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    학술행사 취재기 게시판 내용
    제목 2014 인간동력항공기 경진대회 참여기
    작성자 이재호
    작성일 2014-10-20 오후 4:49:30


    그리스 로마 신화를 보면 미궁에 빠진 이카루스가 깃털을 팔에 붙여 하늘을 날았다는 이야기가 있다. 이처럼 비행기를 좋아하는 사람이라면 한번쯤은 하늘을 날고 싶다는 생각을 상상해보았을 것이다. 이 꿈을 이룰 수 있는 대회인 ‘인간동력항공기 경진대회’가 2014년에 또다시 개최했다. 이 대회는 2012년 시범대회를 시작으로 이번 해 2회째 개최하였으며 참가팀들이 늘어나고 있다.


    ‘인간동력항공기 경진대회’는 항공관련 전공을 배우지 않는 대학생이라도 참가 가능하다. 즉 일반 회사원이나 학생도 참여 가능하다는 뜻이다. 2013년도 대회 때는 고등학생 팀이 참가를 신청했었고 올해는 일반 팀과 고등학생 팀이 참가신청을 했었다.



     총 16팀이 참가하였고 본 대회에는 14팀이 진출하여 비행을 시도하였다. 우리는 2012년 시범 대회 때부터 참가하여 꾸준히 1위를 차지하고 있다. ‘이번 해에도 1등을 할 수 있을까’라는 불안감과 ‘발전하지 않고 퇴보하는 것이 아닐까’라는 걱정이 많았다.



    인간동력항공기 경진대회는 활주로 시작지점에서 200m 이내에 이륙을 성공해야하며 이륙선 부터 비행거리 400m 지점까지 시간을 측정한다. 만약 400m 달성 팀이 없는 경우 최소 150m 이상 비행한 경우에 한하여 비행거리로 순위를 측정한다. 경기의 목표는 시범 대회 때부터 똑같았으며 제 1회 대회까지는 150m를 비행한 팀이 아무도 없었다.

      작년도 실패 이유가 조종의 실수로 기체에 이상은 없었다고 판단하여 올해는  400m 완주가 아닌 최대한 빠르게 400m를 나는 것을 목표로 정하였다. 저번해의 설계도를 기본바탕으로 속도를 높일 수 있는 방법을 생각하여 수정, 보완을 했다.



    우리는 설계를 시작하기 전 13년도 대회의 문제점을 생각해봤다. 회의 결과 문제점 몇 가지가 간추려졌다.  그 첫 번째로 조종의 실수였다. 과거 조종사가 Rudder를 반대방향으로 쳐서 기체가 활주로를 벗어나 옆 풀숲에 떨어졌고 130m라는 아쉬운 성적을 내었다. 지금 생각해보면 학교 근처에 비행연습을 할 수 있는 장소가 마땅히 없어 어쩔 수 없었던 것 같다. 우리는 대운동장에서 Taxing 연습이라도 계속 하는 것이 좋다고 생각하여 비행기를 최대한 빨리 만들었다.




    두 번째 문제는 프로펠러 회전으로 인한 Anti Torque 발생이었다. 프로펠러가 회전하면서 작용 반작용 법칙으로 동체 Pipe가 반대방향으로 회전을 하는 힘이 생긴다. 이러면 동체와 고정된 주익도 기울어지게 되고, 좌우 수평이 맞지 않아 Spin이 걸리게 된다.  즉 직진을 할 수 없다. 또한 Spin이 걸리지 않더라도 한쪽으로 기울어진 상태에서 Elevator를 친다면 위로 뜨는 것이 아닌 위에서 45도 옆으로 뜨게 된다. 결국 제대로 된 방향으로 갈 수 없는 것이다.    우리는 이에 대한 해결책으로 수평미익에 비틀림 각을 주는 것으로 결정했다. 기체의 주익에는 Outer부분에 있을수록 Center의 받음각에 비해 2도 낮게 Chordline이 위치하고 있다. 이렇게 비틀림 각을 준 이유는 Induced Drag를 최소화하기 위해서이다. 하지만 이번 수평미익에 비틀림을 주는 이유는 좌측과 우측의 Chordline을 다르게 하여 받음각을 다르게 하고 이에 따라 양력에 차이를 주어 Anti Torque를 발생시키기 위함이다. 이러면 동체에 발생하는 Torque를 상쇄시키고 주익의 좌우수평을 맞출 수가 있다.

