Laser Assisted Machining을 활용한 항공 기체 구조물의 난삭재(Ti-6AL-4V) 가공 속도 향상 방안에 관한 연구

신동윤 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2023 국내석사

세계적으로 '친환경'이 강조되면서 항공산업 등 운송산업의 연비 개선이 필요했고, 그 결과 기존 금속에 비해 기계적 물성이 훨씬 가벼운 소재가 적용되기 시작했다. 대표적인 것이 티타늄 합금, 니켈 합금, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP) 등으로 첨단소재로 분류된다. 이들 재료는 중량 대비 고강도 특성을 가지고 있어 구조를 경량화할 수 있기 때문에 주로 우주/항공우주 분야에서 사용되어 왔으며, 이후 그 산업에 대한 수요가 점차 증가하고 있다. 티타늄(Ti-6AL-4V)을 사용하여 부품을 제조할 때 제조비용을 절감하기 위해 3D 프린팅과 같은 적층 성형에 기반한 연구 및 산업적 적용이 시도되고 있지만, 제품 형상 정확도와 재료 무결성이 중요한 산업에서는 여전히 다음과 같은 절삭 가공을 통해 기계적 가공이 이루어지고 있다 밀링, 회전, 드릴링. 그러나, 독특한 물성(낮은 열전도성, 높은 경도 재료 함량, 적층 구조에 의한 이방성 등)으로 인해 종래의 절삭법으로는 가공이 용이하지 않기 때문에, 난삭재로 분류된다. 본 논문에서는 가공되지 않은 소재로 분류된 첨단소재 중 우주/항공산업에서 주로 사용되는 티타늄 합금에 Laser Assisted Machining을 사용하여 기계가공 시 절삭저항을 얼마나 줄일 수 있는지를 살펴본다. As Eco-Friendly was emphasized worldwide, it was necessary to improve fuel efficiency in transportation industries such as the aviation industry, and as a result, materials with much lighter mechanical properties than conventional metals began to be applied. Typical of these materials are titanium alloys, nickel alloys, and carbon fiber reinforced plastics (CFRP), which are classified as advanced materials. Since these materials have high strength properties compared to weight and can make the structure lighter, they have been mainly used in the space/aeronautics sector, and then the demand for their industries is gradually increasing. Research and industrial application based on additive molding such as 3D printing are being attempted to reduce the manufacturing cost when manufacturing parts using titanium (Ti-6AL-4V), but in industries where product shape accuracy and material integrity are important, mechanical processing is still performed through cutting processing such as milling, turning, and drilling. However, it is classified as Difficult-to-Cut Material because it is not easy to process with the conventional cutting method due to its unique physical properties (low thermal conductivity, high hardness material content, anisotropy due to lamination structure, etc.). In this paper, we will examine how much cutting resistance can be reduced during mechanical processing by using Laser Assisted Machining for Titanium alloys mainly used in the space/aerial industry among high-tech materials classified as rough materials.

