선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 고받음각 비행시험결과와 비행교범에 명시되어 있는 MPO 조작 방법을 이용하여 자동으로 MPO을대신할 수 있는 APR 제어법칙을 설계하였다. APR 제어법칙을 설계 반영한 결과, 숙련된 조종사가 MPO를 조작하여 실속에서 회복하는 수준의 회복 성능을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 그림 5. APR 제어법칙 구조.
- APR 제어법칙 설계 방법은 입력 지연 필터, 증폭 이득 및 과도현상방지기의 설계 변수에 의한 항공기 실속 특성을 파악하고, 최종적으로 APR 제어법칙에 반영될 변수를 채택하였다. 설계과정 및 결과는 3-2절에 구체적으로 제시하였다.
- APR 제어법칙의 설계형상을 채택하고 비선형해석을 통하여 설계된 제어법칙을 평가하였다. 본 절에서는 HQS (Handling Quality Simulator)를 이용하여 실시간 조종사 시뮬레이션을 수행하여 APR 제어법칙을 검증하였다.
- APRe 제어법칙의 외부루프에 설계하였으며, 조종 시-가 실속을 인지하고 APR 스위치를 누르면 제어법칙에서 자동으로 항공기 세로축 운동과 일치하는 피치진동(pitch rocking) 명령을 발생시켜 항공기를 실속에서 회복시킨다.
- MPO 기능을 자동으로 대신할 수 있는 APR 제어법칙을 설계하였다. APRe 제어법칙의 외부루프에 설계하였으며, 조종 시-가 실속을 인지하고 APR 스위치를 누르면 제어법칙에서 자동으로 항공기 세로축 운동과 일치하는 피치진동(pitch rocking) 명령을 발생시켜 항공기를 실속에서 회복시킨다.
- 10. Result of HQS pilot simulation for the inverted deep stall with MPO and APR.
- 9. Result of HQS pilot simulation for the upright deep stall with MPO and APR.
- 8. Result of nonlinear simulation for the inverted deep stall with APR.
- 고받음각 제어법칙 및 항공기의 실속 회복 특성을 평가하기 위해 고받음각 비행시험을 수행하였다. 고받음각 비행시험에는 이탈저항시험(departure resistance test)와 이탈회복시험(departure recoveiy test)으로 나눌 수 있다.
- 또한, 실속 자세 선택기는 항공기의 실속자세가 직립 또는 배면인지를 판단하는 것이고, 수직가속도 제한기는 명령의 최대/최소값을 제한한다. 과도현상방지 기는 피치 각속도가 큰 상황에서 과도한 APR 조작 명령으로 인하여 회복 시점에서 직립에서 배면 또는 배면에서 직립으로 전환되는 것을 막기 위해 설계하였다.
- 해석방법은 비선형해석을 이용하여 APR 제어법칙을 적용하였을 경우에 항공기 실속 회복 특성을 파악하였다. 그리고 최종적으로 실시간 시뮬레이션을 적용하여 조종사 평가를 수행하였고, 평가항목은 3가지로 분류하였다. 첫째, APR 제어법칙을 적용하려 실속에서 회복하는 경우, 둘째, 고받음각 비행시험 경험이 있는 숙련된 조종사가 MPO 을 사용하여 실속에서 회복할 경우, 마지막으로 MPO 기능을 충분히 이해하고 비행시험 지원 경험이 있는 엔지니어가 M頂。를 사용하여 실속에서 회복할 때로 나눈다.
- 따라서 설계변수는 지연필터, 증폭이득 및 과도현상방지기로 채택하였다. 설계 방법은 먼저 지연필터에 대한효과를 분석하코 최적화된 지연필터를 선택한 후, 증폭 이득에 대한 영향성을 평가하다.
- 피치각속도의 위상과 정확하게 일치하지 않는다. 따라서 위상지연에 의한 실속 회복 특성을 분석하기 위해 지연 필터를 변경시켜 가면서 비선형해석을 수행하였다. 지연 필터의 설정은 지연필터를 사용하지 않을 경우, 5/(s+5), 3/(s+3) 및 l/(s+l)로 4가지 경우로 하였다.
