[AngelFounder의 항공과 공학] (1) 비행기 날개의 받는 힘은 어떻게 측정할까?

안녕하세요 새로 들어온 AngelFounder 입니다.

여러분들께 인사를 드리게 되어 반갑습니다.

앞으로 좋은 활동으로 보답하겠습니다.

시작하기전 제 소개를 하자면 저는 네이버 Flight With Us 부매니저로 있고

현재 기계공학을 전공하는 대학생입니다.

공학을 전공하지 않는 비전공자분들도 최대한 쉽게 이해하실 수 있도록 작성할 예정입니다.

하지만 항공과 공학 특성상 영어와 수학적 내용이 완전히 배제될 수 없다는점 양해해주시기 바랍니다.

수학의 수준은 중3 이상이면 충분히 이해하실 수 있는 내용으로 구성하도록 하겠습니다.

앞으로 잘 부탁드립니다.

사실 오늘 베르누이 방정식에 대해 하려고 했는데

쉽게 설명을 어떻게 할까 고민중에 있습니다. 

그래서 오늘은 제가 최근 실험실에서 하고있는 센서를 이용한 비행기 날개가 받는 힘을 측정하는 방법에 대해 

작성해보려 합니다.

제가 소개하는 방법은 가장 고전적이고 Simple한 방법입니다.

현재는 다양한 첨단기술이 발전하여 다른 방법을 사용하기도 하지만

아직까지도 많이 사용되고 있는 방법입니다.

여러분들 중 사진으로 자주 비행기의 날개가 왜이리 휘어있지? 하는 생각 해보셨을분 계실겁니다.

휘는 이유는 크게 4가지로 볼 수 있을겁니다.

1. 바람에 의해 휠 수 있다.

2. 날개 자체의 무게에 의해(중력에 의해)

3. 연료를 많이 싣고 있기 때문에(결국 중력에 의해)

4. 양력에 의해

주된 이유는 2번과 3번이 될겁니다. 

비행기는 날개에 연료보관소가 있으므로 연료를 많이 공급하면 휘게 되죠

더욱이 날개에는 중요한 엔진이 달려있기도 하구요

어떤 비행기의 경우 랜딩기어가 날개 아래에 달려있는 경우도 있죠?

그만큼 날개는 많은 무게를 지탱하여야 하며, 비행기의 심장부라고 할 수 있을 정도로

정말 중요한 부분중 하나입니다.

날개와 엔진이 없는 비행기 상상도 할 수 없겠죠?

그래서 항공기 설계시 중요하게 생각하는 부분이 바로 항공기 날개 설계입니다.

사진으로 한번 보겠습니다. 우선 아래 두 사진을 한번 보시죠

평소에는 저렇게 날개가 많이 쳐져있지 않은 형태로 있는 경우도 있지만

비행하다보면 위와같이 휘는 경우도 존재하죠.

그렇다면 이 날개를 휘지 않게 할 수 있는 방법을 몇가지 생각해 봅시다.

Q1. 그냥 엄청 강한 재료로 만들면 안되나??

강한 재료는 부드럽지 못합니다. 따라서 작은 균열이 생겼을 경우 조그마한 충격에 쉽게 부러질 수 있습니다

따라서 무조건 강한 재료를 사용할 수는 없죠.

또한 재료가 강할수록 단가가 높아집니다. 공학적 측면에서 효율적이지 못한 결과가 나오게 됩니다.

Q2. 그렇다면 균열이 없는 강한 재료로 만들면 되지 않나?

100% 균열이 없는 재료를 제작하는것은 불가능합니다.

Q3. 날개를 인위적으로(기계적으로) 올리면 안되나??

무거운 날개를 기계적으로 올릴 경우 너무 많은 비용이 소요됩니다. 

따라서 이와 같이 날개를 절대 휘지 못하게 할 수 없습니다.

그리하여 적절한 강도와 적절히 부드러운 재료를 사용하여 만들게 됩니다.

일반적으로 티타늄합금을 사용하거나 두랄루민을 사용하기도 하고 

때에 따라 알루미늄 합금을 사용하기도 합니다.

그러면 이런 재료를 사용하면 간단할걸 힘까지 계산해야 할 필요가 있나??

반드시 날개에 걸리는 힘을 계산해야 할 필요가 있습니다.

우선 모든 재료는 견딜 수 있는 한계가 있습니다. 절대로 무한대로 걸리는 힘을 견딜 수 없죠.

따라서 날개에 최대로 걸리는 힘을 계산하여 안전성을 검증하게 됩니다.

그러면 여기서 질문!

뭐.. 비행기가 땅에 있을때는 힘을 측정할 수 있는 장치로 사람이 측정하면 될거같긴한데..

그러면 하늘에 날땐 어떻게하지??

그렇죠 비행중에는 사람이 날개에 탈수도 없고.. 측정할 수 있는 방법이 없습니다.

이때 사용하는 방법 중 하나가 길이를 측정한 후 힘을 계산하는 방법입니다.

또한 이때 사용하는 센서가 바로 Strain Gauge(스트레인 게이지, 길이 센서) 입니다.

아니 힘 측정에 무슨 길이 센서를 사용하냐??

우선 Strain Gauge라는 센서에 대해 설명하겠습니다.

위 사진이 Strain Gauge 센서의 모습입니다. 생각보다 단순합니다.

