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문제 정의
- 지상치구 자체의 관성모멘트(MOI : Moment of Inertia)가 매우 커서 실제 호버 비행과는 상당히 차이가 있다. 따라서 호버링 콜렉티브 피치각(TO)과 안정성증대장치 이득에 대한 지상치구의 영향성을 제거하기위한 목적으로 안전줄 호버시험을 수행하였다[4].
- 본 논문은 비행시험에 대비하여 지상에서 수행한 최종 안전줄 호버 시험에 대해 서술하였으며, 최종 안전줄 호버 시험결과가 비행시험을 수행하기에 충분한 호버 비행특성과 시스템 안정성을 갖추고 있음을 검증하였다. 지상치구 시험 및 안전줄 호버 시험을 통하여 조종사와 설계자는 국내 최초로 실행될 틸트로터기의 비행시험에 대한 경험을 미리 축적할 수 있는 계기가 되었다.
- 본 논문은 스마트무인기의 비행특성을 검증하기 위해 개발된 축소형 틸트로터기의 안전줄 호버시험에 대해 서술하고, 그 결과를 도시하였다. 안전줄 호버 시험에 앞서 수행된 지상치구 시험 중 수정된 이득은 과도한 관성모멘트의 영향을 받으므로 안전줄 호버 시험 결과를 이용하여 다시 수정하였다.
제안 방법
- 수행되었다. Fig. 2와 같이 행거 천정의 크레인에 등산용 로프(안전줄)를 이용하여 축소기를 매달았으며, 안전줄을 고정시키기 위해 Fig. 3과 같은 인양 연결 장치를 고안하여 중앙기어박스위에 부착하였다.
- 큰 범위로 변화시키게 된다. 따라서 나셀 천이 각에 대한 로터거버너의 콜렉티브 피치각 변위를 제한하기 위해서 나셀천이 각에 따라 요구되는 콜렉티브 피치각을 미리 스케줄링해서 외부에서 더해주도록 설계하였다.
- 또한 RPM 센서의 고장에 대비해서 적정 RPM 범위를 벗어나는 경우에도 로터거버너가 작동하지 못하도록 하였다. 따라서 로터거버너의 작동/정지에 따른 갑작스런 로터하중의 증가/감소를 방지하기 위해 서로 터 거버너 작동/정지 스위치에 0.5초의 시상 수를 갖는 지연필터를 추가하여 2초 동안 부드럽게 작동/정지하도록 하였다.
- 안전줄 호버 시험은 안전줄에 장력이 걸리지 않은 조건에서 수행되므로, 실제 호버 비행특성과 동일하다. 따라서 안전줄 호버 시험을 통해 수정된 이득으로 호버 비행특성을 개선하였다.
- 경우만 작동하도록 설계되었다. 또한 RPM 센서의 고장에 대비해서 적정 RPM 범위를 벗어나는 경우에도 로터거버너가 작동하지 못하도록 하였다. 따라서 로터거버너의 작동/정지에 따른 갑작스런 로터하중의 증가/감소를 방지하기 위해 서로 터 거버너 작동/정지 스위치에 0.
- 따라서 안전줄 시험을 통해 롤 축 안정성 증대 장치 이득을 증가시켰다. 또한 롤 반응과 함께 즉방향 병진운동이 동시에 발생하여 가로축 싸이 클릭 혼합기 이득을 감소시킨 후 안전줄 호버 시험을 다시 수행하였다.
- 이로 인해 안전줄이 항상 팽팽해져서 로터에 감기는 위험을 줄일 수 있었다. 또한 만일의 사태에 대비하기 위해서 시험자가 줄을 손으로 당길 수 있도록 하였다. 시험이 진행되는 동안 무게추에 의해 안전줄이 항상 팽팽하게 유지되는 것이 확인되어 시험자가 안전줄을 잡아당길 필요가 없었다.
- 로터거버너는 엔진출력이 낮은 조건에서는 일정 속도를 유지할 필요가 없으므로, 조종사의 수직축(콜렉티브 피치 또는 스로틀)명령이 25% 이상인 경우만 작동하도록 설계되었다. 또한 RPM 센서의 고장에 대비해서 적정 RPM 범위를 벗어나는 경우에도 로터거버너가 작동하지 못하도록 하였다.
