안녕하세요. 김상규 전문가입니다.
기계공학
Q. 오토쿠르즈 컨트롤 동작 원리는 무엇인지요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.크루즈 컨트롤은 엔진의 속도를 이용하여 차량의 속도를 조절하는 장치를 말합니다. 크루즈 컨트롤 제어기의 기본 목표는 차량을 운전자가 설정한 속도(target speed)로 갈 수있게 하는 것입니다. 크루즈 컨트롤 제어기는 실제 차량의 속도와 target speed를 비교하고 속도 차이가 발생하면 스로틀 각도를 조절합니다. 스로틀 각도를 조절함으로써 엔진 토크를 조절하고 이를 통해 속도 차이를 줄이게 됩니다. 속도 차이와 스로틀 각도는 직접적인 관계를 가지지 않기 때문에 크루즈 컨트롤 제어기 설계를 대부분 2단계로 나누어 제어기를 설계합니다.즉 , 크루즈 컨트롤의 작동원리는 자동차의 속도를 감지하는 센서로 현재의 속도를 감지하여 설정된 속도보다 낮아지게 되면 연료를 공급하고 속도가 올라가면 연료를 줄여주는 방식으로 구동하게 되어 불필요한 연료소비를 줄여줄 수 있어 연료비 절감에 효과적입니다.예전에는 크루즈 컨트롤 기능이 익숙치가 않았지만 지금은 많은 자동차에 적용하여 사용을 하고 있는 중이며, 크루즈기능이 적용되기 이전에 출고 된 차량이라면 사제품으로 시공을 받으시기도 합니다.
기계공학
Q. 우리나라가 실제 핵미사일을 제조한다면
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.우리나라는 단기간 내 핵무장이 가능한 것으로 평가 받는전 세계적으로 인정받는 ‘단기간 핵무장 잠재력 보유국’ 입니다.우선 우라늄 농축은 북한이나 이란과 차원이 다른 레이저 우라늄 농축 기술을 보유한 것으로 알려졌습니다. 원심분리기로 고농축 우라늄(HEU)을 생산하는 데는 1년 걸립니다만 우리나라는 2000년 충북 지역 광산에서 채굴한 우라늄 광을 레이저로 순도 90%까지 농축하는 실험을 3번 실시해 모두 성공했습니다. 이 기술로 핵무기 1발 제조에 필요한 농축우라늄을 얻는 데는 이론 상 21시간 걸리는데요.무기급 플루토늄 추출은 사용 후 핵연료만 있으면 대학 실험실에서도 가능합니다. 한국원자력환경공단에 따르면 지난해 9월 기준 보관 중인 사용 후 핵연료는 1만 8000t 입니다. 여기에는 180t의 플루토늄이 함유돼 있습니다. 핵무기 수천 발을 만들 수 있는 양입니다. 우리 군이 보유한 탄도미사일과 순항미사일은 이미 1500발 이상으로 추정되는데요. 일부는 사거리가 북한을 넘어 중국 동부 일대를 타격할 수 있는 수준입니다.우리나라는 핵무장에 필요한 모든 걸 이미 갖고 있습니다. 한미 원자력 협정만 개정하면 1년 내 핵무장이 가능한데요. 핵확산금지조약(NPT) 탈퇴나 나토(NATO·북대서양조약기구), 국제원자력에너지기구(IAEA) 반대는 크게 우려할 필요가 없습니다. 왜내하면NPT 제10조는 "본 조약상 문제에 관련되는 비상사태가 자국의 지대한 이익을 위태롭게 하고 있을 경우에는 본 조약으로부터 탈퇴할 수 있다"고 규정하고 있습니다. 바로 저희 한국에 해당되는 내용입니다.