항공 배출가스 저감 목표를 고려한 국내 항공 배출가스 관련 제도/기술적 동향 연구

이정언 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2022 국내석사

유엔 기후회의에서 지구 온난화를 막기 위해 2015년 파리에서 이른바 파리 협정을 체결하였는데, 그 내용은 산업화 이전 대비 지구 평균 온도 상승폭 섭씨 2도 이하라는 목표 설정과 거기에 추가로 1.5도 이하로 넘지 않도록 노력하자는 것 이였다. 이런 기후 변화의 큰 요소가 되는 부분을 꼽자면 제트 연료 연소 과정에서 배기가스로 인해 생성되는 CO2, NOx 및 H2O와 같은 배출물이다. 그 중에서 가장 큰 영향이 되는 배출물은 두가지인데, 첫째로 순항 시 발생 되는 배기가스 내부에 존재하는 이산화탄소(CO2)이다, 이 이산화탄소는 지상에서 발생되는 이산화탄소와 마찬가지로 기후변화에 매우 안좋은 영향을 주고 있다. 둘째로는 질소산화물(NOx)인데, 이 질소산화물은 대류권의 순항고도에서 발생하여 오존에 직접적으로 영향을 미치고 있기 때문에, 지상에서 발생하는 질소 산화물 배출량보다 더 기후에 큰 영향을 주고 있다. 이와 같이 항공기에서 배출되는 배출가스는 기후변화에 많은 영향을 미치고 있다. 이런 배출가스를 항공기 기술이나 운영부문에서 획기적인 개선을 통하여 줄이는 것이 어렵기 때문에 국제항공분야의 기후변화 대응책은 산업 내부의 혁신에 의존하기 보다는 외적인 연계를 통한 인류의 전반적인 기후변화 대응할 수 밖에 없기 때문에, 타 산업의 배출가스 저감으로 생성 된 배출권이나 CDM(Clean Development Mechanism)등으로 산출된 배출권을 구매하여 항공부문의 초과 배출을 상쇄하는 전략을 고려할 수밖에 없다1. 그래서 국제민간항공기구(ICAO)에서 2016년에 결의한 국제 항공을 위한 탄소 상쇄 및 감소 제도(CORSIA, Carbon offsetting and reeducation scheme for international aviation)이 2021년부터 시행됨에 따라 우리나라는 이런 배출가스에 대한 관리 규정 마련 및 배출량 산정과 배출 가스 저감 기술 개발에 대한 필요성이 강해졌다. 하지만 우리나라의 기후변화 대응 지수(Climatechange performance index)는 2021년 기준 61위 중 53위, 매우 미흡(Very low)로 평가 받고 있다. 또한 국제 항공 분야의 환경 대책에 따라가지 못하고 이를 위한 기준 및 기술 개발에 대한 때문에 국내 항공 부문에 대한 효과적이고 적절한 배출가스 기준에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 국내 항공 분야의 배출가스 기준, 그리고 배출 가스 저감 기술 현황과 현재 항공 분야에서 날이 다르게 바뀌는 미국, 유럽과 같은 항공 선진국의 배출가스의 대응 및 배출가스 기준, 배출량 산정과 그리고 배출가스 저감 기술에 대한 분석 고찰을 통하여 국내 배출가스 기준의 배출량 산정 방법과 같은 기준 보완 및 그리고 수소 항공기와 같은 배출가스 저감 기술에 대한 발전 방향에 대한 고민 및 앞의 관련 제도, 배출가스 저감 기술에 대한 연구 내용을 바탕으로 2050년까지의 국내 배출가스 배출량 산정 및 배출가스 저감 목표를 달성하기 위한 신기술 적용 후 예상되는 배출량을 비교, 검토하여 향후 배출가스 저감 목표를 달성 하기 위한 방안을 제시하고자 한다. The United Nations Climate Conference signed the so-called Paris Agreement in Paris in 2015 to prevent global warming. Here, the goal is to increase the average global temperature by 2 degrees Celsius or less compared to before industrialization, which calls for efforts to not exceed 1.5 degrees Celsius. Some of the factors that contribute to this climate change are emissions such as CO2, NOx and H2O produced by jet fuel combustion. There are two main areas that have the greatest impact, first CO2, which is present in the emissions of cruising, is having a very bad effect on climate change, as is CO2 generated on the ground. Second, nitrogen oxides (NOx), which occur at cruising altitudes in the troposphere and directly affect ozone, have a greater climate impact than nitrogen oxide emissions on the ground. The emissions from these aircraft are affecting climate change a lot. Because it is difficult to reduce emissions through significant improvements in aircraft technology and operations, the international aviation climate change countermeasures have to keep pace with humanity's overall climate change response rather than relying on internal innovation. Thus, the International Aviation Program for Carbon Offsetting and Reduction (CORSIA) for International Aviation (ICAO) was implemented in 2021, raising the need for management regulations for these emissions and developing emission reduction technologies. However, Korea's Climate Change Performance Index is ranked 53rd out of 61st place as of 2021, and is considered very low. In addition, due to the lack of environmental measures in the international aviation sector and the development of standards and technologies for this purpose, research on effective and appropriate emission standards for the domestic aviation sector is needed. This paper supplements standards such as emission standards, emission standards, emission calculation, and emission reduction technologies in advanced aviation countries such as the U.S. and Europe, and concerns the development direction of emission reduction technologies. I would like to suggest a way to achieve it.