- 설계 방법은 먼저 지연필터에 대한효과를 분석하코 최적화된 지연필터를 선택한 후, 증폭 이득에 대한 영향성을 평가하다. 마지막으로 지연필터와 증폭 이득을 최적화한/후, 과도현상방지기를 설계하여 최종 설계 형상을 확정한다.
- 회복을 위한 MPO 조작 기술은 비교적 간단하게 제시되어 있으나, 실속을 경험하지 못한 조종사나 학생조종사에게는 어려운 기술이다. 본 논문에서는 MPO 모드를 자동으로 대신할 할 수 있는 APR(Automatic Pitch Rocker) 제어법칙을 설계하여 비선형해석(nonlinear analysis) 및 실시간 조종사 시뮬레이션을 수행하여 항공기의 실속 회복 특성을 검증하였다.
- 본 장절에서는 설계된 APR 제어법칙의 성능을 확인하기 위하여 항공기의 대표적인 형상에서 비선형해석을 수행하였다. 항공기 형상 및 시험조건은 표 1에 정의되어 있으며, 회복 판단 기준에 대한 성능은 APR 제어법칙 작동 시점에서부터 회복까지 걸리는 시간 및 고도손실을 기준으로 하였다.
- 일반적으로 조종사가 MIP를 사용하여 피치 진동을 수행할 때, 최대의 조종면 제어 입력을 사용한다. 본 장절에서는 증폭 이득의 변화에 따른 영향성을 분석하였다. 시뮬레이션 조건은 직립 및 배면 이탈에서 지연필터를 3/(s+3)으로 고정하고, 증폭이득을 2, 3, 5 및 9로 변화시켜가면서 비선형해석을 수행하였다.
- 따라서 설계변수는 지연필터, 증폭이득 및 과도현상방지기로 채택하였다. 설계 방법은 먼저 지연필터에 대한효과를 분석하코 최적화된 지연필터를 선택한 후, 증폭 이득에 대한 영향성을 평가하다. 마지막으로 지연필터와 증폭 이득을 최적화한/후, 과도현상방지기를 설계하여 최종 설계 형상을 확정한다.
- 이러한 예는 비행시험 시에도 발생한 문제이며, 이를 방지하기 위한 제어법칙이 설계되어 있긴 하지만, 추가적으로 APR 제어 입력에 의한 과도현상을 방지하기 위해 과도현상방지기를 설계하는 것이 바람직하다. 시뮬레이션 조건은 직립 및 배면 이탈에서 지연 필터를 3/(s+3) 및 증폭이득을 7로 고정하고, 과도현상방지기에 적용하게 될 피치각속도 기준을 15, 25, 35 및 45 deg/sec로 변화시켜가면서 비선형해석을 수행하였다.
- 본 장절에서는 증폭 이득의 변화에 따른 영향성을 분석하였다. 시뮬레이션 조건은 직립 및 배면 이탈에서 지연필터를 3/(s+3)으로 고정하고, 증폭이득을 2, 3, 5 및 9로 변화시켜가면서 비선형해석을 수행하였다.
- 시험영역은 표 1과 같이 고도 35kft에서 배면 및 직립 이탈 상태로 설정하였으며, 무게 중심(CG: Center of Gravity) 의 위치는 직립 이탈 시에는 45% MAC(Mean Aero-dynamic Chord), 배면 이탈 시에는 41% MAC로 하여 초기 항공기의 상태를 실속에 진입시켰다.
- 그러므로 조종면 효과가 적은 고받음각에서 가로축 명령에 의해 발생하는 미끄럼 각을 보상하기 위하여 큰 수직꼬리날개의 변위가 요구되어 수직꼬리 날개는 포화(rudder saturation)상태에 도달하게 된다. 이러한 포화를 방지하기 위하여 가로축 명령 제 한기를 설계하여 수직꼬리날개 변위에 따라 가로축 명령을 감소시키는 제한기를 설계한다. 이때, 수직꼬리날개의 최대 변위에서 최소한의 가로축 명령을 보장하기 위하여 20%의 여유를 남겨둔다.