    세 번째로 날개 끝 Induced Drag를 줄이기 위한 장치인 Winglet의 과도한 무게였다. 고밀도발포 스티로폼을 주재료로 사용하니 너무나 강하게 만들어서 총 무게가 1kg 넘었다. 결국 이번 해는 무게를 절감하기 위하여 Semi-Monocoque 구조로 만들었다.

    이어 네 번째로 원활하지 않은 동력전달이 문제였다. 작년 조종사가 페달을 밟을 때 페달이 원활하게 돌아가는 것이 아닌 최대 힘을 받는 지점에서 페달이 힘없이 밀렸었다. 조종사가 더 큰 힘을 내지 못하고 꾸준한 힘도 낼 수가 없었으며, 프로펠러가 일정한 속도로 회전하지 못했다. 특히 프로펠러가 일정한 속도로 돌 수 없고 기체가 더 빠른 속도로 나아가지 못해 양력이 감소되는 현상이 발생했다. 양력은 속도의 제곱에 비례하기 때문에 경기에 매우 중요한 과제이기도 하다. 결국 이 문제는 벨트를 잡고 있는 베어링의 간격을 조절하면 효과를 볼 것이라고 생각하였다. 수많은 방법으로 시도해보았으나 결국 고치지 못하였다. 많은 시도 끝에 새로운 사실도 배웠으며 내년엔 쓸 수 있는 기술을 축적할 수 있다는 생각을 가졌다.

    다섯 번째로 수직미익의 구조 불안정이었다. 이때까지 수직미익 구조가 Rib에 외피 형상을 지탱해주는 Stringer가 없어서 날개 표면을 감싸는 Skin의 재료인 Mylar를 붙여도 평평하지가 않고 주름이 져서 Skin Friction Drag가 생겼다. 이번 대회에는 Stringer를 수직미익 Rib에 부착하여 형상을 잡아주고 더 튼튼하게 제작했다.

    여섯 번째로 주익 Carbon Pipe 1.5G 하중테스트 도중 Pipe 파손으로 인한 무게 증가였다.  2013년도 기체에 아주 중요한 결함이 있었고, 이 때문에 무게증가 및 주익 좌우 대칭이 깨져 비행이 쉽지 않았다. 이번 해에는 동체와 연결하는 스테인리스 Wire의 체결을 확실하게 하여 불필요한 실수를 줄여나갔다.  그 외에도 정말 많은 노력을 하였다. 작년 대회의 노하우를 발전시켜 실수를 최대한 줄였기 때문에 올 해 1등을 할 수 있었던 것 같다.



    인간동력항공기 대회는 여러분야가 있어 팀장 혼자 컨트롤을 할 수가 없다. 각 분야별로 반장을 두어 효율적으로 관리하여 대회를 준비하였다. 기체 설계를 맡고 있는 팀장은 전체 체계구성 및 조종사 훈련일정 관리, 팀원 구성 및 인력 관리를 맡았다. 방학 때 휴가일정이 팀원들 간에 겹치지 않게끔 특히 작업이 뒤처지지 않도록 관리해야만 한다.

    이어 동력계통부 팀원은 Prop. Designer 프로그램을 사용하여 설계 목적에 맞는 형상 데이터를 산출해내고, 그 데이터에 맞게끔 프로펠러를 제작하고 추력 테스트를 통해 적합한 프로펠러를 선정한다. 동력전달 과정은 조종사의 다리로 자전거 페달을 밟게 되고 크랭크가 돌아가면서 맞물려있는 풀리가 돌아간다. 풀리에 맞물려있는 벨트가 동체에 심어져있는 작은 풀리를 돌리게 되고, 이 풀리와 Carbon Pipe로 축이 연결되어있는 프로펠러를 회전시킨다.   동력계통의 가장 중요한 일은 조종사의 동력을 최대한 손실하지 않고 프로펠러에 전달해야 더 큰 힘으로 돌릴 수 있다.

