본 논문에서는 무인비행체를 특정 위치로 유도하기 위한 자동조종장치를 설계하였으며, 설계되어진 자동 조종장치에 대해 외부 교란에 대한 강건성을 시험하였다. 무인비행체의 속도를 저속, 순항, 고속으로 분류하여 각각의 속도에 대한 자동조종장치를 설계하였으며, 설계되어진 자동조종장치의 이득에 대해 이득 스케듈링을 수행하였다. 무인비행체의 운용고도에 따라 대기교란 모델을 발생하였고, 모의실험을 통해 이에 따른 무인비행체 자동조종장치의 강건성을 증명하였다.
비행체 설계 접근 방법으로서 무선조종 모형시험 기법 적용 방안을 제시하였다. 본 연구에서 제시된 접근 방법은 동적 상사성을 유지한 축소모형 비행체의 비행특성 분석을 통하여 기본 설계 형상의 타당성을 확인하고 그 결과를 비행체 초기 설계 단계에서 공력 설계 절차에 반영하는 것이다. 축소 비행모형 설계 시 실제적 적용이 가능한 상사 법칙을 개발하기 위하여 비행체 운동을 조종안정성 상사를 위한 회전운동과 비행성능 상사를 위한 병진운동으로 분리하였다. 또한, 무선조종 모형 비행시험을 위한 세부 기법을 개발하였다. 무선조종 비행시험으로부터 얻은 결과를 기초로, 제시된 비행체 설계 접근 방법은 비행체 설계 초기 단계에서 설계 형상 타당성을 확인하는데 유용한 것으로 확인되었다.
고등훈련기급에 탑재되어 있는 전기식 비행제어계통 (digital fly-by-wire flight control system)은 통합 다기능 감지기(IMFP : Integrated Multi-Function Probe)를 이용하여 항공기의 고도/속도/받음각 정보를 획득한다. 고등훈련기에는 3개의 IMFP가 장착되어 있으며, 이는 비행제어법칙에 3중의 공기정보를 제공한다. IMFP로부터 제공된 3개의 공기 정보는 중간 값을 채택하여 보다 신뢰성 있는 정보를 비행제어법칙에 제공한다. 초음속 비행시험 결과, 초음속 영역에서 발생하는 잡음이 포함된 IMFP로 인하여 고도유지모드 자동조종장치를 작동시켰을 때, 세로축으로 진동현상이 발생하였다. 이러한 현상은 자동조종장치를 이용하여 비행을 할 경우, 항공기 안정성 및 조종성을 저해할 수 있다. 본 논문에서는 초음속 영역에서 발생하는 IMFP 잡음정보가 자동조종장치에 영향을 미치지 않도록 비행제어법칙을 설계하였으며, 제어법칙설계 및 귀환이득을 조율하여 선회비행 시에 피치자세각 유지모드를 개선하였다. 설계된 비행제어법칙은 비실시간 시뮬레이션 및 비행시험을 통하여 검증하였다.
무인항공기의 비행조종컴퓨터는 비행 안전에 필수적인 장비로써 개발 단계에서부터 신뢰성과 안전성의 확보가 필수적이며, 고장 발생 시에도 정상적으로 기능을 수행할 수 있는 다중화 기반의 고장관리 설계가 요구된다. 무인기의 경우에는 비용, 무게, 전력소모 등을 감소하기 위하여 비행조종시스템의 이중화 설계를 고려하지만, 고장관리를 위한 고장 검출 및 분리 설계에 많은 제약이 있다. 본 논문에서는 무인기용 이중화 비행조종컴퓨터의 신뢰성을 향상시키기 위한 고장 검출 및 고장 분리를 위한 고장관리 설계 방안을 제안한다. 그리고 고장관리 설계를 적용해 개발한 비행조종컴퓨터는 통합시험환경에서 기능 시험을 수행하고 HILS 환경에서 고장 영향성 확인 시험을 수행한 후 무인기에 탑재하여 비행시험을 통해 그 신뢰성을 검증하였다.
항공기 비행품질에 영향을 주는 설계분야는 크게 3가지로 항공기 형상, 조종체계 및 조종실 배치로 분류됩니다. 이들 3가지 설계분야 중에서 조정실의 운용자 인간공학적인 요구 사항을 고려하지 않으면 항공기 운용성 품질중에 3분의 1이 감소될수 있습니다 항공기를 개발할때에 개발자는 그 항공기를 운용하는 운용자의 인체, 생리, 심리, 습관 등을 고려해, 항공기 조종실의 인간공학적 최적화 설계 및 배치를 개발초기단계부터 적용해야 합니다. 항공기의 조종실의 인간공학적 최적화 설계 및 배치를 개발초기단계부터 적용해야 합니다. 항공기의 조종실 품질은 조종사가 항공기 비행 임무를 수행할 때에 항공기 비행을 위한 용이한 정보 인식, 용이한 정보 결심 및 용이한 조종의 특성을 조종사에게 제공할 때 항공기 비행 품질이 좋아질 것입니다
현대의 고성능 전투기에 탑재되어 있는 전기식 비행제어계통(Digital Fly-By-Wire Flight Control System)은 항공기 조종면의 고장으로 인해 발생할 수 있는 항공기의 안정성을 보장하기 위해 조종면 형상 재구성 모드(Control Surface Reconfiguration Mode)가 설계되어 있다. T-50 제어법칙에는 단일 조종면이 고장 났을 경우, 정상작동중인 나머지 조종면을 이용하여 항공기를 원활히 조종할 수 있도록 형상 재구성 모드가 적용되어 있다. 본 논문에서는 항공기 운용 시 발생할 수 있는 조종면 결함으로 인해 형상 재구성 모드 제어법칙이 적용되었을 경우, 착륙외장형상에서 항공기 안정성을 해석하기 위하여 선형해석(Linear Analysis)을 수행하였다 그리고 착륙에 대한 비행성(Flying Quality) 저하여부를 판단하기 위해, HQS(Handling Quality Simulator)를 이용하여 조종사 시뮬레이션을 수행하였다. 해석결과, 조종면 고장으로 인해 제어법칙이 형상 재구성 모드로 전환될 경우, 항공기의 조종성 및 비행성의 저하가 다소 발생하였지만, HQS 조종사 시뮬레이션 결과 착륙과정에서는 비행성 요구도인 Level 1을 만족할 수 있었다.