- 직립이탈(upright departure)은 받음각이 35。이상일 경우를 정의하며, 가로-방향축 조종사 명령 및 귀환루프는 끊어지고 요우각속도 귀환을 이용하여 수직꼬리날개, 비대칭 수평꼬리날개 및 플레퍼론을 직접 구동한다. 배면이탈(inverted departure)은 받음각 -10°, 속도 170 knots 이하일 경우를 정의하며, 가로-방향축 조종사 명령은 작동하지만 귀환 루프는 끊어지며, 요우각속도 귀환을 이용하여 수직꼬리날개를 직접 구동한다.
- 엔지니어를 시험 대상에서 고려한 이유는 비행시험에 가담하지 않는 대부분의 조종사는 실속을 경험하지 못했고 단순히 교범에 명시되어 있는 MPO를 이용한 회복 조작을 숙지하고 있기 때문에 이러한 영향성을 파악하기 위함이다. 평가 기준은 M僅O를 사용하여 실속에서 회복한 두 가지 경우에 대한 실속 시간과 고도손실을 기준으로 하여 APR를 적용하였을 경우와 비교 분석한다.
- 본 절에서는 HQS (Handling Quality Simulator)를 이용하여 실시간 조종사 시뮬레이션을 수행하여 APR 제어법칙을 검증하였다. 평가 방법은 3가지로 세분화하였다. 첫째, APR 제어법칙을 이용하여 실속에서 회복하는 경우, 둘째, 고받음각 비행시험 경험이 있는 숙련된 조종사가 MPO를 사용하여 실속에서 회복할 경우, 셋째, MPO 작동원리를 숙지하고 있는 고 받음각 비행시험 담당 엔지니어가 MPO를 사용하여 실속에서 회복하는 경우로 하였다.
- 항공기 형상 및 시험조건은 표 1에 정의되어 있으며, 회복 판단 기준에 대한 성능은 APR 제어법칙 작동 시점에서부터 회복까지 걸리는 시간 및 고도손실을 기준으로 하였다. 그리고 회복시점을 직립일 경우에는 받음각 35deg 이흐}, 배면일 경우에는 -lOdeg 이상으로 하였다.
- 설계과정 및 결과는 3-2절에 구체적으로 제시하였다. 해석방법은 비선형해석을 이용하여 APR 제어법칙을 적용하였을 경우에 항공기 실속 회복 특성을 파악하였다. 그리고 최종적으로 실시간 시뮬레이션을 적용하여 조종사 평가를 수행하였고, 평가항목은 3가지로 분류하였다.
이론/모형
- 설계된 제어법칙을 평가하였다. 본 절에서는 HQS (Handling Quality Simulator)를 이용하여 실시간 조종사 시뮬레이션을 수행하여 APR 제어법칙을 검증하였다. 평가 방법은 3가지로 세분화하였다.
성능/효과
- 1. APR을 사용할 경우, Recovery 시점에서 초과 현상이 적게 발생하여 M伊O을 사용할 때 보다 받음각이 안정화된다. 따라서 실속에서 회복 후, 기동에 대한 조종성 (Handling Qality) 이 좋다.
- 2. 운중이나 시정이 좋지 않을 경우, APR을 사용한다면 MPO를 사용할 때 보다 더욱 더 효과적이다.
- 3. 회복 시에 발생하는 받음각 초과 현상은 직립에서 배면 혹은 배면에서 직립으로 전환되어 회복이 지연되는 현상을 발생시킬 수 있다. 이러한 현상은 조종사의 피치 진동입력에 의해 발생한다.