- 비행시험을 수행하기에 앞서 비행체와 비행 제어 시스템의 안정성을 점검하기 위해 4자 유도를 갖는 지상치구를 사용하여 지상시험을 수행하였다. 지상치구 자체의 관성모멘트(MOI : Moment of Inertia)가 매우 커서 실제 호버 비행과는 상당히 차이가 있다.
- 수행한다[5]. 비행체 및 비행제어 시스템의 안전성이 충분히 검증된 이후에 안전줄을 제거 후 자유 호버 비행을 수행한다. 유인기의 경우 안전줄을 매달기 위해 대형 크레인을 동원하거나, 또는 지면에 3점 고정 포인트에 안전줄을 매달아서 자세운동이 발산하지 않도록 제한하기도 한다.
- 2]. 실물기의 비행시험에 앞서 틸트로터 항공기의 비행특성을 사전에 파악하고, 비행시험의 경험을 축적하기 위해서 40% 축소형 비행체를 개발하였다. 틸트로터기의 가장 기본적인 제어기 인 로터 거버너와 안정성증대장치 (SAS : Stability Augmentation System), 조종면 혼합기를 축소기에 탑재하였다.
- 도시하였다. 안전줄 호버 시험에 앞서 수행된 지상치구 시험 중 수정된 이득은 과도한 관성모멘트의 영향을 받으므로 안전줄 호버 시험 결과를 이용하여 다시 수정하였다. 안전줄 호버 시험은 안전줄에 장력이 걸리지 않은 조건에서 수행되므로, 실제 호버 비행특성과 동일하다.
- 초기의 안전줄 호버 시험에서 발생했던 롤 축 민감성을 해소하기 위해서 아래와 같이 제어이득을 수정하여 안전줄 호버 시험을 수행하였다.
- 자세제어기와 고도/속도 유지모드 등 외부루프는 추후 추가적으로 탑재할 예정이어서 이번 시험에서는 제외하였다. 축소형 틸트로터기는 간략형 비행제어컴퓨터(FCC) 를 탑재하고, Xbow사의 검증된 상용센서를 적용하였으며, 무선조종 (R/C) 에서 사용된 서보모터를 사용하여 비행 제어 시스템을 구성하였다.
- 틸트로터 항공기는 좌우의 로터추력의 민감성으로 인해 회전익 모드에서 롤과 요 축에 불안정성을 가지며' 안정성증대장치(SAS)가 없으면 수동비행이 불가능하다' 스마트무인기에는 Fig. 6과 같은 각속도 안정성증대장치를 피치, 롤/ 요 축에 대해 모두 설계하였으며' 축소기의 경우 제어기구조의 단순화를 위해 나셀각에 대해 이득 스케줄링을 하였다 고속비행에서의 정상선회 (Coordinated Tum)를 위해 나셀각 70도 이하에서는 요축에 Washout 필터를 추가하였다.
- 안전줄 호버 시험은 안전줄이 로터에 걸리지 않도록 적절히 당겨주기만 하면, 장력이 전무한 상태에서 호버 비행조건과 동일하게 만들어 줄 수 있다. 한편 죽소기의 안전줄 호버 시험을 위해 줄의 무게에 해당하는 만큼의 알루미늄 고리가 느슨해진 안전줄을 자연적으로 천정으로 당겨지도록 고안하였다.
- 4 에 도시하였다. 호버 고도는 초기에 2m에서 시작해서 시험이 진행되는 동안 고도를 계속 증가하여 5m고도까지 상승시켜 안전줄 호버 시험을 수행하였다. 호버링 중 고도를 유지하는 동안 추력 명령(Xcol)을 50% 이상 사용하였으며, 지상치구시험의 정상상태 호버링 결과와 유사하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서 사용된 기호는 Table 1에 수록하였으며, Prouty의 헬리콥터 교과서[기에 적용된 기호를 사용하였다.
- 축소형 항공기의 안전줄 호버 시험은 고흥에 위치한 항공기 시험동 행거 내에서 수행되었다. Fig.
