Improvement of Flight Safety by Horizontal Stabilizer Design Improvement of Rotorcraft

회전익 항공기 수평 안정판의 설계 개선을 통한 비행 안전성 향상

Abstract

This paper is a study on design improvement of rotorcraft horizontal stabilizer. The rotorcraft horizontal stabilizer stabilizes the behavior of the pitch, yaw, etc. from the aircraft. Because of this role, horizontal stabilizers are a major component (Flight Safety Part) that affects flight safety on rotorcraft. However, when the rotorcraft was operated in domestic, cracks were found in the inner structure of the horizontal stabilizer and design improvement was needed. In this paper, we identified the two causes of the horizontal stabilizer crack defects through fracture analysis and structural analysis. The first is the tightening torque when the bolt is tightened, and the second is the lead-lag behavior of aircraft. In order to improve these two causes, bolt fastening method, flange structure and thickness were changed and composite ring was applied. In order to verify the design improvement, the structural analysis was performed and the structural strength was improved. Also Fatigue analysis of the internal structure (Rib 1) was performed and it was confirmed that the requirements were satisfied.

본 논문은 회전익 항공기의 수평 안정판의 설계 개선에 관한 연구이다. 회전익 항공기의 수평 안정판은 항공기의 피치, 요 등의 거동을 안정화시키는 역할을 수행한다. 이러한 역할로 인해 수평 안정판은 회전익 항공기의 비행 안전에 영향을 미치는 주요 구성 요소(비행안전품목)로 관리되고 있다. 그러나 국내 회전익 항공기 운용 중, 수평 안정판의 내부 구조에 균열이 발견되어 설계 개선의 필요성이 제기되었다. 본 논문에서는 파면 분석과 구조 해석을 통해 수평 안정판 내부 구조 균열의 근본 원인을 2가지로 분석하였다. 첫 번째는 볼트 체결 시 부가되는 체결 토크이며, 두 번째는 항공기 기동에 따른 Lead-lag 거동이다. 이 2가지 원인을 개선하기 위하여 본 연구가 수행되었으며 그 결과 볼트 체결 방법, 볼트 체결 플랜지 구조 및 두께를 변경하고 복합재 링을 추가로 적용하였다. 설계 개선의 검증을 위해 구조 해석이 수행되었으며 구조강도가 향상된 것을 확인할 수 있다. 또한 내부 구조물 (Rib 1)의 피로해석을 수행하여 요구 사항이 충족되었음을 확인하였다.

Fig. 1. Horizontal Stabilizer of Rotorcraft

Fig. 2. 3D-image of inner frame(Rib1, Spar Tube)

Fig. 3. Borescope image of crack(Rib1)

Fig. 4. Fracture specimen of lug

Fig. 5. Fracture specimen of lug

Fig. 6. Fracture specimen of #1

Fig. 7. SEM image of Fatigue striation

Fig. 8. Tension and Compression of bolt area

Fig. 9. FE model of initial stress by bolt fastening

Fig. 10. Behavior mechanism of Spar tube and Rib 1 by Lead-lag

Fig. 11. Stress plot of Rib 1 by Lead-Lag

Fig. 12. Design improvement of fastening (Rib 1) (a) Before, (b) After

Fig. 13. Design improvement of lug (Rib 1) (a) Before, (b) After

Fig. 14. Cross section of Rib 1

Fig. 15. Design improvement(Rib 2) (a) Before, (b) After

Fig. 16. Design improvement(Rib 3) (a) Before, (b) After

Fig. 17. Stress plot of design improved Rib 1

Fig. 18. Comparison of internal Stress(before and after Rib1)

Fig. 19. Comparison of Peak Stress (a) Before (b) After

Fig. 20. Comparison of internal Stress

Fig. 21. Comparison of internal Stress

Fig. 22. Comparison of Peak Stress (a) Before (b) After

Fig. 23. Low cycle frequency graph of Rib 1

Fig. 24. High cycle frequency graph of Rib1

Fig. 25. Control point #1, #2 of Rib 1

Table 1. Stress value of aircraft maneuver

Table 2. Result of internal and peak stress improvement