기계공학
Q. 비행기 착륙을 오토로 하지 않는 이유?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.오토파일럿 시스템으로 자동착륙이 가능합니다만항로 입력을 했다고 해서 비행기가 비행중에 하강시점에 자동으로 내려가지 못합니다.FMS CDU 라는 단말기에 하강 5마일 지점전에 하강하라는 메시지가 나옵니다.이것은 하강부터는 관할 공역의 통제를 받기 때문에 자동으로 무조건 내려가는게 아니라, 당시 상황에 맞게 비행기를 수동으로 조작하면서 비행을 하기위해 만든 것입니다.그럼 조종사는 하강할 고도를 입력해서 내려가면 그때 비행기가 내려가고.활주로에 접근해서 착륙할 수 있는 위치까지 오면 ILS 주파수를 입력을 합니다. ILS 주파수를 입력하면 비행기는 활주로 진입각인 Glide Slope 와 활주로 센터각인 Localizer 를 잡습니다.우선순위는 먼저 Localizer capture 를 한후에 그 다음 Glide Slope 를Capture 합니다. 이것도 무조건 자동이 아니라, 조종사가 현재 위치에서 ILS 전파가 오는 전파각 코스와 활주로 진입코스를 계산하거나, 비행챠트 를 참고하여 잡아야 Capture 가 됩니다그럼, 조종사는 비행상태를 Approach Mode 나 ILS Mode 로 바꿔주면 비행기는 활주로 진입각, 위치를 정확하게 맞추면서 내려갑니다.이때 비행기의 추력도 비행기가 알아서 해줍니다. 조종사는 안전을 위해서오토파일럿이 고장났거나. 아니면 ILS 이 잘못되어 비행기가 엉뚱한 곳으로 가거나등등. 비정상적인 상황에서 비행기를 복행 ( Go Aorund ) 시키고,비행의 안전 상태를 모니터하기 위해 조종사는 이때 조종간을 붙잡고 있습니다.오토파일럿이 작동하여 착륙하는 비행기는 절대고도 50 ft 에 다달으면자동으로 기수를 들어올리면서 Flare Mode 에 들어갑니다.비행기가 착륙을때 약간 들어올리는것을 볼 수 있는 자동비행을 하더라도 정밀하게 비행기가 Flare 기능을 합니다. 그리고, 이때 착륙을 위해 진입하던 속도와 RPM 이 Retard 되는데. 즉, 스로틀이 자동으로 뒤로 빠지면서 추력이 idle power 로 들어갑니다.그리고, 절대고도 5ft 가 되면 비행기는 Touch Down Mode 로 들어가면서 주 날개가 수평이 되는 Stabilizer 상태가 됩니다. 물론 자동입니다.그리고 비행기는 정확하게 착륙하고 노즈기어는 활주로 중앙선 ( RunwayCenter line) 에 닿습니다.이것이 이론적/메뉴얼상 항공기 오토파일럿의 운용인데..그러나, 현실에서는 100% 오토랜딩은 하지 않습니다. 주로 착륙전 절대고도 400 ft - 50 ft 상에서 오토파일럿을 끕니다.이유는 안전상 문제입니다.최종에는 사람이 하기위한방편이고. 그 만큼 기계신뢰성이 적기도하며. 또 다른 한편은 해당공항의 운용문제입니다.항공기가 100% 자동화 최첨단이 되어서 그 공항이 이 시스템을 받쳐주면 가능하지만, 서로 호환되지 못하면 제 기능을 하지 못합니다.우리나라에서 그런 일을 많이 볼 수 있는데, 간혹 국내공항에서 항공기가 사고나는것을 보면, 비행기는 최첨단이지만, 공항시설이 그것을 받쳐 주지 못합니다.공항시설도 항공기가 이착륙할 수 있는 등급, 카테고리가 있는 것이고.비행기도 운용할 수 있는 등급이 갖추어져 있습니다.이게 서로 호환이 되어야지 오토랜딩이 가능한데, 대부분 안 맞는 경우가 더 많습니다.오토랜딩이 훨씬 안전하지만. 항공기 운용 규정상 또는 조종사 비행방법에 오토파일럿을 끄는 시점은 다릅니다.