- 수 있는 APR 제어법칙을 설계하였다. APR 제어법칙을 설계 반영한 결과, 숙련된 조종사가 MPO를 조작하여 실속에서 회복하는 수준의 회복 성능을 확인할 수 있었다. 따라서 APR 제어법칙은 실속에 진입 시에 조종사의 부담을 줄이고, 항공기의 안전성을 증가시켜 줄 것으로 판단한다.
- 그리고 피치각속도를 넓은 범위까지 허용할 경우, 회복 특성은 동일하였으나 과도하게 설정할 경우에는 (+) 받음각 쪽으로 초과 현상이 발생하여 직립이탈로 전환될 수 가능성이 있었다. 과도현상방지기의 영향성에 대해 비선형해석을 수행한 결과, 직립이탈의 경우에는 피치각속도를 35deg/sec, 배면 이탈의 경우 피치각속도를 40deg/sec 이상에서는 APR 명령을 제한하는 것이 최적화된. 실속 회복특성을 갖는 것으로 나타났다.
- 68초, 고도 손실은 2834R로 직립 이탈보다 소요되는 시간이 많았다. 그리고 APR을 이용하여 회복할 경우에 평균 소요되는 회복시간은 12.45초로 0.77초 많이 소요되었다. 엔지니어가 MPO를 이용하여 수행했을경우, 회복 시간이 적게 소요되었다.
- 7ft이다. 그리고 APR을 이용하여 회복할 경우에 평균 소요되는 회복시간은 4.92초로 0.4초 적게 소요되었다. 엔지니어가 MTO를 이용하여 수행했을 경우, F10 및 F12에서는 회복 시간이 적게 소요되었으나, F11 형상에서 과도 조작으로 인하여 배면이탈로 전환되는 문제점이 발생하였다.
- 그리고 과도현상방지기는 직립이 탈의 경우에는 피치각 속도를 35deg/sec, 배면이탈의 경우에는 40deg/sec 이상에서 APR 제어법칙이 작동하지 않도록 제한하는 것이 최적화된 실속 회복특성을 갖는 것으로 나타났다.
- 그러나 MPO를 이용한 회복 조작에 대한 지침은 간략하게 정의할 수 있으나, 숙련되지 않는 조종사나 학생조종사에게는 비상상황에서 부담으로 작용할 수 있다. 그리고 비행시험 결과에서 볼 수 있듯이 MPO 조작의 결과가 지침서에서 제시하고 있는 것처럼 이루어지지 않는다는 것을 볼 수 있다. 따라서 제어법칙이 자동으로 MPO와 같은 조작을 할 수 있는 APR 제어법칙은 비상상황에서 조종사의 부담을 덜어줄 수 있으며, 규칙화된 조작을 할 수 있음으로 항공기가 보다 더 쉽게 실속에서 회복할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이 늦게 수렴되는 경향성이 있었다. 그리고 피치각 속도를 넓은 범위까지 허용할 경우, 회복 시점에서 직립에서 배면으로 전환되어 회복하지 못하는 경향성이 나타났다. 배면 이탈에서는 피치각속도를 좁은 범위까지 허용할 경우, APR 입력에 의해 받음각이 진동하면서 회복하지 못하였다.
- 배면 이탈에서는 피치각속도를 좁은 범위까지 허용할 경우, APR 입력에 의해 받음각이 진동하면서 회복하지 못하였다. 그리고 피치각속도를 넓은 범위까지 허용할 경우, 회복 특성은 동일하였으나 과도하게 설정할 경우에는 (+) 받음각 쪽으로 초과 현상이 발생하여 직립이탈로 전환될 수 가능성이 있었다. 과도현상방지기의 영향성에 대해 비선형해석을 수행한 결과, 직립이탈의 경우에는 피치각속도를 35deg/sec, 배면 이탈의 경우 피치각속도를 40deg/sec 이상에서는 APR 명령을 제한하는 것이 최적화된.
