KR102609529B1 - 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임 - Google Patents

Abstract

제안기술은 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캘빈 구조의 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 관한 발명이다.

Description

다공성 구조를 이용한 항공기 프레임{Aircraft frame using porous structure}

제안기술은 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캘빈 구조의 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 관한 발명이다.

일반적으로 비행기는 날개와 그에 의해 발생되는 양력을 이용해 인공적으로 하늘을 나는 능력을 지닌 항공기를 말한다. 비행기는 양력과 중력, 항력과 추력이 서로 영향을 주어 움직일 수 있게 된다.

현재 비행기의 프레임 구조로는 도 1에 도시된 세미 모노코크 구조가 적용되고 있다.

세미 모노코크 구조는 골격과 껍질로 이루어지는 것으로, 골격은 형태를 유지하고, 항공기에 걸리는 대부분의 하중을 담당하게 되며, 껍질은 외형을 만들어주고 공기에 대한 압력을 골격에 분산하여 전달하며, 하중의 일부를 담당하게 된다.

이러한 세미 모노코크 구조는 내부 공간이 넓을 뿐 아니라 큰 힘도 견딜 수 있으며, 외형의 곡면 처리도 가능하므로 현대의 거의 모든 항공기들에 적용되어 있다.

상기와 같은 장점에도 불구하고 세미 모노코크 구조의 제작에는 고가의 설비와 장비, 고도의 기술 등 부담이 되는 요소가 많아 초경량 항공기 등 비교적으로 작은 항공기에는 잘 적용되지 못하는 문제가 있었다.

따라서 기존의 내구성을 유지하면서도 무게를 줄일 수 있으며, 설계가 복잡하지 않고 기존 재료에도 적용이 가능하며, 비용 또한 절약할 수 있는 설계 방법이 요구되고 있다.

한국공개특허 제10-2021-0055263호

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 다공성 구조를 이용하여 항공기 프레임의 내구성을 안정성 범위 내로 유지하면서도 무게를 개선하여 항공기의 페이로드를 향상시키는데 목적이 있다.

또한, 복잡하지 않은 구조로 설계되어 다양한 재료에 적용 가능한 항공기 프레임을 설계하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 있어서,

복수 개의 캘빈 셀(kelvin cell)로 구성된 다공성 구조부;

다공성 구조부의 외측면을 감싸는 테두리부;를 포함하며,

다공성 구조부와 테두리부는 동일한 소재인 것을 특징으로 한다.

테두리부의 구조는 다공성 구조부의 구조보다 치밀하게 설계되는 것을 특징으로 한다.

프레임은 원형상 또는 타원 형상의 단면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

프레임의 체적률은 50% 내지 75%이며,

프레임에서 상기 다공성 구조부의 체적률은 40%인 것을 특징으로 한다.

다공성 구조부의 반지름(r)은,

인 것을 특징으로 한다.

캘빈 셀에서 육각형의 한 변의 길이는 1.69706mm인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 프레임의 경량화로 인해 항공기의 페이로드가 증가할 수 있는 효과가 있다.

또한, 프레임 제작 시 재료가 절약되어 더 많은 프레임 제작이 가능한 효과가 있다.

또한, 프레임의 무게가 감소함으로써 전력을 절약하여 항공기가 보다 오랜 시간 비행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 프레임의 단순화된 설계로 새로운 제품의 개발이 용이한 효과가 있다.

도 1은 일반적인 항공기 프레임에 적용되는 세미 모코코크 구조의 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 적용되는 캘빈 셀(kelvin cell)의 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임 단면이 원형상인 경우의 일 실시예.
도 4는 도 3의 단면도.
도 5는 본 발명에 따른 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임 단면이 원형상인 경우, 체적률을 만족하기 위한 프레임의 부피 설계 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임 단면이 타원 형상인 경우, 체적률을 만족하기 위한 프레임의 부피 설계 예시도.

상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 출원에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위한 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 캘빈 구조의 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 관한 발명이다.

도 2에는 본 발명에 따른 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임에 적용되는 캘빈 셀(kelvin cell)의 예시도가 도시되어 있다.

