KR101866379B1 - 차량 제동 베드 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가용 활주로에 정지할 수 없는 차량, 특히 여객기를 감속시키기 위한 제동 베드에 관한 것으로서, 제동 시스템은 0.25㎝ 내지 15㎝ 범위의 입도 및 약 70 내지 98%의 공칭 공극률을 가진 발포 유리 응집체(1)로 채워진 베드를 포함하는 차량 제동 영역(A), 및 상기 발포 유리 응집체로 이루어진 베드의 상부면을 덮는 상부 커버(4)를 포함한다.

Description

차량 제동 베드{VEHICLE ARRESTING BED}

본 발명은 가용 활주로에 정지할 수 없는 항공기와 같은 차량을 감속시키기 위한 제동 베드(arresting bed)에 관한 것이다.

배경

항공 산업에서의 한가지 안전상의 문제점은 항공기가 이륙 또는 착륙 중에 때때로 가용 활주로를 지나쳐서(오버런) 활주로 뒤쪽 지역에서 정지한다는 점이다. 이러한 사고의 몇 가지 예로서는, 기체의 손상 및 탑승자의 사망/심각한 상해에 관하여 비참한 결과로 되는 예가 있다.

이륙의 중단을 필요하게 만드는 항공기의 기계 고장의 뒤늦은 발견, 항공기 파손 고장, 예기치 못한 기상 이변, 조종사의 실수 등과 같은 것이 상기 사고의 가능한 범위의 원인으로 인식된다. 오버런 이면의 매우 다양한 원인은 항공 산업에서의 이러한 상황들을 완전히 회피하는 조치를 도입할 가능성을 희박하게 만든다.

따라서, 오버런 상황의 심각한 결과를 완화 및 회피하기 위해, 활주로를 지나치는 항공기를 안전한 방식으로 잡아세우거나 및/또는 감속시키는 수단을 활주로에 제공할 필요가 있다. 활주로 뒤쪽에 많은 가용 공간이 있는 이착륙장에 대해서는, 한가지 확실한 해답은 간단히 활주로를 연장시켜서 브레이크를 사용하거나 또는 엔진 동력을 역전시키는 것에 의해 항공기를 넓은 공간에 정지시키는 것이다.

그러나, 다수의 이착륙장은 활주로를 충분히 연장할 만큼의 가용 공간을 갖고 있지 않으며, 항공기 브레이킹 시스템의 오작동에 의해 오버런이 야기되는 이변도 존재한다. 그러므로, 활주로의 끝을 지나치는 항공기에 외적인 감속력을 발휘하는 한편, 항공기의 기계 구조물, 특히 랜딩 기어, 및 항공기 탑승객이 견딜 만한 감속률로 항공기를 정지시키도록 힘을 가할 수 있는 하나 이상의 수단을 가진 이착륙장을 제공하는 것이 유리하다.

종래기술

항공기(또는 다른 차륜 차량)를 정지시키기 위한 한가지 공지된 해법은 어레스터 구역(제동 구역)을 제공하는 것이다. 어레스터 구역은 차량의 휠들을 지탱할 수 있는 경질 재료의 상부에 상대적으로 연질인 재료로 이루어진 얕은 베드로 구성되는 구역이다. 차량이 상기 어레스터 구역에 진입할 때, 그 휠들은 상기 연질 재료 내로 약간 가라앉아 항력의 상당한 증가를 얻는다. 따라서, 상기 어레스터 구역의 연질층은 차량의 운동 에너지를 흡수하여 안전하게 정지시킨다. 어레스터 구역은 항상 사용 준비가 되도록 사실상 수동적이며 가동부가 없다는 점 때문에 이착륙장에서 사용하기에 매력적이다.

어레스터 구역의 일례는 US 3,066,896에 개시되며, 동 공보에서 상기 어레스터는 활주로의 끝에 위치된 약 300m 길이의 액체로 채워진 얕은 웅덩이로 구성되며, 강하지만 유연한 상부 커버로 덮인다. 상기 상부 커버를 가진 상기 액체로 채워진 웅덩이는 활주로의 끝에서, 상부 커버 위를 구동하는 항공기의 휠들에 의해 압하(눌리게)되는 유연 구역을 형성하게 된다. 상기 휠들이 상부 커버 위를 구름에 따라 아래에 놓인 액체를 밀어낼 필요성으로 인해, 상기 압하된 구역은 상기 휠들의 구름 저항의 상당한 증가를 생성함에 따라 항공기에 감속력을 유발하는 제동 구역으로서 기능한다.

US 3,967,704는 차량 트랙에 인접한 어레스터 베드로서 파쇄 가능한 재료의 사용을 개시한다. 그 트랙으로부터 벗어나는 차량은 이 파쇄 가능한 재료로 이루어진 층을 가진 구역에 진입하고, 상기 차량의 휠들은 상기 파쇄 가능한 재료를 파고들어가서(침투하여) 차량을 감속시키는 상당한 구름 저항을 유발한다. 상기 파쇄 가능한 재료는 항공기의 감속을 0.7-0.9g 정도로 제공하도록 계산되는 약 100 내지 350㎪(15 내지 50psi) 범위의 압축 강도를 가진 경화 발포체이다. 적절한 경화형 발포체로서 요소/포름알데히드 수지가 언급되어 있다.

US 5,193,764는 패널을 형성하도록 연결된 단단하고 잘 부서지는 내화성의 발포 보드로 제조된 어레스터 베드를 개시한다. 상기 발포 보드는 페놀 발포체로 제조되고, 2.5 내지 15.2㎝ 범위의 두께 및 137 내지 552㎪(20 내지 80psi) 범위의 압축 강도를 가지는 것이 바람직하다.