- APR 제어법칙을 설계 반영한 결과, 숙련된 조종사가 MPO를 조작하여 실속에서 회복하는 수준의 회복 성능을 확인할 수 있었다. 따라서 APR 제어법칙은 실속에 진입 시에 조종사의 부담을 줄이고, 항공기의 안전성을 증가시켜 줄 것으로 판단한다.
- 엔지니어가 MPO를 이용하여 수행했을경우, 회복 시간이 적게 소요되었다. 따라서 APR을 이용할 경우, 비행시험 조종사가 MPO를 사용할 경우를 기준으로 하여 ±10% 범위내의 회복 소요시간을 나타내었다.
- 이러한 현상은 조종사의 피치 진동입력에 의해 발생한다. 따라서 MPO를 이용한 피치 진동입력에 많은 변수가 있다는 것을 의미함으로 정형화된 출력을 생성할 수 있는 APR 제어법칙을 사용한다면 항공기를 실속에서 회복시키는데 MPO보다 효과적이다.
- 그리고 비행시험 결과에서 볼 수 있듯이 MPO 조작의 결과가 지침서에서 제시하고 있는 것처럼 이루어지지 않는다는 것을 볼 수 있다. 따라서 제어법칙이 자동으로 MPO와 같은 조작을 할 수 있는 APR 제어법칙은 비상상황에서 조종사의 부담을 덜어줄 수 있으며, 규칙화된 조작을 할 수 있음으로 항공기가 보다 더 쉽게 실속에서 회복할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그리고 l/(s+l)을 적용하였을 경우에는 회복이 지연되는 경향성이 있었다. 따라서 지연필터의 영향성에 대해 비선형해석을 수행한 결과, 직립이탈의 경우에 3/(s+3)이 회복 시간과 회복 후에 받음각 특성이 적절하였고, 배면이탈의 경우에는 받음각 초과가 다소 적게 발생하고 회복 시간이 적절한 3/(s+3)이 적절한 것으로 판단된다.
- 엔지니어가 MTO를 이용하여 수행했을 경우, F10 및 F12에서는 회복 시간이 적게 소요되었으나, F11 형상에서 과도 조작으로 인하여 배면이탈로 전환되는 문제점이 발생하였다. 배면이탈 조건에서 비행시험 조종사가 MPO를 이용하여 회복을 수행할 경우에 평균 소요되는 회복시간은 11.68초, 고도 손실은 2834R로 직립 이탈보다 소요되는 시간이 많았다. 그리고 APR을 이용하여 회복할 경우에 평균 소요되는 회복시간은 12.
- 표 5는 시험 조건에서 비선형해석을 수행한 결과를 나타낸다. 비선형해석 결과, 배면이탈에서 회복하는 시간이 직립이탈에서 회복하는 시간보다 2배 이상 소요되었고, F11 형상에서 회복시간이다소 길었다. 직립이탈에서 회복에 걸린 최대 시간은 6.
- 7sec, 고도 손실은 3294ft였다. 비선형해석 결과에서 볼 수 있듯이 조종사가 실속을 인지하고 APR 제어법칙을 작동시키는 것을 감안하며, 회복 시의 고도 손실은 요구도를 충분히 만족하는 것으로 나타났다.
- F10D1 형상은 CAT 2의 대표적인 비대칭 형상으로 그림 6 에서 5번 장착위치에 15이bs 연료탱크, 7번 위치에 AIM-9를장착하고 있는 형상이다. 비행 시험 결과, 항공기가 이탈에 진입 시에 조종사의 적절한 MPO 조작으로 항공기를 이탈에서 안정하게 회복시킬 수 있었다. 그림 3은 배면 이탈 비행시험 시에 항공기가 깊은 실속이 진입하였던 사례이다.
- 같다. 시험 비행조종사가 MP0를 이용하여 실속에서 회복 시에 소요되는 시간에 대비하여 APR를 사용할 경우에는 +10% 범위 내에서 실속에서 회복할 수 있었다. 또한, 시험 비행 조종사는 APR를 사용할 경우 아래와 같은 장점이 있다고 하였다.
