최근 5년간 발생한 국적 항공기 사고 23건 중 헬기사고가 16건으로 전체 항공사고의 70%를 차지한다. 현재 국내에서 고정익 항공기 549대, 회전익 항공기 186대가 각각 운영(군 경찰 보유헬기 제외)되고 있음을 감안하면 회전익 항공기 사고가 훨씬 높은 편이며, 고정익 항공기 가동시간에 비하여 가동률이 매우 낮은 회전익 항공기를 고려하면 비행시간당 항공기 사고 비율은 회전익 항공기가 월등하게 높은 편이다. 또한 고정익 항공기의 평균기령은 10.9년인데 비하여 산림항공본부를 비롯한 헬기운영업체에서 운영 중인 회전익 항공기의 평균기령은 18.9년으로 회전익 항공기가 전체적으로 노후화 되어 있으나, 국적항공사에 운영 중인 노후 항공기 관리프로그램을 회전익 항공기 운영사에서는 운영하지 않고 있다. 따라서 본 연구를 통하여 노후 항공기 운영현황을 검토하여 노후 회전익 항공기 운영기준을 수립하고 노후 회전익 항공기의 정비프로그램을 정립하여 회전익 항공기의 지속감항성을 확보할 수 있는 방안과 수명주기 설정을 마련하고자 한다.
현대의 민간용 회전익 항공기는 모든 기상조건에서 비행할 수 있는 운용 능력이 요구되고 있으며 이에 따라 결빙 환경에서의 회전익 항공기 운항 안전과 인증에 대한 관심이 대두되고 있다. 또한, 항공기의 결빙은 항공기 운항 안전에 있어 가장 다루기 어렵고 위험한 요인 중에 하나이며 실제 사고의 원인이 되기도 한다. 본 연구에서는 회전익 항공기의 결빙 인증 요구조건에 대한 고찰을 수행함으로써 회전익 항공기 형식증명 시 어떻게 결빙을 입증할 것인가에 대한 제시와 함께 결빙에 대해 고려하여야 할 사항들에 대해 논하였다.
내충돌성(crashworthiness)은 항공기 추락시 탑승객을 보호할 수 있는 항공기와 그 내부 시스템 및 구성품의 성능으로 정의할 수 있다. 민간 항공 분야에서 내충돌성에 대한 체계적인 연구가 시작된 것은 1980년대로서 90년대에 이르러서야 감항 기준으로서 완성되게 된다. 항공기의 안전성과 관련된 주요 설계 요건들이 이미 50-60년대에 기본적인 틀을 갖추었다는 점을 감안하면 내충돌성과 관련된 설계 요구조건은 상대적으로 새로 운 설계 개념으로 생각할 수 있다. 본 논문에서는 회전익 항공기를 중심으로 내충돌성 확보를 위해 고려해야 할 사항을 살펴보고, 현재 민간 회전익 항공기에 적용되고 있는 주요한 내충돌성 설계기준을 소개하도록 한다.
1990년부터 14년간 총 65건의 회전익 사고가 발생하여 연 평균 4.6건의 사고가 발생하였다. 항공대국으로 안전한 수준에 이르기 위하여 회전익 항공기 사고의 잠재적 조건 선행 분석자료 및 연구결과 등을 활용하여 회전익 항공기 항공안전대책을 살펴보았다. 소방항공의 경우 인적요인이 사고 발생원인의 57%로 주 요인으로 나타났으며, 국가기관에서도 2000년 이후 사고 중에서 인적요인이 주 요인으로 인적요인이 중요한 개선대상으로 밝혀졌다. 항공안전 전문가들과 인터뷰를 실시하여 회전익 항공기의 잠재 조건에 대해 논의하였다.
본 논문에서는 회전익 유인항공기의 비행성 기준인 ADS-33E-PRF 규정을 회전익 무인항공기에 적용하기 위한 시험방법 및 절차, 그리고 데이터 분석방법에 대해서 기술하였다. 비행특성을 평가하기 위한 대상 모델은 충남대학교에서 보유한 실험용 회전익 무인항공기 CNUHELI-020이며 종/횡/방향축 선형모델을 사용하였다. 비행특성을 평가하기 위한 요구 조건은 공중 제자리비행 및 저속비행 요구조건 중 미소진폭크기 자세변화와 중간진폭크기 자세변화이며, 종/횡방향축에 대해서 공중 정지비행시 비행특성을 평가하였다. 규정에 근거한 비행성 평가결과, 대상 무인항공기는 해당 비행영역에서 대부분 Level 1의 비행성을 갖는 것으로 파악되었다.