기계공학
Q. 비행기에 용접은 왜 안하게 됐을까요??
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.일단용접의 결함은 찾아내기가 상당히 힘이 듭니다.시간이 지나면서 내부에 균열이 생겨도 찾기가 힘듭니다.비행기 특성 상 사고 발생은 바로 대형 사고로 이어지므로 용접 공법을 회피하는 경향이 있었습니다.둘째용접의 최대 단점이 용접열로 인해 기존 모재의 특성이 변화한다는 점입니다.잔류응력이 잔존할 수도 있고, 모재 특성 변화로 강도가 떨어질 수도 있는 부분으로특히 비행기에 사용되는 재질이 알루미늄 합금으로열에 특히 취약한 면이 있습니다.셋째비행기 특성 상 높은 진동/반복하중을 견뎌야 하는데용접은 이런 특성에 대해 피로균열 가능성이 큼용접은 특히 피로에 취약하여 미세균열 가능하고피로균열은 시간이 지남에 따라 더 커지면서, 구조적 파괴로 진행가능합니다.넷째용접은 숙련기술자에 의해 수행되고, 엄격 검사과정이 필요하며용접으로 인한 재료변형을 수정하기위한 추가작업으로 제작 비용이 증가합니다.다섯째비행기는 가벼울수록 연료소비가 줄어 경제성이 향상되나용접은 추가금속재료 필요에 따라 전체 중량을 증가시킵니다.여섯째용접부품은 수리 시 애로점이 있고, 재 용접 시 열에의한 추가변형/손상 발생 가능합니다.항공기 운영 중 작은 손상/피로 균열을 신속 수리 가능해야 안전성/ 경제성 측면에서 유리합니다.일곱째항공기는티타늄,알루미늄, 복합재료 들이 혼합되어 있으므로용접으로 다른 재질을 접합하기엔 적합하지 않습니다.여덟째최종적으로 안정성이 가장 중요한 것이 비행기 제작입니다.용접으로 인한 잠재적 결함은 치명적 사고의 잠재 위험이 됩니다.그에 비해 리벳방식은 오랜기간 안정성/신뢰성이 입증 된 방식으로항공기 제작의 중요한 표준이 되었습니다.또한 리벳방식은 시각적검사도 용이하고, 비파괴 검사를 통해 결함 조기 발견도 가능하여위험 예방이 용이 합니다이상 간단히비행기 제작에 있어 용접을 사용하지 않는 이유를열거해 보았습니다.
기계공학
Q. 3D프린팅은 디지털 모델을 물리적인 객체로 변환하는 거라고 알고 있는데 3D프린팅의 원리는 어떤게 있나요?
안녕하세요. 김상규 전문가입니다.기본적으로 3 D프린팅은 적층가공방식으로 소재를 녹여 제일 아래 바닥부터 위로 한층 한층 쌓아 올려 형상을 만드는 것인데 이런 출력 방식들은 제조사에 따라 명칭이 다양합니다.출력 방식에 따라 분류한 3D프린터 원리에 대해 열거해 보면1. 소재 압출 방식 (Material Extrution)소재 압출 방식의 대표적인 기술은 FDM으로 가장 대표적이고, 보편적인 기술로 누구나 쉽게 작동할 수 있는 방식으로 필라멘트 형태의 열가소성 물질을 고온의 노즐에 녹여 압출하면서 한층 한층 적층해나가며 형상을 만드는 방식입니다.이 방식은 미국의 스타라타시스(stratasys)를 설립한 스콧 트럼프가 개발해서 상표권을 가지고 있으며 3D프린터의 특허가 풀리고 대중화 되면서 가격은 낮아지고, 출력 속도는 빨라졌습니다.소재 압출 방식의 소재로 가장 많이 사용하는 것은 PLA지만 제조업이나 시제품 제작 시에는 ABS를 많이 사용하고 있으며 그 외 다른 소재 들도 사용이 가능합니다.2. 광중합 방식 (Vat Photopolymerization)광중합 방식은 광경화성 수지에 빛을 조사하여 한층 씩 적층하는 방식으로 SLA가 대표적인 기술로 1984년 최초로 3d프린터를 개발한 charles Hull이 개발하였는데 이 방식의 특징은 정밀도가 매우 우수하고, 표면 조도가 뛰어나기 때문에 쥬얼리나 치과 등 정밀도를 요구하는 작업에 많이 활용되고 있습니다.3. 