Powered-Lift 전환기를 위한 FAA 정책기반의 국내 항공안전법 및 K-UAM 인증기준 개정 방향

최대성 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2025 국내석사

도시화의 가속화로 인해 교통 혼잡 및 사회적 비용이 증가하는 가운데, 도심항공교통(UAM)이 교통 혁신의 새로운 대안으로 주목받고 있다. 한국 정부는 UAM 상용화를 목표로 ‘한국형 도심항공교통(K-UAM) 로드맵’을 발표하고, 민관 협력체인 UAM Team Korea를 발족하는 등 적극적으로 대응하고 있다. 그러나 새로운 항공기 유형인 Powered-Lift 항공기에 대한 법적·제도적 기반은 여전히 미흡하다. 2024년 항공안전법 시행령 개정을 통해 Powered-Lift 항공기를 항공기로 분류하려는 시도가 있었으나, 최종적으로 법제화되지 못했다. 이에 반해 미국 FAA는 2023년 Powered-Lift 항공기를 독립적인 항공기 유형으로 공식 분류하고, eVTOL을 포함한 차세대 항공기의 감항성 기준 및 운용 규정을 마련하였다. 유럽 EASA는 2024년 ‘SC-VTOL-02’를 발표하여, VTOL 항공기에 대한 감항성 기준을 강화하고 이를 기반으로 한 UAM 시장 활성화를 추진하고 있다. 한편, 국토교통부는 2023년 12월 도심형 항공기(UAM) 인증기준 안내서를 발표했다. 해당 안내서는 항공안전기술원을 중심으로 산업계 및 학계 전문가들이 약 9개월간 협의해 도출한 결과물로, UAM 항공기의 감항성(Airworthiness) 기준을 제시하고 있다. 이 기준은 기존 항공기 기술기준을 바탕으로 하며, FAA와 EASA의 인증기준을 참조해 비행성능, 구조, 전기엔진 등 10개 분야에 걸쳐 총 156개 항목이 포함되었다. 그러나, K-UAM 인증기준은 FAA의 최신 Powered-Lift 기준(AC No: 21.17-4) 및 EASA의 SC-VTOL-02와 일부 차이가 존재한다. FAA의 Joby S-4 기준과 비교했을 때, 한국 기준은 운용환경 및 기술특수성에 맞춘 독자적인 Note를 추가했으며, 일부 엔진 기준이 누락되어 국제 기준과의 불일치가 나타났다. 이에 따라, 향후 지속적인 개정 및 업데이트가 필요한 상황이다. 본 논문은 K-UAM 인증기준과 FAA, EASA의 Powered-Lift 및 VTOL 인증기준을 심층 분석하고, 일본 등 주요 국가의 UAM 법제화 동향을 비교·고찰한다. 이를 바탕으로 국내 항공안전법 개정 방향을 구체화하고, K-UAM 항공기의 감항성 인증 기준 마련을 위한 정책적·기술적 방안을 도출한다.

접이식 날개를 갖는 캐니스터 사출형 고정익 무인항공기 개발 및 비행시험에 관한 연구

양승완 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2024 국내석사

Unmanned Aerial Vehicle(UAV) can achieve high maneuverability by adopting designs that do not take into account human limitations. They can operate in uncontested airspace without the risk of pilot loss, providing control over the area of operation. This study involves the design and development of a multi-purpose UAV capable of take-off using a launch tube. The preliminary design of the aircraft was based on the research on aerodynamic theory, aircraft performance, and stability formulas, as well as the aircraft design technology cited in this paper. To verify the stability and controllability of the UAV, aerodynamic analysis and design of the UAV were performed using XFLR5 and FUSION360 software. The performance of the UAV was validated using the analysis results and data from test flight of the prototype In the flight test, both manual and automatic flights of the developed UAV were conducted to assess stability and flight performance achieved through research development. The shape and usability of the UAV were also evaluated.

면내 곡률이 있는 날개의 공력 및 플러터 해석

조영빈 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2023 국내석사

Long-range international air travel has increased significantly and will continue to increase well. This trend and advances in flight technologies, such as aircraft structures, materials, propulsion, and electronics, have resulted in a renewed interest in supersonic cruise aircraft. The concept of curving the leading and trailing edges of the wings can improve aerodynamic performance and reduce the pitch-up instability associated with highly swept wings. Computational fluid dynamics (CFD) and time-domain flutter analyses have been conducted to investigate the effects of planform curvature (curving the leading and trailing edges of a wing in the x-y plane) on both aerodynamic and flutter characteristics of a series of three moderately swept-back wing models. For three-different wing models, moderate angle-of-attack conditions corresponding to cruise flight and high angle-of-attack conditions to landing are considered in this study. In addition, effective time-domain flutter analyses based on transonic small-disturbance equations have been conducted and compared with previous NASA wind-tunnel flutter test.