미국 연방 항공국은 다양한 재료를 사용하여 항공기용 어레스터 구역을 형성하는 것에 대하여 연구해오고 있다. 로버트 쿡(Robert Cook) 등에 의한 연구에서는, 즉 "연질 지면 항공기 어레스터 시스템: 최종 보고서(Soft Ground Aircraft Arrestor Systems: Final Report)", 워싱턴 디씨, 연방 항공국, 1987, FAA/PM-87-27(Washington DC, Federal Aviation Administration, 1987, FAA/PM-87-27), 및 "항공기 안전 오버런 영역을 위한 발포 어레스터 베드의 평가(Evaluation of a Foam Arrestor Bed for Aircraft Safety Overrun Areas)", 데이튼, 데이튼 대학 연구소, 1988, UDR-TR-88-07(Dayton: University of Dayton Research Institute, 1988, UDR-TR-88-07)에서는, 기후 조건의 변화에 따라 신뢰도 있고 일관된 기계 거동을 가진 연질 재료를 구비해야 할 필요성이 논의되어 있다. 점토 또는 모래와 같은 연질 재료의 기계 거동은 수분 함량에 의존하고, 즉 건조된 점토는 경질이어서 항력 효과를 거의 제공하지 못하는 반면, 젖은 점토는 연질이어서 휠들이 아래로 가라앉아 랜딩 기어를 접는 항력을 얻을 수 있다. 얕은 물 웅덩이는 90㎞/h(50노트) 이하의 속도에서는 항공기용 어레스터 베드로서 충분히 기능하는 것으로 발견되었지만, 새들을 끌어들이는 한편, 추운 기후에서는 결빙의 문제도 가지게 된다. 어레스터 베드의 다른 가능한 문제점은, 항공기가 어레스터 베드를 고속으로 통과할 때, 항공기의 휠들이 항공기 엔진에 의해 빨아들여질 수 있는 급작스러운 분진 물질을 생성할 수 있다는 점이다. 쿡 등의 보고서에 의하면, 다양한 발포 어레스터 재료의 적합성이 연구되었으며, 이와 관련하여 시멘트질의 발포체가 폴리머 발포체에 비해 유리하다는 점이 발견되었다.

화이트(White) 및 아그라월(Agrawal)에 의해 이루어진 추가 연구, 즉 "항공기용 연질 지면 제동 시스템: 최종 보고서(Soft Ground Arresting Systems for Airports: Final Report)", 워싱턴 디씨, 연방 항공국, 1993, CT-93-80(Washington DC, Federal Aviation Administration, 1993, CT-93-80)에 의하면, 페놀 발포체 및 기포성 시멘트 등의 파쇄 가능한 재료는 랜딩 기어에 가해진 예측 가능한 항력 및 보드 온도 범위에 걸친 일정한 기계적 성질을 제공함에 있어서 장점을 갖는다는 것이 발견되었다. 기포성 시멘트는 그 파쇄 이후의 0(zero)에 가까운 반동 및 화학적으로 불활성인 조성으로 인해 선택 재료가 되었다.

US 6,726,400은 제 1 및 제 2 가로 열의 압축 가능한 기포성 콘크리트의 블럭들을 포함하여 길이, 폭, 및 두께를 갖는 기포성 콘크리트로 이루어진 어레스터 베드를 개시하고, 각각의 블력은 블럭 두께의 적어도 10 내지 60%의 침투 깊이에 걸친, 깊이에 대한 압축 강도의 선택된 구배를 나타내는 압축 구배 강도(CGS; compressive gradient strength) 특성을 갖고, 상기 압축 구배 강도 특성은 상기 베드에 진입하는 차량의 점진적인 감속을 제공하도록 선택되었다. 상기 콘크리트 블럭들은 192 내지 352㎏/m 범위의 건조 밀도(dry density)를 가지는 것으로 기술된다. 상기 각각의 블럭의 상기 침투 깊이에 대하여 평균할 때, 상기 제 1 열의 블럭들은 명목상 482,6㎫(70psi)과 동일한 60/80 CGS 특성을 가져야 하고, 상기 제 2 열의 블럭들은 명목상 620,5㎫(90psi)과 동일한 80/100 CGS 특성을 가져야 한다.

스텔리(Stehly)에 의한 연구, 즉 "콘크리트 시험 보고서, 프로젝트: 미네아폴리스 세인트폴 공항의 공학 재료 제동 시스템(Report of Concrete Testing, Project: Engineered Material Arresting System Minneapolis/St. Paul Airport)", 아메리칸 엔지니어링 테스팅 인크., 2007, 05-03306(American Engineering Testing Inc, 2007, 05-03306)에 의하면, 1999년에 설치된 이후 콘크리트 기반 어레스터의 성능이 열화되었음이 발견되었다.

본 발명의 주된 목적은 차량을 안전하게 감속할 수 있는 어레스터 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 어레스터 시스템에 우수한 다중 항공기 성능을 제공하는 것이다.

본 발명은, 거칠게 깨진 유리제 발포 응집체가 차량을 제동하기 위한 어레스터 베드를 낮은 투자비 및 낮은 유지보수비로 형성하는데 사용될 수 있다는 인식, 및 발포 유리 응집체가 압축률이 증가된 에너지 흡수의 기하급수적인 증가를 나타낸다는 발견에 기초한다. 후자의 발견은, 휠 침투 깊이가 증가된 에너지 흡수의 기하급수적인 증가가 발포 유리 응집체를 무게 변화가 매우 큰 차량에 사용하도록 의도된 다목적 어레스터 베드로서 사용하기에 매우 적합하게 만들도록, 어레스터 베드 내의 재료의 압축률이, 제동되는 차량의 휠들의 침투 깊이의 함수라는 점에서 장점을 제공한다.

본원에서 사용된 "유리(glass)"라는 용어는 통상 소다-석회 유리 또는 소다-유리라는 명칭의 비정질 강체를 의미하지만, 붕규산 유리와 같은 다른 타입의 유리를 포함할 수도 있다. 소다-석회 유리는 통상, 탄산나트륨(소다), 석회석, 돌로마이트, 이산화규소, 산화알루미늄, 및 소량의 첨가제 중 하나 이상을 포함하는 원료를 용융하여 제조된다. 붕규산 유리는 산화붕소, 이산화규소, 및 소량의 첨가제를 용융하여 제조된다. 본원에서 사용된 "발포 유리 응집체(foamed glass aggregate)"라는 용어는, 용융, 탄산가스 첨가, 응고되고 나서, 0.25㎝ 내지 15㎝(~ 0.1 내지 5.9인치) 범위의 사이즈를 가진 입자로 파쇄된 유리를 의미한다. 탄산가스 첨가 유리는 약 70 내지 98%의 공칭 공극률을 가질 수 있다.

