지상 활주 중의 보이지 않는 위험, 항공기 착륙장치 Shimmy 진동

지상 활주 안정성 확보의 중요성

항공기의 착륙장치는 비행의 시작과 끝을 책임지는 핵심 시스템이며, 특히 지상 활주 중 조향 안정성 확보는 승객 안전과 구조 신뢰성 측면에서 매우 중요하다. 그중에서도 착륙장치 Shimmy 진동은 구조적 결함이나 설계 오류가 아닌, 작은 유격, 감쇠 불능, 마찰 조건 변화 등으로 인해 비교적 쉽게 발생하면서도 치명적인 구조 손상을 유발할 수 있는 현상이다. 이러한 Shimmy 현상은 단순한 진동 문제를 넘어, 항공기 전체 동역학계에 불안정을 유발하고, 주요 구성품의 피로 수명을 급격하게 저하시킬 수 있다. 특히 고속 활주 중 조향 제어력을 상실하거나 진동으로 인해 Torque Link, Wheel Assembly, Strut 내부가 손상되는 경우는 운용 측면에서도 심각한 안전 이슈를 초래한다.

본 기고에서는 착륙장치 Shimmy 진동을 단순 사고요소가 아닌 복합 동역학 문제로 인식하고, 이를 수치해석 기반의 예측 모델, 설계·정비 단계의 예방요소, 그리고 실제 국내외 사고 및 개선사례를 통해 체계적으로 기술하고자 한다.

Shimmy 진동의 구조 동역학적 원리

Shimmy는 항공기 착륙장치의 휠 조향부에서 발생하는 반복 진동 현상으로, 단순한 물리 진동이 아니라 구조 강성, 유격, 감쇠 특성, 타이어 반력 등 복합 요소가 상호작용한 결과다. 조향축(Yaw 축)이 주기적으로 흔들리며, 이때 발생하는 비틀림(Torsion), 좌우(Lateral) 및 굴곡(Bending) 반응이 동시에 작동하면서 진동이 증폭된다. 이를 댐핑 계통이 제어하지 못하면 고속 반복 진동 → 구조 파손 → 조향 상실로 이어질 수 있다.
Shimmy 진동을 구성하는 핵심 자유도, 주요 구조부 상호작용, 물리적 유발 인자를 정리한다.

자유도(Degree of Freedom) 기반 해석

Shimmy는 단순히 “휠이 흔들린다”는 현상이 아니라, 아래와 같은 여러 운동 축이 상호 간섭하며 발생하는 다자유도(Multi-DOF) 동역학 진동이다. 이 자유도들은 절대 독립적이지 않다. 예를 들어 Yaw가 시작되면 타이어가 틀어지며 Lateral과 Torsional 반응을 유발하고, 이 반응이 다시 yaw 진폭을 키운다. 결국, 구조가 공진 조건에 들어서면 진동은 제어 없이 발산(Unstable Oscillation)할 수 있다.

표 1. Multi-DOF

자유도	설명
Yaw	휠이 좌우로 진동하는 주축 운동. Shimmy의 중심 축
Lateral	Strut과 타이어가 수평으로 휘며 추가 진동을 유도
Torsional	Torque Link 등에서 발생하는 회전 반력. 공진 시 진폭 급증
Bending	Strut에서 휘어지는 Mode 발생 → Yaw와 결합 시 발진 위험 증가
Tyre Deformation	타이어 변형이 반력을 만들며 진동 주파수에 영향

표 1. Multi-DOF

구조 구성요소와 상호작용

Shimmy는 단지 운동 특성만으로 설명되지 않는다. 실제로는 아래 세 계통이 동시에 작동하며, 그 강성·마찰·유격 특성의 미세한 변화가 Shimmy를 유도하거나 억제한다. 특히 Caster Angle과 Trail Offset은 설계 단계에서 반드시 고려해야 할 변수다. 이 값들이 너무 작으면 복원력이 약해져 Shimmy 진입이 쉬워지고, 너무 크면 외란에 민감해진다.

