헨트대학교(Ghent), HBM의 GEN5i 사용해 새의 충돌 실험 수행

 헨트대학교(Ghent) 응용재료과학부의 실험실에서 새와 비행기 충돌의 영향에 대한 연구를 위해 버드 스트라이크(bird strike)를 시뮬레이션하고 있습니다. 단순히 재료와 부품을 시험하기 위해서가 아니라 새의 충돌 영향을 최소화하는 데 발생하는 설계상의 기술적 제약을 설정하기 위해 충돌을 시뮬레이션합니다. 이 실험실의 시험 시설이 확장되어 이제 유럽위원회 E-Break 프로젝트에도 참여하게 되었습니다. 헨트대학교는 이 프로젝트를 지원하기 위해 초고속 데이터 수집용으로 특별히 개발된  HBM GEN5i (GEN7i) 데이터 기록장치 를 구입했습니다.

실험실에서 E-Break 프로젝트 지원을 감독하는 헤이르트 로익스(Geert Luyckx)는 “새의 충돌 시험은 치명적인 결과를 가져올 수 있다”면서 “새와의 충돌 자체로 많은 물리적 손상이 발생하는 것은 아니지만 항공기 엔진의 미세한 불균형이 심각한 손상과 엔진 고장으로 이어질 수 있다. 새의 충돌이 비행기에 미치는 영향에 대한 대규모 테스트 절차가 오랫동안 진행되어 왔다”고 말했습니다.

헨트대학교 응용재료과학부는 새의 충돌 영향 분석 분야에서 상당한 명성을 얻었습니다. 1997년에 ‘항공기와 새의 충돌 실험 시뮬레이션(유럽 BRITE-EURAM II 사업의 일환)’을 위한 시험 시설이 구축되었습니다. 초기에는 50그램 정도의 새와 충돌하는 것만 시뮬레이션했지만 오리 무게 정도되는 1.8킬로그램 새와의 충돌을 다루는 새로운 프로젝트를 지원하기 위해 시설이 확충되었습니다. 거위 무게인 4킬로그램 새와의 충돌 시험도 진행되고 있습니다. 항공업계에서도 실제 새를 이용해 시험을 하고 있지만 헨트대학교 실험실에서는 새와 비슷한 질량과 행동을 보이는 젤라틴 덩어리를 사용합니다. 이 젤라틴을 탄환 모양의 틀에 넣고 시험 대상을 향해 발사합니다. 이 시험은 에어버스(Airbus)같은 항공기 제조사의 사양에 맞게 규격화하여 실시됩니다.

새의 충돌 시뮬레이션: 테스트 전체가 비디오로 기록됨.

시험 준비: 새의 충돌 시뮬레이션 시, 무수한 측정값 발생 가능성을 고려

  시험 책임자인 프레데릭 앨리스(Frederik Allaeys)는 “실험실의 시험 준비는 매우 단순하다”면서 “총알 모양의 새를 튜브에 넣고 30~40bar 압력으로 발사하면 초속 200~250미터의 속도로 날아간다. 튜브의 끝에 시험할 부품을 담은 금속 챔버가 있다. 신소재로 만들어진 완성부품이나 팬 날개, 플레이트 등이 시험대상이 될 수 있다. 기압파가 측정에 미치는 영향과 공기저항을 줄이기 위해 챔버 내부 공기는 압축되어 있다. 젤라틴 새는 챔퍼에 들어가기 전에 외피를 제거해주는 스트리퍼(stripper)를 통과하게 된다”고 설명했습니다.

버드 스트라이크 시뮬레이션 시 새의 속도와 가속도, 기압, 변위, 충돌의 진동과 충격, 소재의 유연성과 변형량 등 수많은 측정값이 발생할 수 있습니다. 시험의 전 과정이 비디오로 기록됩니다. 시험 준비에 필요한 기간은 하루 정도이며 평균 비용은 시험마다 1500유로 정도입니다. 결과를 입증하기 위해 모든 시험은 두 번씩 실시됩니다. 새로운 시험 결과를 정확하게 기록하고 분석하는 것이 매우 중요하지만, 2초 정도로 빠르게 변하는 측정결과의 경우에는 이것이 어렵습니다. 이런 이유로 단순히 다중 측정 채널에서 동시에 데이터를 수집하고 처리하는 것이 아니라 초고속으로 가능한 데이터 수집 시스템이 필요했습니다.

GEN5i: 초고속 데이터 수집

테스트 측정을 위한 GEN5i 데이터 기록장치.

 헨트대학교는 위에서 설명한 프로젝트를 위해 HBM의 GEN5i를 구입했습니다. 프레데릭 앨리스는 GEN5i를 선택한 이유에 대해 다른 응용을 위한 카드를 쉽게 추가할 수 있는 모듈 구조때문이라고 설명했습니다. GEN5i는 초당 최대 100 메가샘플의 높은 샘플링 속도로 데이터를 수집하기 위해 특별히 개발된 이동식 데이터 수집 시스템입니다. GEN5i는 최대 160개의 동시 측정 채널로 확장이 가능하기 때문에 복잡한 측정준비에 적합합니다. 헨트대학교의 실험실에서는 평균적으로 10~15개 채널이 최대 25Ms/s의 샘플링 속도로 사용되고 있습니다.

GEN5i 데이터 기록장치는 저장 데이터용 통합 하드디스크를 포함한 하나의 완전한 컴퓨터입니다. 이 데이터는 추후 분석을 위해 WLAN, 기가비트 이더넷, USB 등의 표준 인터페이스를 통해 전송이 가능합니다. 또한 GEN5i의 표준 설정에는 대량의 측정 데이터를 처리, 분석, 시각화 해주는 HBM의 인식소프트웨어뿐만 아니라 다양한 필터도 포함되어 있습니다. GEN5i는 순식간에 사라지는 1회성 신호를 기록하는 순간 기록장치입니다. 이런 유형의 신호는 파괴 물질 시험, 화재 시험, 고전압이 특징인 경우가 많습니다. GEN5i는 단순한 사용자 인터페이스와 전용 소프트웨어 덕분에 신속한 설정과 구동이 가능합니다.

‘E-Break 프로젝트’의 일환인 새의 충돌 실험 분석

 헨트대학교 응용재료과학부 실험실의 이 특별한 측정시험은 유럽위원회의 재정지원을 받아 2012년 10월부터 2016년 9월까지 진행될 예정인 E-Break 프로젝트에 크게 기여할 것입니다. 프레데릭 앨리스는 “E-Break는 항공기의 배출가스와 소음을 제한하기 위해 시작되었다. 항공기엔진 제조업체들은 CO2와 NOX 배출량을 최소화하고 연료소비 및 유지보수 비용을 줄이기 위해 엔진 효율을 최적화하는 데 공을 들이고 있다”고 설명했습니다.

이러한 노력은 크기는 50% 줄이고 회전속도와 온도를 훨씬 높인 고압엔진의 개발로 이어졌습니다. 항공기 엔진은 가벼우면서도 극도로 견고해야 하기 때문에 엔진의 설계와 소재도 영향을 받습니다. 이런 요구를 충족하기 위해 복합신소재와 티타늄 알루미늄 합금이 사용되고 있습니다. 이렇게 새로운 유형의 엔진을 개발하는 데 필요한 기술과 재료, 부품에 대한 시험이 E-Break 프로젝트에서 진행되고 있습니다. 버드 스트라이크는 E-Break 프로젝트의 작은 부분일 뿐이지만 차세대 엔진 및 부품의 설계와 안전에 매우 중요한 정보를 제공하게 될 것입니다.

해당 제조업체

University of Ghent

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