따라서, 제 1 양태에 있어서, 본 발명은 차량 제동 시스템에 관한 것으로서, 상기 시스템은:

- 0.25㎝ 내지 15㎝ 범위의 입도 및 약 70 내지 98%의 공칭 공극률을 갖는 발포 유리 응집체로 채워진 베드를 포함하는 차량 제동 영역, 및

- 상기 발포 유리 응집체로 이루어진 베드의 상부면을 덮는 상부 커버를 포함한다.

제 2 양태에 있어서, 본 발명은 차량 제동 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은,

- 상기 차량을 제동할 장소의 지면에 베드를 형성하는 단계,

- 상기 베드를, 0.25㎝ 내지 15㎝ 범위의 입도 및 약 70 내지 98%의 공칭 공극률을 가진 발포 유리 응집체로 채우는 단계, 및

- 상기 베드의 상부면을 상부 커버로 덮는 단계를 포함한다.

제 3 양태에 있어서, 본 발명은 발포 유리 응집체를 차량 제동 시스템에 사용하는 방법에 관한 것이다.

제 4 양태에 있어서, 본 발명은 0.25㎝ 내지 15㎝ 범위의 입도 및 약 70 내지 98%의 공칭 공극률을 가진 발포 유리 응집체를 차량 제동 시스템에 사용하는 방법에 관한 것이다.

본원에서 사용된 "차량(vehicle)"이라는 용어는 휠들 및/또는 벨트들의 사용에 의해 지상에서 이동하는 임의의 자동 기계 구조체를 의미한다. 또한, 상기 용어는 지상/공항에서 이동하는 항공기도 포함한다. 또한, 상기 용어는 자전거와 같은 비-자동 차량을 포함할 수도 있다.

본원에서 사용된 "상부 커버(top cover)"라는 용어는, 응집체 덩어리가 오염되거나 대기중 미세먼지로 채워지거나, 식물이 성장하거나, 또는 상기 발포 유리 응집체 덩어리의 성능을 간섭하는 다른 환경적인 영향을 방지하게 되는 상기 응집체 덩어리의 임의의 커버를 의미한다. 상기 상부 커버는 대부분의 응집체 덩어리를 깨끗하게 유지할 만큼 기계적으로 충분히 강해야 하지만, 제동될 차량의 휠들이 커버를 파고들어 상기 응집체 덩어리에 진입하는 것을 방지할 만큼 강하지는 않다. 적합한 상부 커버의 예는 폴리머 방수포, 플라스틱 포일, 인조 잔디 등이다. 그러나, 상기 응집체 덩어리를 보호할 수 있지만 차량의 휠들을 지탱할 수는 없는 임의의 커버가 채용될 수 있다. 상기 상부 커버는 재료에 미적인 매력을 주거나 또는 환경과 조화하여 나타나는 장식 기능이 주어지는 것이 유리할 수 있다. 잔디밭의 외관과 흡사한 인조 잔디가 미적인 상부 커버의 일례일 수 있다.

본원에서 사용된 "공칭 공극률(nominal void fraction)"이라는 용어는 응집체 조각들 사이의 공극들 및 발포 유리의 미세-구조의 기공들에 기인하는 공극률을 포함하고, 그에 따라 전체 공칭 공극률은 이들 2가지 분율을 함께 취한 정미 효과로서 이해되어야 한다. 따라서, 상기 공칭 공극률은 상기 발포 유리 응집체의 전체 밀도에 대응한다. 즉, 영(zero)의 공칭 공극률에서 약 2,500㎏/㎥의 밀도를 갖는 규산염 유리를 채용할 경우에, 98%의 공칭 공극률은 1㎥의 발포 유리 응집체가 약 50㎏의 무게로 된다는 것을 의미하며, 70%의 공칭 공극률은 ㎥당 약 750㎏의 무게에 대응한다.

본원에서 사용된 "베드(bed)"라는 용어는 지면에 형성된 임의의 형태의 함몰부/캐비티를 포함하는 포괄적인 용어로서 이해되어야 한다. 상기 함몰부/캐비티는 대량/토공사 용적을 제거하여 간단히 형성될 수 있으며, 이후 상기 함몰부/캐비티에 발포 유리 응집체를 채워서, 베드의 상부 표면이 주위의 지면의 표면과 정렬되는 응집체 베드를 형성한다. 선택적으로, 상기 발포 유리 응집체로 이루어진 베드는 범(berms)을 사용하여, 또는 보다 강한 기계 저항이 필요한 경우에는, 상기 베드의 주변부 둘레에 다른 형태의 기계 구조물, 즉 벽을 사용하여, 제위치에 유지될 수 있다. 상기 베드는 함몰부/캐비티를 형성하지 않은 채 또는 선택적으로 좁은 함몰부/캐비티를 형성하여 지면상에 놓일 수도 있으며, 이 경우에 상기 발포 유리 응집체로 이루어진 베드는 지표면보다 위로 일정한 거리로 돌출하게 된다. 이러한 경우에, 상기 응집체 덩어리는 상기 베드의 주변부를 따라 범 또는 다른 형태의 기계 구조물을 사용하여 내포될 필요가 있다. 상기 범/기계 구조물이 지면보다 위로 일정한 거리로 돌출하면, 상기 후자의 실시예는 차량을 상기 응집체 베드에 진입시켜서 매끄러운 방식으로 상기 베드 내에 이르게 하는 수단, 즉 경사로 등의 수단을 필요로 할 수 있다. 상기 베드의 바닥은 상기 함몰부/캐비티 내의 플로어에 의해 제공되어, 필요할 때 상기 베드의 바닥을 기계적으로 강화할 수 있다.