물리적 발생 요인의 정리

Shimmy는 아래와 같은 실제 조건이 복합적으로 작용할 때 잘 발생한다. 이러한 요인들이 구조적·운동학적으로 중첩되면, 특정 임계속도에서 진동이 커지고 Damping이 이를 흡수하지 못하면 지속 발산(Unstable Oscillation)하거나 진폭이 비선형적으로 증폭된다.

Shimmy 예측: 수치해석 모델과 파라미터 분석

착륙장치 Shimmy 진동은 단일 원인에 의해 발생하지 않으며, 조향계, 감쇠계, 타이어계의 구조적·동역학적 요소들이 복합적으로 작용한다. 따라서 정량적 예측을 위해서는 다자유도 기반의 수치 모델을 활용해 다양한 파라미터와 경계조건을 해석하는 것이 필수적이다.

Shimmy는 시험기나 프로토타입 단계에서는 잘 드러나지 않는 미세한 유격과 Damping 성능 저하로부터 시작되며, 지상 활주 중 복합 외란에 의해 확대되는 경향이 있다. 그러나 실제 운용 중에는 :

• 시험 환경에서 복합 동역학 조건을 재현하기 어렵고
• Stick-Slip, Bifurcation, Free-Play 등 비선형 특성이 문제를 복잡하게 만들며
• 설계 초기 단계에서 임계속도나 진폭 경향을 수치적으로 예측하지 못하면 사고로 이어질 가능성이 커진다.

이러한 배경에서, 다자유도 모델을 활용한 수치 기반 Shimmy 예측 시스템은 필수적 대응 수단이다.

핵심 파라미터 분석

다음은 주요 연구들과 실증 해석에서 확인된 Shimmy 발생에 영향을 미치는 핵심 설계 변수이다.

수치 모델 구성

Shimmy 해석에 사용되는 수치 모델은 보통 다음과 같은 3~5 자유도(DOF)를 포함한다 :

• Yaw (조향) 자유도
• Lateral (좌우) 자유도
• Torsional (비틀림)
• Strut Bending (굴곡)
• Tyre Deformation (탄성 + 감쇠)

이외에 다음과 같은 비선형 요소가 모델에 포함되기도 한다 :

• Free-Play (유격 모델링)
• Dry Friction (마찰 계수 함수)
• Dead Zone (감쇠 무응답 구간)

해석 기법 및 시뮬레이션 도구

Shimmy 현상을 정량분석하는 대표적 해석 기법은 다음과 같다 :

• Time-History 해석 : 시간에 따른 진동 진폭 및 Damping 추이 확인
• FFT 해석 : 특정 조건에서의 공진 주파수 및 응답 스펙트럼 파악
• Bifurcation 해석 : 발산–비발산 경계 구간을 시각화해 안정성 분석
• Stochastic Simulation : 외란 및 노면 충격 등을 확률분포 기반으로 모사

사용 가능한 도구들은 다음과 같다 :

설계–생산–운용 단계별 Shimmy 품질관리 요점

Shimmy 진동은 설계에서 시작해 생산공정과 실제 운용환경까지 연속적으로 영향을 받는다. 따라서 어느 한 단계에서의 조치만으로는 근본적인 예방이 어렵다. 본 장에서는 개발–양산–운용 3단계에서 Shimmy를 예방하기 위한 품질관리 관점을 정리한다.

설계 단계: 구조 및 계통 안정성 확보

착륙장치 설계단계에서는 Shimmy 발생 임계조건을 예측하고 주요 파라미터에 대한 최적 설계를 수행해야 한다. 다음 항목은 설계 시 반드시 고려되어야 한다 :

• 자유도 기반 동역학 해석 : 최소 3~5 DOF 모델로 임계속도, 진폭 분석
• Joint 유격 설계 공차 최소화 : Torque Link, 조향 슬리브 등 회전부 구조 간극 제한
• Strut 강성 확보 및 기하 최적화 : 길이, 관성 모멘트 설계 → Bending Mode 방지
• 댐퍼 설계 기준 명확화 : Dead-Zone 범위 축소, 감쇠력 범위 검증 포함
• 착륙하중 조건 진동 시험 기반 설계 검증 : 설계 Load Case 내에서 Shimmy 여부 점검
• MIL-STD 기반 설계 반영 : MIL-STD-810(진동·충격 내구성), MIL-STD-1472(인체공학적 조향력), MIL-STD-1568(조립공차·부식관리) 등 설계 반영 필수