분말 소결 방식 (Powder Bed Fusion)분말 소결 방식 3D프린터 원리는 SLS로 널리 알려진 방식으로 정식 명칭은 분말 적층 용융 방식으로 분말을 블레이드와 롤러로 분말 베드에 얇고 평평하게 깔아두고, 얇게 깔린 분말에 레이저를 쏘아 수평면에서 원하는 형상을 만듭니다그리고 또 다시 그 위에 분말을 얇게 깔고 평평하게 만든 뒤 다시 레이저를 쏘아 형상을 만드는 방식으로 특수모래, 금속분말, 합성수지 등 분말로 된 소재면 무엇이든지 출력 가능하고, 어느 정도의 품질은 나오지만 분말의 입자가 균일해야 하며 각 소재 별로 레이저의 세팅을 따로 해야 해서 번거로운 편입니다.또한, 장비와 소재 비용 모두 비싼 편이며 유지 비용 또한 저렴하지 않아 개인적으로 구매를 해서 사용하기는 어려운 방식 입니다.4. 결합제 분사 방식 (Binding Jetting)결합제 분사 방식은 분말 재료 위에 액상 접착제를 뿌려 적층하는 방식으로 금속 재료의 경우 프린트 한 결과물이 사실상 그냥 플라스틱 풀이 굳은 거나 다름없어서 열처리 하는 데 과정에 있어서 좀 귀찮은 방식 입니다.먼저 저온에서 한 번 구워서 접착제를 날려 보내고 .그 다음 고온에서 금속 분말들을 소결시켜 최저한의 강도를 확보한 뒤 청동과 같이 고온에 구워서 그 자리를 청동이 차지하게 하면 완성되는데 그 과정의 시간이 꽤 오래 걸리는 편입니다.5. 소재 분사 방식 (Material Jetting)소재 분사 방식의 대표적인 방식은 Polyjet과 MJP인데 원리는 거의 똑같다고 볼 수 있지만 개발사가 달라서 이름이 다른 경우입니다.액상 광경화성 수지를 노즐에서 분사한 후 광에너지를 이용하여 굳혀 적층하는 방식으로 잉크젯의 3D프린터 버전이라고 볼 수 있으며 SLA방식과 잉크젯을 섞은 것이라 이해하면 쉬운데 보통 대부분의 3d프린터 방식의 장비들은 형상 한 개를 만들 때 색상을 한 가지로 출력을 하지만 폴리젯은 다양한 색상으로 프린팅 가능하며 높은 정밀도와 투명한 소재를 사용할 수 있어 돋보기에 사용하는 광학 렌즈를 프린팅할 수 있다는 특징이 있습니다.6. 판재 적층 방식 (Sheet Lamination)표면 접착식의 대표적인 방식은 LOM으로 종이와 같은 얇은 재료를 레이저, 칼 등으로 조각하고 그것을 한층 한층 접착하는 방식으로 종이, 플라스틱, 금속 재질의 시트 형태 재료를 층층이 접착한 후 칼이나 레이저 커터로 형태를 잡아서 자르는데 이러한 작업을 반복하면서 원하는 형상을 제작합니다.AM방식 중 하나지만 깎아내는 과정이 필요한 하이브리드 방식으로 금속판을 밑에 깔고 초음파 용접으로 붙인 뒤 모양대로 깎는 과정을 반복하는데 열로 용접하는 것이 아니라서 내부 잔류응력 처리나 내부 공기 조절이 필요한 방식입니다.7. 직접 용착 방식 (Direct Energy Deposition)직접 용착 방식은 에너지 집중식 퇴적 방식이라고도 부르는데 열 에너지를 집중시켜서 물질을 용접, 적층하는 방식으로 재료가 그냥 쌓여있는 것이 아니라 레이저와 같이 움직이는데 쉽게 말해서 인두기와 납땜 공급기가 자동으로 움직이면서 적층해 나가며 재료는 금속선도 가능하지만 보통은 금속 파우더를 분사합니다.이렇게 미국재료시험협회에서 규정한 3D프린팅 기술 용어와, ISO에서 동작 원리에 따라 분류한총 7가지 프로세스를 나열해 보았습니다.