    Wing(윙) 팀은 주익의 익형은 Profili 프로그램 및 개념설계를 통하여 형상 데이터 산출하여 결정한다. 그 다음 1.5G 하중 테스트를 위한 준비 및 예상 값과의 비교 분석하여 비행 중 주익이 구조적으로 문제가 없는지 알아내야한다. 주익은 기체 전체를 드는 힘인 양력을 만들어내기 위함이지만 그에 따라 항력도 많이 발생한다. 여러 가지 항력을 생각해야하는데 위에서 언급한 Induced Drag와 Skin Friction Drag를 줄이기 위해 노력했다. Induced Drag를 줄이기 위한 노력은 Aspect Ratio를 크게 해야 하고 날개에 비틀림 각을 줘야하며 고양력장치를 부착하여 최대한으로 줄어야만 한다. 우리는 고양력장치로 Winglet(윙렛)을 선택하여 부착하였다. 또한 Elliptic Wing에 가깝게 Taper Wing형대로 만들었다. 뿐만 아니라 Skin Friction Drag을 최대한 줄이기 위해 표면을 매끈하게 제작하려고 노력했다.



    조종계통 팀은 작년 제어계통 관련 지식이 풍부한 선배님이 있었으나 올 해 졸업을 하셔서 새로 공부해야만 했다. 팀원 한명이 제어계통 부분만 맡아 거의 독학을 하다시피 Arduino를 활용하여 항공기 제어를 할 수 있었다. 특히 방향타 조종을 연장선이 아닌 Wire로 하는 것으로 새롭게 고안되었다. 보통 다른 팀들은 서보가 꼬리날개에 위치하여 있는데 이런 경우 무게중심에 영향이 있을 뿐 아니라 연장선으로 인해 무게가 증가하게 된다. 우리는 이를 보완하기 위해 상대적으로 가벼운 스테인리스 와이어를 사용하여 조종석부터 꼬리날개까지 와이어를 이용하여 작동하도록 하였다.

    동체 팀은 복합소재를 최대한 이용하여 파트 연결부위 제작 가공하였고, 조종사의 움직임을 분석, 활용하여 효율적인 동력 전달장치를 제작하였다. 조종사의 신체치수를 파악하여 가장 적절한 조종석 장소에 정확하게 만들어야만 했다.

    이렇게 5가지 분야로 나누어 적극적으로 진행하였다. 각 부분에 문제가 생기면 언제든지 즉각 대응할 수 있도록 경기 준비를 하였다.

    우리는 2014년 1월 겨울방학에 설계를 시작하여 학기가 시작되는 3월부터 작업에 들어갔다. 다들 학업과 작업을 같이하기에는 시간이 매우 부족하고, 주로 방학 때 작업을 많이 했다.

    비행기 제작은 가장 먼저 수직미익과 수평미익작업으로 시작된다. 이 작업은 새로 들어온 학생들이 함께 작업을 하였다. 미익에 들어가는 Rib는 작년에 쓰고 남은 한국항공우주연구원에서 제공하는 PVC Foam을 사용했다. Rib는 CAD로 도면 작업을 한 후 레이저 커팅 기계로 도면과 똑같이 가공하였고 그 뒤에 Carbon Pipe에 수평으로 끼워 맞춘 후 발사나무를 사용하여 Stringer를 제작, 부착했다. 또한 고밀도발포스티로폼을 이용하여 앞전과 뒷전 모양에 맞게끔 열선커팅 기계로 가공하였다. 작년에 쓰다 남은 Mylar를 이용하여 미익 표면을 감싸는 Skin도 제작했다. 가장 단순하고도 쉬운 작업이었지만 항공기 제작의 기초를 배울 수 있기 에 신입생들은 꼭 이 작업에 참여하도록 배치한다.

    다음 작업으로 주익 제작용 지그, 운송용 지그, 동체 제작용 지그와 야외 활주로에서 대기 할 때 필요한 간이 지그를 만들어야 한다. 운송용 지그를 따로 만드는 이유는 Taxing연습 시 대운동장까지 지그를 가지고 가야하는데, 직접 들고 가는 것은 불가능하기 때문이다. 그래서 바닥에 캐스터를 달아 운송용으로 만들어야만 한다.

    주익작업은 주익 Spar인 Carbon Pipe는 대회 스폰서인 넥스컴즈에서 제공해주는데 올 해는 7월에 받아서 그때부터 작업을 시작했다. 제작된 주익 제작용 지그에 올려 레이저 커팅 기계로 Rib를 가공한 뒤 미익과 같이 Carbon Pipe에 끼운다. 그 다음 중요한 것은 정렬을 위해 앞전 Stringer장착 부분에 레이저를 쏘아 일자가 되도록 한다. 비틀림 각이 들어가 있는 airfoil또한 Stringer도 각도가 들어있기에 상관이 없다. 정렬된 Rib를 고정한 후 Rear Spar를 Main Spar와 적층하고 날개 비틀림 방지를 위한 Wire 작업을 한다. 그 후 1.5G 하중테스트를 하게 된다.