Shimmy는 Yaw, Lateral, Torsional 등의 자유도가 결합되고, Damping·조향·타이어 간 상호작용이 일정 조건을 초과할 때 발진하는 복합 진동이다. 특히 설계상 작은 유격이나 감쇠 특성 저하가 있을 경우 임계속도 이하에서도 반복 진동이 시작될 수 있으며, 이에 따라 다자유도 기반 수치 해석과 구조 요인 정밀 설계가 요구된다.

Shimmy는 정적인 설계값 만으로 예측할 수 없는 동적 문제이며, 유격·감쇠·기하 변수 등 수 많은 요인이 상호작용해 발진 조건을 형성한다. 따라서 다자유도 기반 수치 모델, 비선형 해석 기법, 정밀한 파라미터 평가는 설계단계 Shimmy 예방의 핵심이다.

생산 단계: 유격·조립·감쇠 품질 통제

Shimmy는 정밀한 설계만으로 예방되지 않으며, 생산 단계에서의 조립 정밀도와 댐핑 계통의 품질관리가 중요하다. 주요 품질관리 항목은 다음과 같다 :

• Torque Link, Steering Sleeve 조립 시 허용 공차 내 정렬 보장
• 유격 0.1 mm 증가만으로도 Shimmy 진폭이 급증할 수 있음
• Shimmy Damper 충진 압력 정확도 확보
• 실제 개선사례에서 감쇠력이 허용 범위 이탈 시 Shimmy 증폭 사례 확인됨
• 도장·윤활·조임 토크 상태 점검
• 조향축 마찰 계수 증가 → Stick-Slip 발생
• 동적 정렬 검사 실시
• Nose Wheel 정렬 오차 ±1° 이내 유지 필요
• 검사기준 명문화 및 시뮬레이션 기반 적합성 판단

운용 단계: 예방점검과 진동 징후 모니터링

Shimmy는 사용 중 발생하는 부품 마모와 Damping 성능 저하에 의해 뒤늦게 발현되는 경우가 많다. 이를 예방하기 위한 운용 단계 관리사항은 다음과 같다 :

• 주기적 유압 감쇠력 측정 및 충진 압력 확인
• Torque Link 및 연결부 마모량 주기점검(비파괴 검사 포함)
• 착륙 후 기체 영상기록 또는 조향 응답 로그 분석
• 조향 시스템 유격 조기징후 감지 센서화
• CBM(Condition-Based Maintenance) 체계 연계 가능
• 정비 기술자 대상 Shimmy 징후 교육 강화

또한, Shimmy 성향이 높게 나타나는 기체는 조기 예방성 정비를 통해 유압유 교환 주기 단축, 타이어 공기압 모니터링, 토크 조절 등으로 위험 요소를 사전에 제거해야 한다.

실제 사고 사례

RED Air Flight 203

RED Air의 McDonnell Douglas MD-82 항공기가 마이애미 국제공항에 착륙 도중 좌측 주륜 착륙장치 붕괴 사고를 일으켰다. 항공기는 정상적으로 활주로에 접근하였으나, 지상 활주 중 기체가 급격히 왼쪽으로 Yawing 하며 조향 제어를 상실하였고, 이후 좌측 착륙장치가 접히면서 동체가 활주로를 벗어나 측면으로 전복되었다.

미국 연방교통안전위원회(NTSB)의 조사에 따르면, 사고기의 Shimmy Damper는 착륙 전부터 작동하지 않았던 것으로 확인되었고, Damping 실린더 내부 오일 누설 및 피스톤 마찰 이상이 감지되었다. 특히 착륙 직후 좌측 휠에 급격한 Yawing 운동이 발생하였으며, 조향 링크와 Torque Link의 피로 손상이 순식간에 구조 파단으로 이어졌다. 이후 휠 어셈블리 전체가 비틀림 손상을 입으며 지상 활주 안정성을 완전히 상실하였다.