상기 어레스터 베드의 크기 및 위치는 의도한 용도, 즉 발포 유리 응집체 재료상의 차량의 질량, 그 속도 및 차량 휠들의 압축력에 의존한다. 상기 응집체 재료는, 상기 휠들이 상기 어레스터를 지날 때, 상기 응집체 재료 내로 일정 거리 가라앉아서 상기 응집체 덩어리에 트랙/홈/바퀴자국을 만들도록 상기 휠들에 의해 유발된 압축력에 저항할 수 없음으로써 상기 차량의 휠들에 항력을 유발한다. 따라서, 상기 어레스터의 기능성은, 상기 발포 유리의 공칭 공극률, 상기 어레스터 구역의 길이, 및 발포 유리 응집체로 채워진 상기 베드의 깊이의 함수인 상기 발포 유리 응집체의 압축 강도에 의존한다.

원칙적으로, 본 발명은 임의의 공지된 공칭 공극률을 가진 발포 유리에 의해 기능을 다할 수 있지만, 실제로는 제동될 차량의 휠들에 의해 유발된 지면 압력에 의해 결정된 한계가 존재하게 된다. 상기 휠들은 유효한 항력을 수용하기 위해 상기 응집체 덩어리 내로 일정 거리 가라앉을 수 있어야 한다. 반대로, 상기 휠들은 너무 깊게 파고들어가지 않아야 하는데, 그 이유는 너무 큰 항력 및 감속률로 되면 차량이나 탑승객에게 해를 끼칠 수 있기 때문이다. 따라서, 실제로는 상기 응집체에 채용된 발포 유리의 공칭 공극률은 70%의 공칭 공극률을 가진 상대적으로 낮은 탄산가스 첨가에서부터 98%의 공칭 공극률을 가진 높게 탄산가스 첨가된 유리에 이르기까지 변경할 수 있다고 생각된다. 이들 두 값 사이에서 임의의 공칭 공극률이 채용될 수 있으며, 이들 한계 내의 상이한 공칭 공극률을 가진 발포 유리 응집체들의 임의의 혼합물이 채용될 수도 있다. 이 범위 외의 공칭 공극률을 가진 발포 유리를 채용하는 것이 상정될 수도 있다.

매튜 바소티(Matthew Barsotti) 등에 의해 수행된 항공기를 제동하도록 의도된 어레스터 시스템에서 사용하기 위한 발포 유리 응집체의 연구(참고문헌 [1])는, 93.8%의 공칭 공극률에 대응하는 154㎏/㎥의 밀도를 가지며, 0.4-6.3㎝(0.2-2.4인치) 범위의 응집체 등급, 즉 입도를 가지고, 또한 상기 응집체의 평균 입도가 4.8㎝(1.9인치)인 발포 유리 응집체가 다목적 항공기 제동 시스템에 사용하기에 적합하다는 것을 발견했다. 상기 응집체의 입도 분포는, 4 내지 8㎜의 사이즈를 가진 입자 0.88중량%, 8 내지 12.5㎜의 사이즈를 가진 입자 0.29중량%, 12.5 내지 14㎜의 사이즈를 가진 입자 1.03중량%, 14 내지 16㎜의 사이즈를 가진 입자 1.91중량%, 16 내지 20㎜의 사이즈를 가진 입자 4.21중량%, 20 내지 31.5㎜의 사이즈를 가진 입자 33.45중량%, 31.5 내지 40㎜의 사이즈를 가진 입자 35.30중량%, 40 내지 50㎜의 사이즈를 가진 입자 15.13중량%, 50 내지 63㎜의 사이즈를 가진 입자 5.74중량%, 및 63㎜ 이상의 사이즈를 가진 입자 0.31중량%이다. 이러한 시험은 정원 50명의 Bombardier(봄바디어) CRJ-100/200에서부터 정원 500명의 Boeing(보잉) B747-400에 이르는 항공기를 제동할 수 있는 최적의 다목적 항공기 어레스터를 규정할 목적으로 수행되었다.

본원에서 사용된 0.4-6.3㎝의 등급은 입자를 분류하는데 사용되는 체(grate)의 메시 사이즈에 관련되며, 여기서 0.4-6.3㎝의 등급은 0.4㎝의 메시 사이즈를 가진 체를 통과하지 않을 만큼 크되 6.3㎝의 메시 사이즈를 가진 체를 통과할 만큼 작은 사이즈를 가진 발포 유리의 입자를 의미한다.

바소티 등에 의해 수행된 시험은 또한, 상기 발포 유리 응집체 재료의 기계 에너지의 흡수가 압축 변형률에 따라 기하급수적으로 증가한다는 점에서 상기 발포 유리 응집체가 유리한 성질을 가진다는 것을 나타낸다. 상기 응집체의 각각의 발포 유리 조각이 파쇄 가능한 유리로 구성되고, 상술한 US 6,726,400에 개시된 바와 같은 발포 블럭 타입의 현재의 차량 어레스터에 채용된 종래의 파쇄 가능한 재료와 기계적으로 유사한 성질을 나타낼 것으로 예상되기 때문에, 상기 발견은 의외의 것이었다. 이론에 구속됨이 없이, 느슨하게 끼워져 있는 상기 응집체의 조각들이 전단력에 노출될 때 다소 자유롭게 유동하게 되기 때문에 상기 발포 유리 응집체 역시 연속체의 기계적 성질을 나타낸다고 생각된다. 상기 응집 발포체의 압축 프로세스는 미세-구조의 발포 공극뿐만 아니라 응집체 조각들 사이의 틈새 공극도 압축하는 단계로 구성된다. 이 듀얼-모드 압축이, 왜 상기 발포 유리 응집체가 증가된 압축 변형률로 기계 에너지의 흡수에 있어서의 기하급수적인 증가를 가지는 것으로 발견되는지의 이유가 될 수 있다. 이 거동은 상기 발포 유리 응집체의 두 등급에 대하여 수행된 압축 시험의 하중 이력을 그래프로 나타내는 도 1로부터 확인된다.

