항공우주학의 세부 분야 및 역할 2탄

안녕하세요 IT_채포티지입니다.

오늘은 항공우주학의 세부 연구분야 및 그에 대한 역할에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

항공우주학의 세부 분야 및 역할

앞에서도 기술하였듯이 항공우주학의 특징은 체계종합에 대한 비중이 매우 높다는 것이다. 항공우주학의 여러 세부 분야는 한 분야의 연구결과가 다른 분야의 연구에 필요한 자료가 되며, 여러 연구분야를 통합하는 체계종합적 다학제 연구가 유기적으로 이루어진다. 항공기나 위성발사체를 구성하는 기본 공학적 요소로 흔히 공기역학, 구조역학, 추진/열역학, 그리고 제어/동역학이 있다. 그밖에 항공기의 항법, 통신 및 센서 분야를 연구하는 항공전자 분야와 공항과 항공기 비행영역인 공역에서의 항공기 운항에 효율적인 통제/관리에 대한 연구를 하는 항공운항 분야가 있다. 이러한 세부 분야들이 항공우주시스템의 최적화를 위해 서로 조정 통제되어야 하는 것이다.

공기역학

공기역학 분야는 공기 중을 비행하는 비행체 주위의 공기흐름에 의한 공기력을 예측하고 비행체의 성능을 향상할 수 있는 비행체의 형상 설계에 대해 연구하는 분야이다. 이러한 연구 방법은 풍동을 이용한 실험적 연구방법과 전산유체역학과 같은 해석적인 연구방법이 있다.

 

공기역학의 연구분야가 비행체의 형상 설계와 설계된 비행체의 공기력에 대한 해석이므로 비행체 설계의 출발점이다. 그러므로 공기역학 분야의 연구결과가 구조역학 분야의 구조설계를 위한 입력자료가 된다. 제공된 공기력은 비행체의 무게에 의한 관성력과 함께 비행체 구조설계를 위한 하중으로 사용된다. 조종면의 변위에 따른 공기력변화인 조종력은 비행체 제어계설계의 기본이 되는 자료이다. 공기역학에사용되는 전산유체역학 해석기법은 추진기관의 해석에도 직접 사용이 가능하며, 추진기관의 영향에 따른 비행체의 성능을 해석할 경우에는 두 연구분야의 공동연구가 요구된다. 앞에서도 기술하였듯이 비행체 설계의 체계종합적인 특성으로 항공우주학의 세부 연구분야는 이처럼 매우 밀접하게 연관되어 있다.

구조역학

공기 중이나 우주의 안전한 비행을 위해서 비행체 구조는 충분한 강도와 강성을 확보하여야 할 뿐만 아니라 최상의 비행성능을 갖기 위해서는 최대한 가볍게 설계해야 한다는 어려움이 있다. 기체의 각 부품이 적합한 강도와 강성을 갖도록 설계하기 위해서는 우선 각 부분에 작용하는 하중을 정확하게 추정해야 한다. 기체에 작용하는 하중은 공기 흐름에 의한 공기력, 추진기관으로부터 전달되는 추력, 중량과 가속도에 의한 관성력, 조종 계통의 구동기로부터 전달되는 힘, 온도 변화로 유발되는 열 하중, 지면으로부터받는 반력 등 여러 가지가 있다.

 

항공기를 운용하는 동안 기체의 표면에 작용하는 표면력과 내부 전체에분포하는 체력으로 인하여 기체 각부에 발생하는 하중의 특성과 크기를 정확히 계산해야 한다. 하지만 각 하중은 항공기의 기동과 자세에 따라서 변화하므로 모든비행 상태에 대하여 항공기 구조의 안전도를 입증할 수 없으므로, 예상되는 하중 중에서 가장 위험한 상태인 몇 가지 경우에 대해서만 안전도를 확인하는 방법을 사용한다. 항공기에 작용하는 힘의 방향과 크기에 의해서 항공기 구조 형태가 결정되며 정해진 구조가 비행 중에 작용하는 힘을 충분히 견딜 수 있는지 정확하게 해석하고 구조 시험을 통해 이를 입증해야 한다.

추진 및 열역학

추진/열역학 분야는 비행체가 대기중이나 우주 공간을 비행하는데 필요한 힘이나 동력을 발생시키고 제공하는 것을 연구하는 분야이다. 비행체 주위에 공기력이 발생하기 위해서는 비행체의 전진속도가 필요한데, 항공기나 로켓 등 비행체가 전진할 수 있도록 하는 힘을 일반적으로 추력이라고 부르며, 이와 연관된 분야를 추진 분야라고 한다. 여기에는 시스템 수준의 추진기관 추진기관을 구성하는 각종 구성품, 시스템 또는 구성품을 작동시키는 다양한 공학적 원리를 개발하거나 연구하는 것을 포함한다. 추진기관은 다양한 비행체별 엔진, 로켓, 추력기 등 추력을 제공하는 하나의 시스템을 말하며, 각 시스템을 이루는 구성품에는 연료 또는 추진제, 점화기, 연소기, 분사기, 노즐 등이 있다.

 

추진 분야는 대부분 연료 등을 연소시킨 후 발생된 가스를 활용하여 힘이나 동력을 발생시키는 것을 기본으로 하기 때문에, 성능이 우수한 추진기관을 개발하기 위해서는 효과적인 에너지 변환과 활용이 중요하며, 이와 관련한 기본이 열과 일의 관계를 다루는 열역학에 해당한다. 이외에도 활용 목적에 부합하는 연료를 개발하고, 연료와 산화제를 이용한효율적인 연소과정, 연소과정으로부터 발생된 고온, 고압의 가스를 운용하는 장치나 이를운동에너지로 변환하는 장치의 개발 등 추진 분야는 열유체 분야 외에도 화학, 물리, 구조, 공력 제어 등 매우 다양한 분야가 유기적으로 연관된다.

 

일반적으로 추진 분야의 개발이나 원리의 이해에 있어서도 다양한 실험이나 전산해석을통한 연구가 수행된다. 해당 구성품이나 시스템에 따라 유동이나 연소과정을 분석하는 전산유체역학이나 화학반응해석 등의 전산해석기법이 널리 활용되며, 풍동을 이용한 유동또는 연소 실험, 로켓의 지상연소 실험 등 실험적 연구도 다양하게 수행된다. 특히, 최근에는 컴퓨팅 기술이 크게 발전하면서 대용량의 해석이 가능해짐에 따라 추진기관 전 시스템에 대한 전산해석 연구가 널리 수행되고 있다.