국방과학연구소 풍동실험실에서는 회전익 항공기 개발에 소요되는 관련 풍동시험 기법의 확립과 형상연구 관련 시험자료의 확보를 위한 실험적 연구를 수행하였다. 본 연구는 회전익 항공기 동체구성품의 형상조합에 따른 항력증분과 안정성 평가를 위한 공기역학적 특성의 추출을 목적으로 하였으며, 풍동시험에는 모듈화된 1:8 축척의 회전익 항공기 동체형상과 500 rpm으로 회전하는 로터허브의 부분모형이 사용되었다. 시험결과들을 기존의 유사 항공기 시험결과들과 비교하였으며, 기존 연구결과들과 잘 부합됨을 확인하였다.
본 연구에서는 회전익 항공기의 수직 이/착륙 성능과 고정익 항공기의 고속/고효율 순항 비행 성능을 모두 가지는 Canard Rotor/Wing 항공기 최적 형상설계를 수행하였다. CRW 항공기의 특징인 로터/날개 가변 방식과 로터 회전 시 팁 제트를 통하여 회전력을 얻는 점 때문에 기존의 회전익 또는 고정익 사이징 프로그램만으로는 바로 적용이 어렵고 Reaction Driven 로터에 대한 해석 모듈의 추가와 회전익/고정익 비행 모드 해석이 혼합되어야 한다. 따라서 기존의 사이징 프로그램을 바탕으로 로터 성능, 덕트 유동, 엔진 유동 해석 코드를 연결하여 Reaction Driven 로터 성능 해석이 가능하게 하였으며, 비행체 외형상 특징과 임무별 비행특징이 반영되도록 사이징 프로그램을 개발하였다. 1500 lbs급 소형 무인기에 대하여 비행체 사이징을 수행하고 성능에 크게 영향을 미치는 설계변수를 파악하여 최적화 문제를 구성하였고 전역적 최적화 기법을 이용하여 최소 중량을 가지는 CRW 항공기의 최적형상을 도출하였다.
국내외 제조업체들은 미래 기술 수요에 발맞춰 여러 형상의 수직이착륙(VTOL) 무인항공기를 개발하고 있다. 그동안 무인항공기는 고정익/회전익으로 분류 가능한 형상으로 개발되고 그에 맞는 인증기준으로 검증이 이루어졌다. 하지만 현재 VTOL 무인항공기는 VTOL에 특화된 인증기준의 부재로 인해 감항성 검증이 제한적이다. 본 논문에서는 북대서양조약기구(NATO)의 고정익/회전익 무인항공기 인증기준 STANAG-4671 및 STANAG-4702와 유럽항공안전청(EASA)의 수직이착륙 특수기술기준(SC-VTOL)을 분석하여 VTOL 무인항공기에 적용 가능한 인증기준을 제시하였다. 이를 위해 기준 항목별로 일반/고정익/VTOL 특성 분류기준을 수립하여 분석에 활용하였다.
본 연구는 민간 회전익항공기 사고의 80% 이상이 조종과실이라는 사실과는 대조적으로, 모든 국내 회전익항공기 조종사들은 군에서 많은 경험을 가지고 민간 분야에서 종사한다는 점에서 어떤 특정한 환경적 요인이 있을 것이라는 명제를 바탕으로 연구를 시작하게 되었다. 우리는 지난 10년간 총 14건의 민간 회전익 항공기 사고가 있었다. 그중 9건 (64%)이 항공기 외부에 인양물을 매달은 채로 사고가 발생했다는 사실과 국내 외부인양물에 대한 구체적인 훈련 규정이 없다는 점을 반영하여, 우선 조종사 외부 인양물 훈련에 대한 국내외 훈련 및 자격 부여 과정을 비교 분석하였다. 그리고 조종사 훈련과 관련된 미국 연방항공청 (FAA) 파트 133 규정인 회전익 항공기(헬리콥터)를 이용한 외부화물 운송관련 법률과 국내 법률을 비교 분석하여 시사점을 도출하여 국내 상황을 적합한 외부인양물에 대한 조종사 훈련과 자격부여에 대한 대안을 제시하고자 하였다.
Li-Po 에너지 밀도의 기술적 진보의 한계로 회전익 무인항공기의 비행시간은 제한적이기 때문에, 연구원들은 회전익 무인항공기의 완전한 자율 임무 수행을 위하여 우회 해결책을 찾고 있다. 몇 가지 후보 해결책들 중, 자동 무선 충전이 가장 가능성 있고 현실적인 후보이며, 본 논문에서는 자동 무선 충전의 주요 기술인 자동 착륙 전략에 초점을 맞추고 있다. MATLAB/Simulink를 기반으로 Li-Po 배터리팩 시뮬레이터를 포함한 회전익 무인항공기 비행 시뮬레이터를 개발하였으며, 이를 통해 비행 상태 및 배터리팩 상태를 분석하였다. 이륙할 때 1,647 W의 최대 모터 출력이 발생하였고, 이때 셀 전압은 최소 3.39 V까지 감소하였다. 이는 22 Ah를 지니고 12S1P로 연결된 2개의 배터리팩이 자동 착륙 임무수행에 적합하다는 것을 나타낸다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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