상기 시험은 하나의 등급의 발포 유리 응집체를 내경이 31.433㎝(12.375인치)로 한정된 실린더에 채우고, 상기 실린더 내에 직경이 30.48㎝(12.00인치)인 플래튼을 7.62㎝/min(3인치/분)의 일정한 속도로 가압함으로써 수행되었다. 상기 플래튼은 연속체 재료 거동을 보장하도록 상기 응집체 입자의 특징적인 사이즈의 적어도 6배인 직경을 갖는다. 상기 재료는 패킹 없이 상기 실린더 내에 느슨하게 배치되었다.

도 1의 그래프에 도시된 바와 같이, 상기 재료를 압축하는데 필요한 유발된 응력과, 그에 따라 상기 재료에 의해 흡수된 에너지는 상기 재료의 압축도에 있어서의 선형 증가로 기하급수적으로 증가하는 것이 확인된다. 또한, 각 시험마다 상기 응집체 조각들의 무차별성에도 불구하고 복제 시험의 하중 데이터는 눈에 띄게 일관되었다는 것이 상기 시험을 통해 확인되었다. 그러나, 상기 응집체의 등급 사이즈가 상기 하중 및 에너지 흡수에 실질적인 영향을 미친다는 것도 확인되었다. 따라서, 어레스터 베드에 사용하기 위해 상기 발포 유리 응집체의 등급을 주의 깊게 선택하는 것이 필요하다. 이러한 시험으로부터 주목할 만한 다른 중요한 점은, 보다 큰 표면적이 상기 응집체 재료와 접촉하기 때문일 뿐만 아니라, 상기 재료가 압축이 증가함에 따라 지속적으로 단단해지기 때문에, 보다 깊은 휠 침투가 수직 하중의 증가를 초래하는 곳에서는 상기 발포 유리 응집체 재료가 깊이-가변 압축성 재료로서 기능하게 된다는 점이다. 다목적 어레스터 시스템에 적합한 상기 발포 유리 응집체를, Bombardier CRJ-100과 같은 최대 이륙 하중이 약 24미터톤(metric ton)인 50명 정원의 제트 항공기와 같은 소형 항공기에서부터 Airbus(에어버스) A380과 같은 약 590미터톤의 500명 정원의 항공기에 이르는 광범위하게 상이한 사이즈의 항공기를 취급할 수 있게 만드는 것이 이 성질이다.

상기 발포 유리 응집체 제동 시스템의 다른 용도는 공용 도로상을 주행하는 승용차 및/또는 버스/트럭의 안전지대로서의 용도이다. 상기 제동 시스템은 도로를 벗어나서 통제 불가능하게 주행하는 차량을 제동하기 위해 급커브 도로, 내리막 경사 도로 등에 인접하여 배치될 수 있다. 유사한 용도는 자전거 전용 도로를 주행할 때 통제력을 잃은 자전거를 제동하는 것으로 될 수도 있다. 적당한 제동 효과를 가진 인접 제동 구역은 자전거 운전자가 통제력을 되찾는데 필요한 필수적인 브레이킹을 보조할 수 있다. 상기 제동 시스템의 추가의 용도는 차륜 차량의 공격을 방지하는 물리적 구속물로서의 용도이다. 차량에서 수행된 공격에 대한 보호를 필요로 하는 임의의 영역 또는 건물은 상기 영역/건물에 부딪히려는 임의의 차량이 제동되게 하는 어레스터 구역을 그 주위에 형성함으로써 보호될 수 있다. 제동 시스템의 이러한 용도는 폭발물을 실은 트럭/자동차 및 자살 운전자에 의해 공격받을 위험이 존재하는 나라의 UN 기지 등에 유리할 수 있다. 상기 제동 시스템은 상기 영역에의 차량 진입을 물리적으로 방지할 필요가 있는 군용 설비에 사용될 수도 있다. 이러한 용도들에 대하여, 높은 공칭 공극률 및 그에 따른 낮은 압축 강도를 가진 발포 유리 응집체를 채용하여, 상기 어레스터 영역에 진입하는 차량이 단단히 박히게 하는 것을 생각할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 기능성은 상기 발포 유리의 공칭 공극률 및 입자의 등급에 의존한다. 즉, 본 발명의 효과는 상기 발포 유리 응집체의 파쇄 강도가 상기 제동되는 차량의 휠들의 지면 압력에 대하여 조정될 때 얻어진다. 0.4 내지 6.3㎝의 등급, 4.8㎝의 평균 입도, 및 86%의 공칭 공극률을 가진 발포 유리 입자에 대하여 시험을 수행했고, 이 시험에 의거한 계산은 상기 제동 베드의 크기가 200m의 길이 및 90㎝의 깊이일 때 이 응집체가 항공기의 다목적 어레스터로서 사용하기에 적합하다는 것을 나타낸다. 다른 적용분야에 대해서는, 허용된 크기 및/또는 제동될 다른 차량에 관련된 상이한 제약조건을 고려하기 위해 다른 등급 및/또는 공칭 공극률을 채용하는 것이 필요할 수 있다. 이들 등급 및/또는 공칭 공극률은 통상의 시행착오 연구를 수행함으로써 당업자에 의해 발견될 수 있다.

상기 제동 시스템의 넓은 범위의 가능한 용도는 넓은 범위의 공칭 공극률 및 등급을 가진 발포 유리 응집체의 사용을 요구한다. 본 발명은 신규한 제동 재료의 일반적인 개발로서 이해되어야 한다. 그것은 이 발명의 본질인 매우 적은 환경적인 영향 및 저비용의 탄산가스 첨가 유리와 조합된 압축률에 의해 에너지 흡수의 기하급수적인 증가의 발견의 개발이다. 따라서, 본 발명은 차량용 어레스터로서의 이 재료의 임의의 가능한 용도를 포함한다. 실제로는, 상기 공칭 공극률은 대략 70 내지 98%로 되며, 상기 등급은 대략 0.25㎝ 내지 15㎝로 된다. 이 한도 내의 임의의 공칭 공극률 및 등급이 채용될 수 있다. 즉, 상기 발포 유리 응집체는 0.25, 0.30, 0.40, 0.50, 0.60, 0.70, 0.80, 0.90, 1.00, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 및 5.0㎝ 중 하나로 시작해서 5.5, 6.0, 6.5, 7.0, 8.5, 9.0, 9.5, 10, 11, 12, 13, 14, 및 15㎝ 중 하나로 끝나는 임의의 범위의 입도를 가진 등급을 가질 수 있다. 바람직한 범위는 0.25 내지 10㎝, 0.5 내지 8㎝, 0.7 내지 7㎝, 및 1 내지 6㎝의 등급이다.