캘빈 셀(4)은 3차원 공간의 동일한 부피에서 최소 표면적으로 설계된 구조를 위한 것으로, 6개의 정사각형과 8개의 육각형으로 이루어진 14면체이며, 24개의 꼭짓점을 갖는다.

상기 캘빈 셀(4)을 복수 개로 구성하는 경우, 어느 하나의 캘빈 셀(4)의 정사각형을 다른 하나의 캘빈 셀(4)의 정사각형과 맞닿도록 연결하게 된다. 이러한 방법으로 복수 개의 캘빈 셀(4)을 연결하면 어느 하나의 캘빈 셀(4)의 육각형과 다른 하나의 캘빈 셀(4)의 육각형이 서로 연결되어 복수 개의 캘빈 셀(4) 전체의 형상을 봤을 때 육각형으로 이루어진 공간이 서로 연결된 구조의 홀이 형성된다.

본 발명에서는 상기에서 설명한 바와 같이, 복수 개의 캘빈 셀(4)을 포함하는 구조의 항공기 프레임(2)을 구성한다.

도 3에는 본 발명에 따른 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임 단면이 원형상인 경우의 일 실시예가 도시되어 있고, 도 4에는 도 3의 단면도가 도시되어 있다.

항공기에 적용되는 본 발명의 프레임(2)은, 복수 개의 캘빈 셀(kelvin cell)(4)로 구성된 다공성 구조부(6)와, 상기 다공성 구조부(6)의 외측면을 감싸는 테두리부(8)를 포함하여 구성된다.

본 발명에서는 하나의 상기 캘빈 셀(4)에서 육각형의 한 변의 길이를 1.69706mm로 설정하였다. 이는 본 발명의 일 실시예에서의 길이인 것으로 제작자의 의도에 따라 변경될 수 있다.

상기 프레임(2)은 원형상의 단면을 갖도록 구성되는 것으로, 상기 다공성 구조부(6)는 내부가 채워진 원통 형상으로 형성되고, 상기 테두리부(8)는 내부가 빈 원통 형상으로 형성되어 상기 프레임(2)이 원형상의 단면을 갖게 된다.

상기 프레임(2)은 타원 형상의 단면을 갖도록 구성될 수도 있는데 이때, 상기 다공성 구조부(6)는 내부가 채워진 타원형의 원통 형상으로 형성되고, 상기 테두리부(8)는 내부가 빈 타원형의 원통 형상으로 형성되어 상기 프레임(2)이 타원 형상의 단면을 갖게 된다.

상기 프레임(2)의 체적률은 항공기의 비행 안정성에 가장 효과적인 50% 내지 75%이며, 상기 프레임(2)에서 상기 다공성 구조부(6)의 체적률은 40%인 것이 바람직하다.

상기 다공성 구조부(6)의 체적률만으로는 상기 프레임(2)의 전체 체적률을 만족하지 못하기 때문에 상기 테두리부(8)를 통해 상기 프레임(2)의 체적률을 조절하게 된다.

따라서 상기 테두리부(8)의 소재로는 상기 다공성 구조부(6)의 소재보다 치밀한 소재가 적용될 수 있으며, 상기 테두리부(8)의 소재로는 알루미늄 또는 탄소섬유 등이 적용될 수 있다.

상기 테두리부(8)와 상기 다공성 구조부(6)가 동일한 소재로 적용되는 경우, 상기 테두리부(8)의 구조는 상기 다공성 구조부(6)의 구조보다 치밀하게 설계되어야 한다.

도 5에는 본 발명에 따른 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임 단면이 원형상인 경우, 체적률을 만족하기 위한 프레임의 부피 설계 예시도가 도시되어 있다.

상기기 다공성 구조부(6)의 체적률을 만족하는 상기 프레임(2)의 설계를 위해서는 상기 프레임(2)에서 상기 다공성 구조부(6)가 차지하는 부피를 구해야 한다.

이를 위해 하기에서는 상기 프레임(2)의 체적률이 75%일 때 상기 다공성 구조부(6)의 반지름을 구해보도록 한다.