(저기 써있는 단자 어쩌고 하는 설명은 넘어가셔도 됩니다. 그렇게 중요하지 않은 부분이니까요)

저기 있는 선은 저항입니다. 

아마 과학시간에 한번쯤은 들어보셨을겁니다.(저항을 모르시는 분은 네이버에 검색해보시길 바랍니다.)

또한 옴의 법칙에 대해서도 한번쯤은 들어보셨을겁니다.

V=IR(V:전압, I:전류, R:저항), 정말 유명한 식이죠?

그리고 저항은 길이가 길어지게 되면 저항이 커지는 특성을 가지고 있습니다.

이 센서는 옴의 법칙과 저항은 길이가 길어지게 되면 저항이 커지는 특성 두 가지만을 이용합니다.

그럼 이 센서를 어떻게 쓰는가?

이 간단한 센서를 날개에 붙인 후 전압을 걸어줍니다. 이때 전류를 일정하게 유지시켜 줍니다.

그렇게 되면 저 안에 전기가 흐르게 되죠?

(전압을 걸어준다는 뜻은 건전지를 다는것과 같다고 보시면 됩니다.)

자 그러면 생각해봅시다. 날개 위에 저 센서가 붙어있는 상태에서 날개가 휜다면??

센서 안에 있는 저항의 길이가 늘어나게 되고, 저항이 커지게 됩니다.

그렇다면? 옴의 법칙에서 전류가 일정하고 저항이 커지게 되니 전압은 커지게 되겠죠?

(V=IR에서 전류가 2, 저항이 1인 경우 전압은 2지만 전류가 2, 저항이 2인 경우 전압은 4가 되는 이치입니다)

그렇다면 이러한 전압의 변화를 계속적으로 컴퓨터를 이용해 측정할 수 있을 것입니다.

이때 여러분들께서 들 의문점!

아니 이 센서는 길이센서라면서 전압만 나오네..그리고 난 힘을 측정하고 싶은데 전압만 나오면 어떻게하지..

센서는 처음 제작할 때 보정작업을 합니다.

즉 전압이 얼마 변할 때 길이는 얼마 변하는 센서입니다. 라고 명시되어 있습니다.

예를들어 어떤 센서를 만들고 실험할 때 전압이 1V 변화할 때 길이는 1cm 변화한다는 결과가 나왔다면

사용하는 사람은 실험결과 전압이 2V 변화했다고 나왔다면 아 길이가 2cm 변화했구나.. 라고 생각할 수 있는 것이죠.

그러면 길이는 그렇게 아는데 힘도 실험을 통해서 구해져있나??

그렇지 않습니다. 

하지만 힘을 계산할 수 있는 식이 있지요. 바로 아래 식입니다.

또 수학.... 하시지 말고 그냥 오호 이런식을 쓰는구나 하시면 됩니다.

이 식이 어떻게 나오게 되었는지는 추후에 이공계통에 오시면 배우게 될겁니다.

어차피 이해만 하고 사용할 수 있으면 되는것이니까요.

우선 Eo는 출력 전압이고 Ei는 입력 전압입니다. 즉 출력전압과 입력전압의 차이가 바로 전압 변화가 되겠지요?

또한 G라는값은 센서 제조 회사에서 주는 값입니다. 따라서 알고 있는 값이죠. 보통 2를 많이 씁니다.

F는 힘이 되겠구요

e는 바로 늘어난 길이의 비입니다. 

다른건 뭐 알겠는데... e는 잘 모르겠다.. 하시는 분을 위해 보충설명!

     늘어난 길이

e = ------------   입니다. 

       원래 길이

예를 들겠습니다. 

처음 길이가 10cm였던 전선이 늘어나서 12cm가 되었다면? e값은 얼마일까?

늘어난 길이는 12-10 = 2cm가 되겠죠? 그리고 원래 길이가 10cm이니까

가 될 겁니다.

자 그렇다면 아래 식

이 식에서 Eo, Ei, G,e값을 모두 알고 있으니 모르는 값은 F값이 되겠죠??

그렇다면 이 식을 힘에 관해 정리해보면

즉 힘 F를 구할 수 있는 것입니다. 

이런 방법을 왜 사용하는가??

우선 Strain Gauge의 값이 매우 저렴하고 간편합니다. 

그래서 많은 돈과 노력을 들이지않고 쉽게 계산할 수 있다는 장점이 있습니다.

물론 최근 더 좋은 방법이 있습니다만 이 방법은 여전히 사용하고 있는 방법 중 하나입니다.

응용하면 날개뿐 아니라 다른곳에 걸리는 힘도 계산할 수 있겠죠?

물론 실제로 사용할 때는 보여드린 경우보다 더 복잡하게 실험하게 되지만

기본적인 원리는 위에서 설명드린것에서 절대 벗어나지 않습니다.

오늘은 Strain Gauge를 이용한 간편하고 저렴하게 항공기 날개에 걸리는 힘을 측정하는 방법을 알아보았습니다.

궁금한 점은 언제든 덧글로 남겨주세요 답변드리겠습니다.

감사합니다.

2012.09.16 13:00 PM

AngelFounder 배상

<에어라이너즈 사진 출처>

http://www.airliners.net/photo/Emirates-(Airbus-Industrie)/Airbus-A380-841/0974599/&sid=e740f3c01ca42ca52d6ffe46b1175005

http://www.airliners.net/photo/Kalitta-Air/Boeing-747-2B4BM(SF)/0336520/&sid=e740f3c01ca42ca52d6ffe46b1175005