    1.5G 하중테스트는 비행기가 비행 시 날개가 Deflection 걸리게 되는데 이때 파손이 안 되는지 확인하기 위한 테스트이다. 각 면적에 맞게 양력을 계산하여 그에 맞게 무게를 걸면 된다. 보통 물통으로 무게를 거는데 이 방법이 좋은 이유는 1g까지 쉽게 조절이 가능한 것이다.    대부분 많은 팀들이 위와 같은 방법을 사용한다. 이 테스트를 통과하게 되면 Rib와 Rib사이 Stringer를 부착하게 되고 앞전 Skin Guard로 1mm 우드락을 사용한다. 또한 미익과 같이 뒷전을 고밀도발포스티로폼을 사용하여 모양을 잡아준다. 마지막으로 Mylar를 이용하여 표면역할을 하는 Skin을 제작, 대회 전날 히팅 건을 이용하여 팽팽하게 만들어주면 주익이 완성된다.

    프로펠러는 선풍기 날개와 같이 바람을 밀어내야 하므로 매끈하고 가벼워야만 한다. 그러므로 품질이 좋아야하고 시간이 많이 걸리는 작업이다. 처음 프로펠러용 지그를 3mm 우드락으로 만든 다음 낚싯대를 Spar로 활용하여 Rib를 연결했다. 우리는 여기서 프로펠러용 Rib는 PVC Foam이 아닌 발사나무를 사용하였다. 그리고 그 사이에 고밀도발포스티로폼을 사용하여 채운 뒤 Carbon Fabric과 Epoxy를 사용하여 표면에 적층했다.

     그리고 진공 팩을 이용하여 표면에 Carbon Fabric이 잘 달라붙게 만들었다. 여기서 매우 중요한 점은 섬유가 절대로 접혀있으면 안 되는 것이다. 만약 섬유가 잡혀있다면 표면이 매끄럽지 않게 될 뿐만 아니라 구조도 약해지기 때문에 쓸 수 없다. 그러기에 적층을 완료한 다음 표면을 매끄럽게 만들기 위해 사포작업도 해야만 한다. 더 단단하게 만들기 위해 표면에 Epoxy 작업을 다음으로 한다. 이렇게 여러 번 거치면 매끄러운 표면을 만들어 낼 수 있고, 도색을 하면 최종 완성이 된다.


    1.5G 테스트를 통과한 후. 마지막 Taxing연습만 통과를 하면 대회 날 비행참가자격이 주어지게 된다. 우리는 Taxing 사진을 보내어 최종자격이 주어졌고, 9월 22일에 고흥에 도착하여 짐을 정리하고 기체 점검을 하였다.

    월요일 저녁에 도착을 하였기에 활주로에서 연습을 하지 못하고 체력을 보충하였다. 화요일 아침 일찍 일어나 기상상태가 좋은 6시에 Taxing연습을 하였다. Taxing 연습을 계속 하는 이유는 양쪽 날개에 연결된 노끈을 이용하여 좌우대칭을 맞추는데 만약 항공기가 이륙한 상태에서 잡아당기면 Spar에 집중하중을 주게 되어 파손이 일어날 수도 있으며 Spin이 걸려 활주로 옆에 쳐 박힐 수 있기에 매우 위험한 상태가 된다. 그래서 Taxing연습을 계속하여 양쪽 윙맨이 적응할 수 있도록 해야만 한다. 연습으로 화요일을 보내고 대회 전날인 수요일은 태풍으로 인해 비가 하루 종일 내려 연습을 하지 못했다. 이 날이 가장 아쉬웠다. 비가 내려 작업의욕도 없었고 기체 점검을 했어야만 하는데 숙소에서 대기하는 시간이 많아 1차 시도와 4차 시도를 아쉽게 소비해버렸다.

