대도시를 중심으로 초광역 경제권을 건설하는 이른바 메가시티(Megacity) 프로젝트가 전 세계적인 추세이다. 하지만 한정된 토지 자원 내에 인적 물적 자원이 과도하게 집중됨에 따라 많은 도시 문제가 발생하고 있다. 그 중에서 교통 수요 증가에 따른 사회적 비용을 의미하는 교통혼잡비용이 도시 문제 중 하나로 대두되고 있다. 2018년 대한민국의 교통혼잡비용은 약 67조 7천억원으로 명목 GDP의 3.6%에 달할 정도로 커다란 사회적 문제 중 하나이다. 이와 같은 문제를 해결하고자 도심 내부 그리고 도서벽지 격오지를 항공으로 연결하는 분산 전기추진 방식의 미래항공교통의 개발이 진행되고 있다. 하지만 미래항공교통의 사고 등으로 인한 비상 착륙과 같은 불확실한 상황에 대한 대중의 심리적 거부감이 만연하여 상용화에 난항을 겪고 있다.
항공기에 쓰이는 충격 흡수 장치는 크게 Skid, Oleo-pneumatic damping system과 같은 착륙 장치, 복합재 동체 하부, 알루미늄 허니콤과 같은 동체 내부 구조, 그리고 좌석으로 분류할 수 있다. 이 중 비상 착륙 상황에서 충돌에너지를 가장 많이 흡수하는 복합재 동체 하부와 알루미늄 허니콤은 많은 연구를 통해 성능이 입증되어 다양한 용도의 항공기에 채택되어 사용되어 왔다. 하지만 미래항공교통과 같이 소수의 승객이 탑승하며 전기 배터리의 동력으로 운행되는 교통수단은 운행의 효율을 높이기 위해서 항공기 자체의 경량화가 절실하다. 충격 흡수 장치 또한 경량화가 필요한 부분이며, 이를 위한 관련 연구들이 진행 중이다.
본 연구에서는 이를 위해 기존에 쓰이던 방식이 아닌 금속 3차원 프린팅 제조 기법을 통한 격자 구조를 이용한 충격 흡수 구조에 대한 연구를 진행하였다. 격자 구조 중 에너지 흡수 성능이 우수한 것으로 알려진 체심 입방 격자 구조를 기반으로 가로 보조물과 세로 보조물을 추가한 독자적인 격자 구조를 설계하였다. 유한 요소 해석을 통해 설계한 구조체의 응력 분포 분석을 통한 에너지 흡수 성능을 예측하였고, 금속 3차원 프린팅 제조 기법 중 전자빔 소결 방식을 통해 구조체를 제작하여 에너지 흡수 성능을 검증하였다. 이를 통해 본 연구에서는 기존에 알려진 체심 입방 격자 구조에 비해 에너지 흡수 성능이 우수한 구조를 제안하였다.
미래항공교통에 쓰이기 위한 충격 흡수 구조체는 앞서 언급했듯 경량화가 필요하다. 따라서 선행 연구로 설계한 격자 구조의 단위 질량 당 에너지 흡수 성능을 증가시키기 위한 연구를 진행하였다. 먼저 정해진 부피 내에 배치되는 격자 구조의 개수를 조절하여 에너지의 흡수 성능 비교를 진행하였다. 격자 구조의 단위 구조체의 크기가 작아질수록 배치되는 격자 구조의 수가 증가하게 되며, 이에 따른 에너지 흡수 성능이 우수한 것을 확인할 수 있었다. 하지만 과도하게 압축 파손 하중이 증가한 구조체의 경우, 미래항공교통의 비상 착륙시 발생하는 충돌에너지에 의해 충격 흡수 구조체가 변형되며 에너지를 흡수해야 하는 상황에서 변형이 발생하지 않게 된다. 따라서 착륙 상황에 맞는 적절한 구조체의 선정이 필요하며, 원하는 상황에 요구되는 구조체를 설계하기 위해 에너지 흡수 성능을 점진적으로 향상시킬 연구를 진행하였다.
격자 구조는 스트럿 기반으로 이루어진 구조로 스트럿의 두께가 굵어짐에 따라 구조적 강건성이 향상된다. 본 연구에서는 이를 기반으로 적절한 부피 내에 배치된 구조체의 스트럿 굵기를 조절하여 내부 밀도를 변경하였고, 에너지 흡수 성능을 향상시키고자 하였다. 전체 구조체의 질량은 동일하게 유지한 상황에서 특정 부위의 스트럿이 강화된 경우, 에너지 흡수 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다. 유한요소해석을 통해 추출한 데이터를 이용해 구조체의 질량과 구조체 질량 비율의 표준편차를 설계 변수로 하여 요구하는 에너지 흡수 성능을 추출하기 위한 반응 표면을 구축하였다. 반응 표면을 구축하기 위한 데이터는 라틴-하이퍼 큐브 샘플링 방식을 통해 선정하였으며, 반응 표면을 구축하기 위해서 크리깅 기법을 이용하였다. 내부 밀도를 조절하는 9가지에 방식에 대한 각 방식에 대한 에너지 흡수 성능 반응 표면을 비교하였다. 이를 통해 향상된 에너지 흡수 성능을 유지하면서도 특정 부분에 과도하게 질량이 집중되지 않는 방식을 제안하였다.
선행 연구를 통해 설계한 격자 구조와 이를 이용한 한 반응 표면을 통해 요구하는 성능을 만족하는 구조체의 설계의 가능성을 확인하였다. 하지만 앞선 유한 요소 해석과 실험을 통해 스트럿 기반의 격자 구조는 압축 파손 시 스트럿에 좌굴이 일어나며, 재료에 따라 취성이 강한 경우 충분한 에너지를 흡수하지 못하고 파단이 발생함을 확인할 수 있었다. 이에 따라 충격 흡수 구조체의 압축 파손 시 압축 파손 하중의 변동성이 커지게 되며, 비상 착륙시 원활한 충격 흡수가 이루어지지 못하도록 한다. 이를 해결하기 위해 격자 구조 스트럿의 특정 부위의 두께를 강화시키거나 스트럿에 굴곡을 부여하여 에너지 흡수 성능을 향상시키거나 압축 파손 하중의 변동성을 감소시키고자 하였다. 본 연구에서는 격자 구조 스트럿의 두 번 굴곡을 부여한 방식을 이용해 구조체의 압축 파손 하중 변동성을 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였으며, 이를 통해 에너지 흡수가 안정적으로 발생할 수 있도록 격자 구조를 개선하였다. 그리고 이를 내부 밀도를 조절하는 방식을 적용하여 안정적인 에너지 흡수가 발생하면서도 단위 질량 당 에너지 흡수 성능을 향상시킬 수 있는 충격 흡수 구조를 제안하였다.