 싸이클에서 가압과 가열하는 시점과 그 이유를 설명하시오.

가압 - 초기 (제작공정 중의 기포제거)

가열 - 중기 이후 (경화 목적)

 

4. 항공기 설계개발과정은 일반적으로 3단계로 나누어진다. 각 단계별 과정과 각 과정별 대표적인 세부업무를 2가지 쓰시오.

개념설계 - 기본설계 - 상세설계 - 양산 - 운용

 

5. 서로 다른 두 주파수의 음압의 실효치가 다음과 같다.

p1 = 10 Pa, p2 = 20 Pa

각 음의 음압 레벨을 구하고, 두 음의 합으로 이루어진 혼합음의 음압레벨(sound pressure level, SPL)을 구하시오.

 

6. 그림에 주어진 원형 튜브와 정사각형 튜브는 동일 재질이며, 길이 L, 두께 t, 질량 m도 같다. 두 개의 튜브가 토오크 T를 받고 있을 때, 비틀림에 의한 전단응력 tau에 대하여 어느 튜브가 효과적인지 T와 tau와의 관계식을 이용하여 설명하시오.

 

 

 

[제4교시]

# 다음 문제중 4문제를 선택하여 설명하시오. (각 25점)

1. 수축팽창 노즐에서 배압 대 정체압력 비 pb over p0의 변화에 따른 유동 특성변화에 대하여 다음 문제를 설명하시오.

1) 3종류의 임계압력 pc1 over p0, pc2 over p0, pc3 over p0에 대하여 유동특성과 구하는 과정을 설명하시오.

2) 초과팽창 유동에 대한 pb over p0의 조건, pe over p0(출구압력비)와 pb over p0 관계, 배기제트에서 발생하는 현상을 그림을 포함하여 설명하시오.

 

2. 항공기가 매우 작은 하강각 gamma인 상태에서 등속 하강비행하고 있다. 비행성능에 대하여 다음 문제에 답하시오. (단, 추력과 비행경로는 일치하고, 양력계수는 CL, 저항계수는 C_D, 항공기중량은 W, 기준밀도는 rho, 기준면적은 S, 속도는 V, 추력은 T, 저항은 D이다.)

1) 비행기에 작용하는 운동방정식을 세우고, 하강속도 및 하강률을 구하시오.

2) 무추력 상태에서 활공비행할 때 활공각을 구하시오.

atan(C_L over C_D)

 

3. 기체구조에 사용되는 2000계열과 7000계열 알루미늄 합금에 첨가되는 주요 금속을 각각 한 가지씩 쓰시오. 그리고 두 계열 합금이 사용되는 여객기 기체의 대표적인 부위를 기계적 특성과 함께 설명하시오.

 

4. 피로시험에서 강철 시편이 다음과 같은 하중 순서(load sequence)를 반복적으로 받고 있다. 이 때 강철이 파손되는 총 하중반복 횟수(cycle)를 구하시오.

하중순서	하중1	하중2	하중3	하중4
작용 응력 진폭 S (MPa)	150	125	120	100
작용 하중 반복횟수 n (cycle)	200	300	500	600
강철파손 하중 반복횟수 N (cycle)	10^4	10^5	2 X 10^5	4 x 10^5

 

5. 그림과 같이 주어진 비행제어 시스템의 전달함수를 구하시오.

 

6. 그림과 같은 진동계에서 질량 m=1, 감쇠계수 c=3, 스프링상수 k=2이다. 평형위치에 정지된 상태에서 시간 t=1.0에서 순간적인 충격량 I_0가 x축 방향으로 주어졌다. 시간에 따른 x의 변화를 구하시오. (단, 단위는 생략한다.)