상기 발포 유리 응집체는 공칭 공극률에서 차이가 나는 발포 유리 입자를 채용할 수도 있다. 즉, 상기 발포 유리 입자들의 하나의 공칭 공극률을 가진 응집체 덩어리들을 갖는 것 외에, 선택적으로, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 및 94% 중 하나로 시작해서 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 및 95% 중 하나로 끝나는 범위의 공칭 공극률의 혼합물을 가진 응집체 덩어리들을 채용하는 것을 생각할 수 있다. 바람직한 범위들은 80 내지 98%, 70 내지 95% 및 90 내지 94%의 공칭 공극률이다.

상기 입자들의 최외측의 개방된 기공들에 물만이 침투할 수 있도록, 상기 발포 유리 입자는 물의 흡착을 제한하는 밀폐-기포 미세 구조를 갖는다. 상기 발포 유리 응집체는 경량 매립 공법, 단열 및 도로 기저부 및 테라스의 결빙 방지 등의 토목 공학 분야에서 사용되었다. 이들 분야는 상기 발포 유리 응집체의 기계적 성질이 온도 및 습도의 주기적인 변동에 대하여 안정적임을 나타낸다. 그러나, 상기 발포 유리 입자가 담궈지는 고여 있는 물(standing water; 정수)은, 최외측의 개방된 물로 채워진 기공들이 상식(frost erosion)에 직면할 수 있기 때문에, 결빙 및 해빙 주기에 의해 기후상의 문제로 될 수 있다. 이는 시간이 지남에 따라 상기 응집체 재료의 등급의 저하를 초래할 수 있다. 상기 재료에 대하여 수행된 시험은, 완전히 물에 담근 상태에서 50회의 결빙-해빙 주기 이후에, 상기 재료가 에너지 흡수 성능에 있어서 47% 감소를 얻었다는 것을 발견했다.

그러므로, 응집체 덩어리 내에 물이 고이는 것을 방지하기 위해 상기 응집체 베드에 배수 수단을 설비하는 것이 유리할 수 있다. 상기 배수 수단은 베드를 배수할 수 있는 현재 공지되어 있는 또는 장래의 임의의 토목 공학 디자인으로 될 수 있다. 선택적으로, 상기 어레스터 베드 내의 상기 발포 유리 응집체 덩어리는 물 침투에 대한 밀봉부를 형성하기 위해 토목-플라스틱 및/또는 토목-섬유 재료에 의해 싸임으로써 방수로 제조될 수 있다. 이 기술은 매립 분야의 당업자에게는 잘 공지되어 있다.

상기 어레스터 웅덩이의 크기는 본 발명의 결정적인 특징이 아니며, 이용할 항공기 또는 다른 차량의 타입에 따라 상응하는 어레스터 웅덩이로 설계되게 된다. 상기 어레스터 웅덩이의 임의의 가능 사이즈 및 디자인은 본 발명의 범위 내이다. 실제로는, 상기 어레스터 웅덩이의 크기는 약 10㎝ 내지 200㎝ 범위의 깊이 및 1m 내지 400m의 길이를 가지게 된다. 상기 웅덩이의 디자인은 실제 적용에 적합한 임의의 기하학적 형태로 될 수 있다. 상기 웅덩이 디자인의 가능한 구성의 예는, 삼각형, 직사각형, 원형, 타원형, 다각형, 사다리꼴, 또는 이들의 임의의 조합을 포함하지만, 그것에 제한되는 것은 아니다.

상기 어레스터 베드는 주변 지역/지면에 인접한 주변부에 천이 구역을 갖추는 것이 유리할 수 있다. 상기 천이 구역의 기능성은, 에지에서 중심부쪽으로 주행할 때 상기 베드의 점진적인 깊이의 증가를 가짐으로써, 상기 어레스터에 진입할 때 제동되는 차량에 점진적인 항력의 증가를 제공하는 것이다. 상기 천이 구역은 상기 베드 내에 단차형 증가부를 가지거나 또는 상기 베드의 경사진 벽을 가짐으로써 형성될 수 있다.

도 1은 등급이 0.4-6.3㎝, 평균 입도가 4.8㎝, 그리고 공칭 공극률이 93.8%인 발포 유리 응집체에 대하여 측정된 압축 응력 및 에너지 흡수를 도시하는, [1]의 도 11-8의 복제도.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 측면에서 본 개요도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 측면에서 본 개요도.
도 4는 계산된 항공기 속도, 감속, 및 노즈 스트러트 랜딩 기어 힘을 도시하는, [1]의 도 11-22의 복제도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 발포 유리 응집체의 입도 분포를 도시하는 막대 그래프.
도 6은 도 4에 도시된 바와 같이 각각 입도 분포를 갖는, 3가지의 공칭 공극률의 응집체에 대한 압축 시험의 그래프를 도시하는 도면.

본 발명은 항공기 제동 시스템으로서 사용하도록 의도된 2가지 실시예에 의해 보다 상세히 기술된다. 이들 실시예는 임의의 종류의 차량을 제동하기 위한 발포 유리 응집체를 채용하는 일반적인 발명 아이디어의 제한으로서 간주되어서는 안된다.

