상업용 여객기의 경우 평균 1년에 한 번 정도 번개를맞는다고 합니다. 번개는 수천 암페어의 전류와 수백만 줄의 에너지를 전달하며, 항공기는 기체 손상이나 기내의 전자 시스템에 대한 간섭이

없도록 이를 견뎌야 합니다. 실물 크기의 Prototype을 사용한 물리적 테스트는 어려운 반면 축소된 모델은 번개가 어떻게 작용하는지를 정확하게 포착하지 못합니다. Digital Mock-Up (DMU)을

사용한 EM 해석은 낙뢰 발생 시, 항공기에 발생하는 상황을 정확히 파악할 수 있는 대체 접근 방식입니다. 자세히 살펴 보도록 하겠습니다.

 

 

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A Bolt from the Blue – Simulating Lightning Strikes on Aircraft

 

다쏘시스템, Marco Kunze

 

 

평균적으로 상업용 여객기는 1년에 한 번 정도 번개를 맞을 것입니다[1]. 번개는 수천 암페어(amp)의 전류와 수백만 줄(joule)의 에너지를 전달하며 항공기는 동체 손상이나 온보드 전자 시스템에 대한 간섭 없이 이를 견뎌야 합니다.

​전통적으로 항공기는 알루미늄 및 티타늄과 같은 금속으로 만들어졌는데 이는 효과적인 도체이며 큰 문제없이 낙뢰를 견딜 수 있습니다. 그러나 무게를 줄이기 위해 제조업체는 탄소 섬유와 같은 복합 재료로 눈을 돌리고 있습니다. 이들은 전도성이 훨씬 낮고 내부 전자 장치에 대한 차폐는 좀 낮습니다. 그 결과 항공우주 엔지니어가 번개가 치는 동안 항공기가 어떻게 행동하는지 이해하는 것이 그 어느 때보다 중요해졌습니다.

전체 크기의 프로토타입을 사용한 물리적 테스트는 어려운 반면 축소된 모델은 번개가 어떻게 작동하는지 정확하게 캡쳐하지 못합니다. DMU (Digital Mock-Up)를 사용한 EM 시뮬레이션은 엔지니어에게 번개가 치는 동안 항공기에 정확히 어떤 일이 발생하는지에 대한 전체 그림을 제공하는 대안적인 접근 방식입니다.

첫 번째 단계는 번개 구역 설정 또는 첨부 파일 분석입니다. 금속 물체 주변의 전기장은 날카로운 모서리와 지점에 집중됩니다. 포크나 구겨진 호일을 전자레인지에 넣는 것이 위험한 것과 같이 동일한 원리로 번개가 항공기의 날개, 기수 또는 꼬리 부분을 강타하는 경향이 있습니다. 항공기 모델에 대한 정전기 시뮬레이션은 가장 강력한 자기장을 생성하는 기체 부분과 번개가 부착될 가능성이 가장 높은 위치를 찾아 시뮬레이션의 다음 단계인 transient 분석에 정보를 주는데 도움이 됩니다.

 

그림 1. 부착 분석에 따른 항공기 모델 (빨간색 영역은 번개가 칠 가능성이 가장 높은 영역)

 

낙뢰는 눈 깜짝할 사이에 끝날 수 있지만 전류가 매우 빠르게 증가하고 최고점에 도달한 다음 지수적으로 더 느리게 감소하는 뚜렷한 단계가 있습니다. 따라서 번개 펄스의 전체 transient 동작을 캡처하려면 시간 영역 EM 시뮬레이션이 필요합니다. 낙뢰 전류는 항공기의 한 부분에 주입되고 다른 부분을 통해 나갈 수 있습니다.

항공기 표면의 전류와 내부의 전기장을 모니터링할 수 있습니다. 종종 필드는 이음매 및 케이블과 같은 매우 작은 기능을 통해 항공기에 입력됩니다. 이러한 중요한 요소는 CST Studio Suite 시뮬레이션에 포함될 수 있습니다.

타격 중에 보이는 큰 전류는 기체를 가열할 수 있으며 재료의 무결성을 검증하기 위해 이러한 가열 효과를 분석하려면 다중 물리 시뮬레이션이 필수적입니다. 결합된 EM-Thermal 시뮬레이션은 Time domain solver에 의해 계산된 전기 손실을 가져오고 이를 항공기의 온도 변화 및 열 분포를 찾기 위한 추가 시뮬레이션의 기초로 사용합니다.

EM 시뮬레이션은 개발 초기 단계부터 낙뢰가 항공기에 미치는 영향을 시각화하고 탐색하는 효과적인 방법을 제공하며 엔지니어가 설계가 엄격한 안전 표준을 충족하는지 확인할 수 있도록 도와줍니다. 선박, 로켓, 풍력 터빈, 방송탑 및 건물을 포함하여 번개가 맞을 수 있는 모든 구조물에 동일한 원칙을 적용할 수 있습니다.

 

​본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

• 원본 : 다쏘시스템 블로그

 

 

 

[1] “What happens when lightning strikes an airplane?”, Edward J Rupke, Scientific American