본 사고는 Shimmy Damper 작동 불능이 직접적인 구조 붕괴로 이어진 최초의 사례 중 하나로, 감항성 인증 시 Damping 시스템의 잔존 수명 관리와 Fault-Tolerant 설계 필요성을 강하게 환기시켰다. 특히 조향축 정렬 오차, 토우 인/아웃 불균형과 같은 정비 항목이 Shimmy 증폭 요인으로 작용함을 고려할 때, 단순히 댐퍼 상태만이 아니라 착륙장치 전체의 정렬성 및 유격 기준이 종합적으로 관리되어야 함을 보여준다.

Peruvian Airlines Flight 112

페루 Jauja 공항에 착륙하던 Peruvian Airlines의 Boeing 737-3M8 항공기는 정상적으로 활주로에 접근하였으나, 착지 직후 좌우 주륜 착륙장치에 강한 Yawing 진동이 발생하였고, 곧바로 우측 주륜 착륙장치가 붕괴되며 기체는 활주로를 이탈하고 동체에서 화재가 발생했다. 다행히 인명 피해는 없었으나, 항공기는 전소되었다.

조사 결과, 사고기의 MLG Shimmy Damper는 심각한 마모 상태였으며, Damping 기능이 사실상 상실된 상태에서 고속으로 착지하며 휠의 Yawing 진동이 증폭된 것으로 나타났다. 특히 Torque Link에 반복적인 비틀림 하중이 가해지면서 피로 파단이 발생했고, 이는 스트럿과 휠 하우징의 이탈을 유발하여 착륙장치가 붕괴한 원인으로 지목되었다. 이 과정에서 동체 하부 구조까지 연쇄적으로 손상되었으며, 활주 중 충격에 의한 균열이 후방 동체로 확산된 것으로 분석되었다.

이 사고는 Shimmy Damper의 성능 저하가 구조 파괴로 직결될 수 있음을 보여주는 대표적인 사례로, 댐퍼 내부 오일 점도 저하, 유격 증가, 오버홀 기준 미흡 등 정비 기반 문제들이 감항성에 직접적인 영향을 줄 수 있음을 시사한다.

KUH-1 계열 회전익 항공기 착륙장치 진동 개선

Shimmy 진동은 반복되는 저속 조향 환경이나 유격이 누적된 상태에서 쉽게 발현할 수 있으며, 기체의 구조 피로와 조향 응답성을 저해하는 잠재적 위험 요인이다.

KUH-1 계열 회전익 항공기 Nose Landing Gear(NLG)의 이상진동 개선 연구를 중심으로, 실제 Shimmy 유사현상의 관측부터 수치 해석 기반 개선 설계, 비행 시험을 통한 성능 확인까지의 전 과정을 정리한다.

착륙장치 Shimmy는 단순한 조향 진동이 아닌, 구조계와 감쇠계의 복합적 상호작용에 의해 발생하는 불안정 진동현상이다. 특히 반복 진폭에 의한 구조 피로와 기체 진동의 누적은 장기 운용 안정성에 영향을 주며, 이를 제어하지 못할 경우 실제 사고로 이어질 수 있다.

본 기고에서는 Shimmy의 발생 원리와 주요 설계 파라미터를 정리하고, 수치 해석 기반의 예측 기법 및 개선사례를 통해 구조적 관점에서 접근하였다. Damping 계통의 응답특성, Torque-Link의 유격, 타이어 강성 등 다수의 요소가 임계 조건에서 상호 작용함을 수치 모델로 확인할 수 있으며, 실제 회전익 항공기 NLG 개선 사례를 통해 설계-운용정비 간 통합적 관리 필요성을 확인하였다.

Shimmy 문제는 단일 요인보다는 복합계의 경계조건에서 발생한다. 정확한 원인 분석과 정량적 예측 기반의 설계 보완이 항공기 안전성 확보의 핵심이다.