전기체 정적 시험 모델에 대한 비선형 좌굴해석

김보은 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2023 국내석사

압전센서를 이용한 복합재 구조물의 손상탐지 시스템 평가

박재민 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2022 국내석사

Since the 2000s, more than 50% of the structural weight of the civil aircraft B787 has been used as a composite. As the proportion of composite material use in aircraft increases, technology development for the inspection methods for composite structures is also rapidly progressing. Among them, in the case of conventional non-destructive testing methods, the technology level has been verified, but there are limitations such as excessive inspection time and cost. In particular, the intervention of inspection professionals is required, and probes or equipment must be accessed to structures that require inspection. And if it is not accessible, aircraft structures may be required to be disassembled. In order to compensate for these limitations, the development of structural health monitoring method that can quickly detect and follow up defects through sensors mounted on structures is currently underway. In this paper, structural health monitoring system using piezoelectric sensors is applied to composite specimens and evaluated through comparative analysis with traditional ultrasonic detection tests.

DED와 L-PBF 공정으로 제조된 Ti-6Al-4V 적층재의 피로균열전파 거동

김희성 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2023 국내석사

Fatigue crack propagation(FCP) behavior of Ti-6Al-4V(Ti64) specimens fabricated by directed energy deposition(DED) and laser-powder bed fusion(L-PBF) processes with different annealing conditions and crack direction(CD) were studied. DED and L-PBF specimens resulted in reduced reversibility of growth cracks due to microstructure refinement, and as a result, FCP resistance was inferior to that of conventionally manufactured(CM) Ti64 specimens. It was found that the effect on the CD had no effect on the FCP behavior of the DED and L-PBF specimens. In the microscopic and fracture analysis of the specimens, no anisotropy of FCP was found for both DED and L-PBF Ti64 specimens. The main reason is that the phase boundary of randomly oriented acicular a platelets interfere microcrack growth.

CRES 항공기 소재의 정밀 주조 기술에 관한 연구

김대성 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2024 국내석사

압력 하중을 받는 곡면 패널의 3차원 비선형 구조해석의 신뢰성 연구

유형선 경상국립대학교 항공우주특성화대학원 2024 국내석사

Recently, in the aerospace industry, the importance about analysis is increasing, demanding more accurate and reliable results for structural integrity. Therefore, one common approach in the aerospace industry is to evaluate the structural integrity of the structures using commercial FEM programs, which are based on the finite element method. Sheet metal components such as the aircraft's external skin or inlet duct skin are usually designed with curvature to enhance aerodynamic efficiency. Additionally, for weight reduction, the process of Chemical Milling, which involves controlled corrosion to adjust the thickness, is applied. In such cases, stress concentration occurs in the area for rapidly decreased thickness due to chemical milling. However, these challenges can be mitigated by applying reinforcement measures such as application of stiffeners or thickness increase to ensure structural integrity. Generally, when analyzing panel with curvature subjected to pressure loads normal to the surface, linear analysis results in the same stress distribution regardless of the load direction, with internally applied loads yielding results with opposite signs. However, in nonlinear analysis, if the panel is subjected to bursting loads (positive pressure, acting from the concave side outboard), it exhibits similar behavior to the linear analysis. On the other hand, when subjected to crushing loads (negative pressure, acting from the convex side inboard), the panel's displacement changes abruptly even with a slight increase in pressure, leading to the occurrence of oil canning phenomena, which depend on the panel's curvature, thickness, load magnitude, and shape. In this study, we investigated the difference between linear and nonlinear analyses when applying pressure normal to the surface of panels with curvature and chemical milling. Furthermore, we examined stress concentrations at the edge, which is the weak point, when oil canning phenomena occur. We also evaluated the structural effect for reinforced designs, such as a application of stiffeners or thickness increase, to prevent oil canning. Finally, reliability of the analysis is confirmed by comparing the predicted values with structural tests.