세계적으로 항공기 사고의 통계적 분석에 의하면 항공기 운용자의 인적과실(Human error)로 인한 항공기 사고가 약 70% 이상으로 보고되고 있다. 항공기 운용자의 인적과실에 기인한 요인들 중에서 운용자의 작업량, 작업공간, 작업환경, 인체크기, 인체 생리, 인간 심리 및 습관 등을 항공기 설계단계에서 고려하지 못한 요인이 대부분이다. 일반적으로 항공기 비행품질(Flying qualities)의 영향을 주는 설계분야는 크게 세가지로 항공기 형상(Configuration), 조종체계(Control system)및 조종실 배치(Cockpit layout)로 분류된다. 이들 세가지 설계분야 중에서 조종실의 운용자 인간공학적인 요구 사항을 고려하지 않으면 항공기 운용성 품질중에서 삼분의 일이 감소될 수 있다. 그리고 항공기 개발시에 전담하는 항공기 설계 분야별로 구분하고 그 전담설계 부서들과 인간공학적 조종실 설계 전담 부서가 항공기 비행 품질 및 운용자 인적과실(Human error)에 미치는 영향을 분석하고 인간공학의 중요성을 강조한다. 항공기를 개발할때에 개발자는 그 항공기를 운용하는 운용자의 인체, 생리, 심리, 습관 등을 고려 하여 항공기 조종실의 인간공학적 최적화 설계 및 배치 (Design and layout)를 개발초기단계부터 항공기를 설계할때에, 그 항공기의 조종실 품질은 조종사가 항공기 비행 임무를 수행할때에 항공기 비행을 위한 용이한 정보 인식(Sencing), 용이한 정보 결심(Deciding) 및 용이한 조종(Manipulating)의 특성을 조종사에게 제공할 때 항공기 비행 품질이 좋아질 것이다.
유무인 겸용 비행체인 OPV는 무인기 개발방법 중의 하나로 기존 유인기 운용을 통해 검증된 유인 비행체와 엔진 및 각 계통을 유지하며, 무인기 운용을 위해 필요한 부가 시스템을 장착하고, 필요에 따라 기존시스템을 수정하여 개발비용과 시간을 줄일 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 임무 및 비행조건에 따라 유인기와 무인기로 겸용하여 운용할 수 있는 장점을 가지고 있으며, 퇴역하는 유인기를 재활용하는 측면에서도 국가의 중요재원을 효율적으로 활용할 수 있는 시스템이다. 본 논문에서는 국내 최초로 개발한 고정익 OPV 비행체의 자동비행조종시스템을 중심으로 초기 중요 개발개념과 기술적 고려사항 들을 정리하였다.
본 논문에서는 20 kg급 틸트-덕트 수직이착륙 비행로봇 개발을 위한 비행체의 설계, 제작 및 시험 결과를 제시한다. 틸트-덕트 비행체는 추력발생을 위한 두 개의 메인프롭과 피치축 자세 제어를 위한 후방프롭으로 구성된다. 비행체의 추력과 자세 안정성 향상을 위해 호버와 조종성 연구에 중점을 두었다. 비행체 조종 성능 개선을 위해 메인프롭 링키지 변경에 의한 롤축 안정성 영향, 작동기 변경에 따른 자세제어 성능, 외풍에 대한 덕트 유, 무상태의 영향 및 조종면 영향을 확인할 수 있는 안전줄 시험이 수행되었다.
우천, 안개 낀 날씨 및 먼지 등에 의해 시계가 확보되지 않는 비행 환경에서의 헬리콥터의 안정성(stability) 및 비행성(flying quality)을 향상시키기 위해 모델 역변환 제어(Model Inversion Control) 방식의 전자식 비행제어시스템(Fly-By-Wire Flight Control System)의 적용은 필수적이다. 선진 항공사인 미국의 Bell-Sikorsky사와 유럽 컴소시움인 NHI(NH Industries)사는 FBW 비행제어시스템을 V-22와 NH-90의 헬리콥터 양산에 적용한 바 있다. 본 논문에서는 BO-105 모델을 기반으로 CONDUIT(Control Designer's Unified Interface)을 활용하여 제자리 비행영역에서 모델 역변환 비행제어법칙을 설계하였으며, 헬리콥터 비행조종성 국제규격인 ADS-33E-PRF을 기준으로 평가하였다. 설계된 비행제어법칙을 CONDUIT과 HETLAS(HElicopter Trim Linearization And Simulation)를 기반으로 평가한 결과, ADS-33E-PRF에서 제시하고 있는 예측 조종성(predicted handling quality) 규격에 대해 비행조종성 Level 1을 만족시킬 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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