제 1 실시예

차량 제동 시스템의 제 1 실시예는 지면 내에 형성되며, 도 2에 측면으로부터 개략적으로 도시된다. 제동 구역의 상부면(4)이 주변 지면(2)에 의해 형성된 평면과 동일한 레벨로 정렬되도록, 상기 지면(2) 내로 부설되는 상기 베드의 종방향 수직 단면이 높이 B 및 길이 A의 사다리꼴 형상으로 주어진다. 상기 베드의 수직 사다리꼴 단면을 갖는 디자인을 사용함으로써, 상기 베드의 양 단부에는 매끄러운 천이 구역(3)이 제공될 수 있다. 기울기 각도는 통상 20° 내지 30° 범위로 될 수 있다. 상기 베드의 바닥(2)에는 상기 베드 내에 물이 고여 있는 것을 방지하기 위한 배수 수단(도시되지 않음)이 제공될 수 있다.

상기 베드는 발포 유리 응집체(1)로 채워진다. 이 실시예에서의 상기 발포 유리 응집체의 최대 깊이는 상기 사다리꼴의 높이(B)이며, 상기 제동 구역의 길이는 상기 사다리꼴의 상부측의 길이(A)이다. 상기 응집체 베드의 상부면은 인조 잔디로 이루어진 커버층(4)으로 덮인다. 상기 제동 시스템에 진입하는 항공기의 휠(5)은 개략적으로 도시되어 있다. 상기 휠은 화살표에 의해 지시된 방향으로 주행하는 한편, 상기 상부 커버(4)를 파고들어가서 상기 매끄러운 천이 구역(2)을 지나 상기 베드의 중심부에 진입함에 따라 상기 발포 유리 내로 점차 가라앉게 된다.

상기 발포 유리 응집체는 93.8%의 공칭 공극률을 가지며, 상기 응집체(1)의 입자들은 0.4-6.3㎝의 응집도 및 4.8㎝의 평균 입도를 갖는다. 상기 응집체(1)의 입도 분포는, 4 내지 8㎜의 사이즈를 가진 입자 0.88중량%, 8 내지 12.5㎜의 사이즈를 가진 입자 0.29중량%, 12.5 내지 14㎜의 사이즈를 가진 입자 1.03중량%, 14 내지 16㎜의 사이즈를 가진 입자 1.91중량%, 16 내지 20㎜의 사이즈를 가진 입자 4.21중량%, 20 내지 31.5㎜의 사이즈를 가진 입자 33.45중량%, 31.5 내지 40㎜의 사이즈를 가진 입자 35.30중량%, 40 내지 50㎜의 사이즈를 가진 입자 15.13중량%, 50 내지 63㎜의 사이즈를 가진 입자 5.74중량%, 및 63㎜ 이상의 사이즈를 가진 입자 0.31중량%이다. 상기 입도 분포는 도 4에 그래프로 도시된다. 상기 베드의 깊이(B)는 91㎝이고, 상기 제동 구역의 길이(A)는 200m이다. 상기 베드의 수평 단면(도시되지 않음)은 직사각형 또는 삼각형이다. 직사각형 단면의 경우에, 상기 베드의 폭은 일정하며 적어도 어레스터가 배치되는 활주로 만큼 넓어야 하지만, 어레스터 베드에 진입할 때 항공기의 약간의 경로 이탈을 허용하도록 보다 넓게 되는 것이 유리할 수 있다. 상기 어레스터 베드에 진입할 때 경로 이탈한 항공기를 잡아세우는 능력은 상기 어레스터 베드를 삼각형 수평 단면을 가지도록 형성하는 것에 의해 보강될 수 있다.

본 발명자는 직경이 29.99㎝인 원형 피스톤을, 상기 응집체로 채워진 30.00㎝ 내경의 배럴 내로 가압함으로써, 상기 응집체(1)의 파쇄 저항의 측정을 수행했다. 상기 실험은 상기 응집체(1)와 등급은 동일하지만 공칭 공극률은 3가지로 상이한 것에 대하여 이루어졌다. 그 결과를 표 1에 나타내며, 도 5에 그래프로 도시한다. 모두 3가지의 응집체는 도 4에 도시된 상술한 응집도를 가졌다.

[1]에 의해 수행한 계산은, 본 발명의 상기 실시예가 130㎞/h(70노트)의 속도로 진입하는 항공기를 제동하여, 상기 항공기가 Bombardier CRJ-200 기종일 때에는 110m(360피트)에서, Boeing 737-800 기종일 경우에는 95m(310피트)에서, 그리고 Boeing 747-400 기종일 경우에는 180m(590피트)에서 완전히 정지시킬 수 있게 된다고 예측했다. [1]의 도 11-22의 복제도는 상기 실시예에 130㎞/h의 속도로 진입하는 Boeing 737-800에 대하여 상기 발포 유리 응집체에 의해 유발된, 계산된 항공기 속도, 감속, 및 노즈 스트러트 랜딩 기어 힘을 도시한다.

상기 Bombardier CRJ-200 및 Boeing 747-400에 대하여 [1]에 제공된 계산은 유사한 결과를 도시하는 한편, 상기 실시예의 발포 유리 응집체가 0.7-1.0g의 감속률 및 90 내지 200m 범위의 정지 길이를 갖는 안전한 방식으로 상기 항공기를 제동하는 다목적 항공기 제동 시스템을 제공할 것임을 입증하고 있다.

제 2 실시예

제 2 실시예는, 상기 어레스터가 제 1 실시예에서와 유사한 공칭 공극률 및 입도 분포를 갖는 동일한 발포 유리 응집체로 이루어지며, 길이(A) 및 깊이(B)도 상기 베드와 대략 동일하다는 점에서, 제 1 실시예와 동일한 원리의 해법에 따라 이루어진다. 상기 실시예는 도 3에 측면으로부터 도시된다. 상기 베드의 길이는 도면에서는 줄여져 있다는 점에 유의해야 한다.