    기록측정용 대회인 목요일 아침 1차시도가 있었다. 원래 순서로는 5번째였으나 앞 팀들이 포기를 하면서 항공우주연구원 시범비행을 제외하고 첫 번째 비행이 되었다. 시간이 너무 부족하였다. 1차 시도의 결과는 실패였다. 30m를 날았는데 수평미익의 Trim상태가 반대로 되어있어 그만큼밖에 날지 못했다.
    항공기는 수평미익이 아랫방향으로 힘을 만들어 기수가 상승하게 만들어주는데 1차시도 때에는 그것이 반대로 되어있었던 것이다. 너무나 허무하게 끝나버렸다. 오후시간보다 오전시간이 기상상황이 대체로 좋았기에 완벽한 시간을 놓쳐 버렸다. 1차 시도가 실패하자 온갖 걱정들을 많이 했고 2차 시도를 위해 마음을 다잡았다.

    오후 경기, 2차 시도는 기체가 완벽했다. 사실 바람이 강해서 비행하기가 힘들었지만 우리는 끝까지 포기하지 않고 기다렸고, 비행을 시도한 결과 252m라는 기록을 세우면서 1등을 하였다. 그리고 본 대회인 금요일에는 최적의 환경 조건으로 2번째 순서로 비행을 하였다. 대회의 목표인 400m를 55초에 완주했다. 결과를 보니 우리 팀이 대회가 개최한 지 3년 만에 400m를 단독으로 완주하는 팀이 되었다. 대회의 최고의 상인 산업통상자원부장관상을 받으며 대회를 마무리 지었다.


    ‘우리가 과연 1등을 할 수 있을까’라는 생각을 하지 못했다. 모두들 작업에 몰두하여 노력했었고 많은 관심을 받았으며 계속된 지원 아래 열심히 하였기에 1등을 할 수 있었던 것 같다. 본선 대회 당일 큰 비행기가 내 눈앞에서 이륙하여 비행 하는 모습을 보며 가슴속에서부터 전율이 느껴졌다. 사람들의 환호를 받으며 팀원들과 함께 뛰었다. 우리는 대회 준비로 하나가 되었고, 힘들 때도 기쁠 때도 하나가 되었다.

    대회를 준비하면서 우리 팀에게 관심을 가져주신 항공우주연구원박사님들, 동아리를 지원해주신 울산대 항공우주공학전공 교수님들, 바쁜데도 불구하고 끊임없는 조언을 해주신 졸업한 선배님들, 마지막으로 언제나 함께였었던 우리 팀원((07학번 서진원),(08학번 오도성, 이동기),(09학번 최성욱, 도용운),(10학번 남원두, 조규빈),(14학번 김성연, 김지준, 박정빈, 박명훈, 양재혁), 그리고 마지막 대학원생이신 12학번 김명재))들에게 너무나 고맙다.


     

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    전체댓글16

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    |2015.12.14
    재밌어보이네요.. 여담이지만 물통 달아서 하중 테스트하는 사진 보고 물로켓 만들던 추억이 갑자기 생각납니다..
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    |2015.12.07
    정말 신기합니다. 항공학과인데도 이런게 있었다니 몰랐네요
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    |2015.12.07
    기계, 건설분야 NCS기반 훈련과정개발을 담당하고 있는 컨설턴트입니다. 공기의 흐름을 잘 검토하셔서 멋있는 비행기 개발 부탁드립니다. .좋은 글 감사드립니다.
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    |2015.12.04
    좋은 내용입니다. 잘 보고 갑니다.
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    |2015.12.04
    멋있네요.
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    |2015.12.04
    이런 대회가 있었다는걸 이제야 알았네요. ㅋㅋ 제가 학생때 알았다면 저도 한번 도전해보고 싶었을 것 같네요
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    |2015.01.15
    이런 대회가 앞으로도 자주 있어야 해야할것같네요
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    |2014.10.27
    정말 신기합니다. 항공학과인데도 이런게 있었다니 몰랐네요
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    |2014.10.24
    실전을 할수 있는 경기인듯. 다음번에 참가해봐야겠네요.
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    |2014.10.24
    이러한 경험들을 통하여 줗은 인생의 열매가 맺어질 것 같습니다.
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    |2014.10.24
    읽어보니 매우 신기하네요. 다음에도 하나????
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    |2014.10.23
    좋은 경험 하였네요 1등 축하합니다
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    |2014.10.23
    멋있네요~!!
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    |2014.10.23
    완전 라이트 형제다. ㅋㅋㅋㅋ
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    |2014.10.22
    이거 잘못하다가 다치겠는데요. 쿠션이 있는가...??
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    |2014.10.22
    멋지네요.
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