- 과도현상방지기의 영향성에 대해 비선형해석을 수행한 결과, 직립이탈의 경우에는 피치각속도를 35deg/sec, 배면 이탈의 경우 피치각속도를 40deg/sec 이상에서는 APR 명령을 제한하는 것이 최적화된. 실속 회복특성을 갖는 것으로 나타났다.
- 배면이탈의 경우에는 증폭이득의 변화에 따라서 회복 특성의 차이가 많이 발생하였다. 이득이 작을 경우에는 회복시간이 2배로 증가하는 문제점이 발생하였고, 일부 형상에서는 회복을 하지 못하는 경향성이 있었다. 그리고 이득이 5 이상일 경우에는 회복 특성이 동일하였고 회복시간도 빨랐다.
- 그리고 이득이 5 이상일 경우에는 회복 특성이 동일하였고 회복시간도 빨랐다. 증폭이득의 영향성에 대해 비선형해석을 수행한 결과, 5 이상에서 10 이하의 이득을 사용할 경우, 직립 및 배면이탈 시에 회복 특성은 동일하였다. 따라서 증폭이득은 7정도로 결정하였다.
- 나타낸다. 직립 상태에서 M伊O를 이용하여 실속에서 회복할 경우, MPO를 사용하였을 때, 초과 현상이 발생하는 경향성이 있었다. 그림 11은 F11 형상에서 직립 실속에 대한 시뮬레이션 결과로 엔지니어 조종사가 MPO를 사용하여 실속에서 회복하는 HQS 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
- 평가 방법은 3가지로 세분화하였다. 첫째, APR 제어법칙을 이용하여 실속에서 회복하는 경우, 둘째, 고받음각 비행시험 경험이 있는 숙련된 조종사가 MPO를 사용하여 실속에서 회복할 경우, 셋째, MPO 작동원리를 숙지하고 있는 고 받음각 비행시험 담당 엔지니어가 MPO를 사용하여 실속에서 회복하는 경우로 하였다. 엔지니어를 시험 대상에서 고려한 이유는 비행시험에 가담하지 않는 대부분의 조종사는 실속을 경험하지 못했고 단순히 교범에 명시되어 있는 MPO를 이용한 회복 조작을 숙지하고 있기 때문에 이러한 영향성을 파악하기 위함이다.
후속연구
- 결론적으로 APR을 사용한다면, 실속을 경험하지 못한 조종사 및 학생 조종사에게 부담을 줄일 수 있음으로 비행안정성 확보 차원에서 효과적이고, 정형화된 입력으로 조종사의 조작 실수에 의한 위험성을 줄일 수 있을 것으로 예상한다.
- 조작할 경우에 작동을 한다. 따라서 본 제어법칙은 조종사가 실속을 인지해야 함으로 무인화 전투기에 적용하는 것은 한계가 있다. 따라서 제어법칙이 자동으로 실속 상황을 인지하고 APR 제어법칙을 작동시키는 알고리즘이 필요하다.
- 회복하는 알고리즘을 연구할 것이다. 또한 실속에서 회복 후에 자동으로 lg 수평비행으로 회복할 수 있는 수평 회복 장치 (ARS : Automatic Recovery System)를 설계하여 항공기 안전성을 보다 더 향상 시킬 수 있을 것으로 예상한다.
- 추후, 유인 및 무인기에 적용하기 위해 실속 상황을 정확하게 인지하는 자동실속팀■지(ASD : Automatic Stall Detection) 알고리즘을 구현하여, 본 APR 제어법칙과 연동 시켜 제어법칙이 항공기의 실속을 인지하고 APR을 작동시켜 실속에서 회복하는 알고리즘을 연구할 것이다. 또한 실속에서 회복 후에 자동으로 lg 수평비행으로 회복할 수 있는 수평 회복 장치 (ARS : Automatic Recovery System)를 설계하여 항공기 안전성을 보다 더 향상 시킬 수 있을 것으로 예상한다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.