도 3을 참조하면, 제 2 실시예에서의 발포 유리 응집체로 이루어진 베드(1)는 오목부/함몰부를 형성하지 않고 지면(2)상에 직접 놓이게 된다는 점이 주된 차이점이다. 이 경우에, 상기 발포 유리로 이루어진 베드는 그 베드 주위를 따라 기계식 구조물(6)을 사용하여 내포될 필요가 있다. 상기 기계식 구조물은 상기 응집체 베드(1)를 진입 및 진출하기 위한 경사로로서 기능하도록 설계되는 것이 유리하다. 이는, 상기 베드(1)쪽을 향하는 항공기가 상기 경사로 위를 매끄럽게 올라가서 상기 휠(5)이 상기 발포 유리 응집체 내에 떠 있게 되기까지 상기 베드의 경사진 내측 바닥(3)을 따라 굴러서 상기 베드 내로 가라앉음으로써 상기 베드(1)에 진입하도록, 상기 기계식 구조물(6)을 삼각형 단면으로 형성함으로써 얻어질 수 있다. 기울기 각도는 제 1 실시예에서와 동일하게 될 수 있지만, 다른 기울기 각도가 채용될 수도 있다. 상기 베드는 인조 잔디로 이루어진 층(4)으로 덮인다.

[표 1] 도 4에 도시된 바와 같은 입도 분포를 각각 갖는 3가지 공칭 공극률의 응집체에 대한 압축 시험.

참고문헌

1. 미국 국립 아카데미의 수송 연구 위원회에 의해 운영되는 공항 합동 연구 프로그램에서의 매튜 바소티 등에 의한 "향상된 민간 항공기 제동 시스템 개발"이라는 제목의, 2010년 1월 21일자 간행 보고서(1. Matthew Barsotti et al., report published on 21 January 2010 with title "Developing Improved Civil Aircraft Arresting Systems", in the Airports Cooperative Research Program, administrated by the Transportation Research Board of the National Academies, USA.).

Claims (12)

1. 차량 제동 시스템(Vehicle arresting system)으로서,
   - 0.25㎝ 내지 15㎝ 범위의 입도(particle sizes) 및 70 내지 98%의 공칭 공극률(nominal void fractions)을 갖는 발포 유리 응집체(foamed glass aggregate)로 채워진 베드(bed)를 포함하는 차량 제동 영역, 및
   - 상기 발포 유리 응집체로 이루어진 베드의 상부면을 덮는 상부 커버를 포함하는,
   차량 제동 시스템.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 발포 유리 응집체는, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 및 94% 중 하나로 시작해서 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 및 95% 중 하나로 끝나는 범위의 공칭 공극률을 갖는, 소다-석회 유리 또는 소다-유리로 제조되는,
   차량 제동 시스템.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 공칭 공극률은 하기의 범위들, 즉 80 내지 90%의 범위, 83 내지 88%의 범위, 및 85 내지 87%의 범위 중 하나의 범위 내인,
   차량 제동 시스템.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 발포 유리 응집체는 0.25, 0.30, 0.40, 0.50, 0.60, 0.70, 0.80, 0.90, 1.00, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9, 2.0, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3.0, 3.5, 4.0, 4.5, 및 5.0㎝ 중 하나로 시작해서 5.5, 6.0, 6.5, 7.0, 8.5, 9.0, 9.5, 10, 11, 12, 13, 14, 및 15㎝ 중 하나로 끝나는 범위의 입도를 가진 등급(gradation)을 갖는,
   차량 제동 시스템.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 발포 유리 응집체는 하기 범위들, 즉 0.25 내지 10㎝의 범위, 0.5 내지 8㎝의 범위, 0.7 내지 7㎝의 범위, 및 1 내지 6㎝의 범위 중 하나의 범위의 등급을 갖는,
   차량 제동 시스템.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 발포 유리 응집체는 93.8%의 공칭 공극률을 가지며, 상기 응집체의 입자들은 0.4-6.3㎝의 응집도(aggregation) 및 4.8㎝의 평균 입도를 갖고, 상기 베드의 깊이는 91㎝이며 상기 베드의 길이는 200m인,
   차량 제동 시스템.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 발포 유리 응집체의 입도 분포는 4 내지 8㎜의 사이즈를 가진 입자 0.88중량%, 8 내지 12.5㎜의 사이즈를 가진 입자 0.29중량%, 12.5 내지 14㎜의 사이즈를 가진 입자 1.03중량%, 14 내지 16㎜의 사이즈를 가진 입자 1.91중량%, 16 내지 20㎜의 사이즈를 가진 입자 4.21중량%, 20 내지 31.5㎜의 사이즈를 가진 입자 33.45중량%, 31.5 내지 40㎜의 사이즈를 가진 입자 35.30중량%, 40 내지 50㎜의 사이즈를 가진 입자 15.13중량%, 50 내지 63㎜의 사이즈를 가진 입자 5.74중량%, 및 63㎜ 초과의 사이즈를 가진 입자 0.31중량%인,
   차량 제동 시스템.
   
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 상부 커버는 폴리머 방수포(polymeric tarpaulins), 플라스틱 포일, 및 인조 잔디(artificial turf) 중 하나로 제조되는,
   차량 제동 시스템.
   
9. 차량 제동 방법으로서,
   - 상기 차량을 제동할 장소의 지면에 베드를 형성하는 단계,
   - 상기 베드를, 0.25㎝ 내지 15㎝ 범위의 입도 및 70 내지 98%의 공칭 공극률을 가진 발포 유리 응집체로 채우는 단계, 및
   - 상기 베드의 상부면을 상부 커버로 덮는 단계를 포함하는,
   차량 제동 방법.
   
10. 제 9 항에 있어서,
    - 상기 제동될 차량은 항공기이고,
    - 깊이가 91㎝이며 길이가 200m인 베드를 활주로의 끝에 형성하는 단계,
    - 공칭 공극률이 93.8%인 발포 유리 응집체를 채용하는 단계로서, 상기 응집체의 입자들이 0.4-6.3㎝의 응집도 및 4.8㎝의 평균 입도를 가지는 단계, 및
    - 상기 발포 유리 응집체를 상부 커버로서 인조 잔디로 덮는 단계를 포함하는,
    차량 제동 방법.
    
11. 삭제
12. 차량 제동 시스템에 이용되는 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 발포 유리 응집체.

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