상기 프레임(2) 단면의 반지름을 R, 상기 다공성 구조부(6)의 반지름을 r 이라고 할 때 상기 테두리부(8)의 두께는 R-r이 된다.

상기 프레임(2)의 부피는 상기 테두리부(8)의 부피(

)와 상기 다공성 구조부(6)의 부피(

)를 합한 것으로

으로 나타낼 수 있으며, 이는 상기 프레임(2)의 체적률을 만족하기 위해

와 동일해야 한다. 즉 하기의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1은 하기와 같이 계산된다.

따라서 상기 다공성 구조부(6)의 반지름(r)을 0.6455R로 설계하면 상기 프레임(2)의 전체 체적률이 75.434%가 되도록 설계 할 수 있다.

즉, 상기 프레임(2)의 반지름이 R일 때, 상기 프레임(2) 단면의 중심점을 기준으로 0.64R 부분을 상기 다공성 구조로 설계하고, 상기 다공성 구조부(6)의 외측인 나머지 0.36R 부분을 상기 테두리부(8)로 설계하면 상기 다공성 구조부(6)의 체적률이 40%이며, 전체 체적률이 약 75%인 상기 프레임(2)을 설계할 수 있다.

도 6에는 본 발명에 따른 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임 단면이 타원 형상인 경우, 체적률을 만족하기 위한 프레임의 부피 설계 예시도가 도시되어 있다.

상기 프레임(2)의 단면이 타원 형상인 경우에도 상기 수학식 1을 사용하여 상기 다공성 구조부(6)의 체적률을 만족하는 상기 프레임(2)을 설계할 수 있다.

상기 프레임(2)의 단면이 타원 형상인 경우, 상기 타원 형상의 중심점을 기준으로 긴 반지름과 짧은 반지름의 0.64R 부분과 짧은 반지름의 0.64R 부분을 상기 다공성 구조로 설계하고, 상기 다공성 구조부(6)의 외측인 나머지 0.36R 부분을 상기 테두리부(8)로 설계하면 상기 다공성 구조부(6)의 체적률이 40%이며, 전체 체적률이 약 75%인 상기 프레임(2)을 설계할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 상기 프레임(2)은 더욱 효율적인 운용을 위해 항공기의 부위별로 기공률을 조절하여 설계될 수 있다. 상기 기공률은 상기 다공성 구조부(6)의 반지름을 변경하여 조절할 수 있다.

예를 들어, 상기 항공기에서 충돌이 자주 발생하는 말단 부위(날개 말단 등)는 기공률을 낮춰 안정성을 확보하고, 충돌 가능성이 낮은 중심부는 기공률을 높이게 된다. 이로 인해 상기 프레임(2)에 사용되는 재료를 절약하고 무게를 감소시켜 더욱 효율적인 항공기의 설계가 가능하다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

2 : 프레임
4 : 캘빈 셀(kelvin cell)
6 : 다공성 구조부
8 : 테두리부

Claims (6)

1. 복수 개의 캘빈 셀(kelvin cell)로 구성된 다공성 구조부;
   상기 다공성 구조부의 외측면을 감싸는 테두리부;를 포함하며,
   상기 다공성 구조부와 상기 테두리부는 동일한 소재이고,
   프레임의 체적률은 50% 내지 75%이며,
   상기 프레임에서 상기 다공성 구조부의 체적률은 40%인 것
   을 특징으로 하는 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임.
2. 제1항에 있어서,
   상기 테두리부의 구조는 상기 다공성 구조부의 구조보다 치밀하게 설계되는 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임.
3. 제1항에 있어서,
   상기 프레임은 원형상 또는 타원 형상의 단면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 다공성 구조부의 반지름(r)은,
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   

   

   
   인 것
   (여기서, R=상기 프레임의 반지름, h=상기 다공성 구조부의 높이)
   을 특징으로 하는 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임.
6. 제1항에 있어서,
   상기 캘빈 셀에서 육각형의 한 변의 길이는 1.69706mm인 것을 특징으로 하는 다공성 구조를 이용한 항공기 프레임.