- 실물기의 비행시험에 앞서 틸트로터 항공기의 비행특성을 사전에 파악하고, 비행시험의 경험을 축적하기 위해서 40% 축소형 비행체를 개발하였다. 틸트로터기의 가장 기본적인 제어기 인 로터 거버너와 안정성증대장치 (SAS : Stability Augmentation System), 조종면 혼합기를 축소기에 탑재하였다.
이론/모형
- 각속도 안정성증대장치와 로터 거버너 이득은 유인 틸트로터 항공기인 XV-15의 수학적 모델 [3]을 토대로 개발된 스마트무인기의 비선형 시뮬레이션 프로그램을 기준으로 설계되었다.
성능/효과
- 1) 좌우 비대칭 추력으로 인한 우측 롤 쏠림 현상은 롤 트림에 의해 쉽게 상쇄되었으며, 롤 트림 인가 후 롤 축 조종명령 크기도 좌우 구분 없이 충분한 것으로 판단된다.
- 2) 롤 죽 이득 수정 후 롤 죽 반응은 매우 안정화되었으며, 피치 축과 요 축도 동시에 향상되었다.
- 3) 피치, 롤, 요축 반응은 기존의 무선조종(R/C) 비행체보다 안정하고, 조종성도 우수하다.
- 4) 안전줄 호버 시험은 자유 호버 비행과 매우 비슷한 조건이기 때문에 비행시험시 호버특성도 매우 우수한 특성을 보일 것으로 기대된다.
- 14에 도시하였다. 기존이득을 사용했을 때 보다 피치축의 반응이 매우 안정화되었으며, 롤 축의 각속도 반응도 절반이하로 감소한 것을 알 수 있다.
- 다행히 비행제어 시스템의 안정성으로 인해 안전줄 시험동안 고장이 발생하지는 않았지만, 안전줄 호버 시험 소티 사이의 지상점검 중 발생한 지상 통제장치의 시스템 다운이 안전줄 호버 시험 중 발생했을 경우에도 안전한 대비책이 될 수 있었을 것으로 판단된다. 안전줄 호버 시험시 발생했던 지상통제장치의 오류는 메모리 접근에 대한 보호로직을 추가하여 해결하였다.
- 안전줄 시험 중 안전줄이 로터에 걸리지 않도록 줄을 팽팽하게 유지해주어야 한다. 이번 안전줄호버 시험에서는 안전줄의 무게에 해당하는 만큼의 알루미늄 고리를 줄에 매달아 자연적으로 줄이 당겨지도록 고안하였으며, 시험을 통해 안전성과 유용성이 검증되었다.
- 11에 도시하였다. 조종사가 기수의 방향을 돌리기 위해 요 명령을 입력한 후, 롤 축 민감도에 의해 순간적으로 호버 상태를 벗어났으며, 롤 축에 의해 교란된 피치나 요축의 반응이 제한적으로 나타났지만, 안정성증대장치에 의해 빠르게 수렴하였다, 이에 비해 롤 축은 각속도의 반웅이 조종명령보다 더 크게 발생했으며, 보상이 빨리 되지 않았다. 그 이유는 지상치구 시험시 롤 각속도 안정성증대장치 이득(Kp)에 의해 우측로터에 약한 구조진동이 발생하여 이를 50%로 감소시켰기 때문에 롤 축 보상이 제대로 되지 않은 것이다.
- 후에 요축 명령을 입력하였다. 피치 축과 요 축의 비행특성은 안정화되어 있었으며, 별도의 이득 튜닝이 필요하지 않았다. 모든 호버 시험동안 피치 자세각의 변위는 ±10º이내를 유지하였으며, 요축의 보상명령은 필요하지 않았다.
- 롤 축의 이득증가로 인해 조종사의 롤 축과 피치 축 보상명령이 감소하였다. 피치축의 이득은 이전과 동일하지만, 롤 축의 이득증가로 인해 피치 축의 안정성 증가가 뚜렷하게 나타났다. 최대 피치, 롤, 요 각속도는 모두 10 deg/sec 이내로 감소하였다.
후속연구
- 안전줄 호버 시험을 통해 검증된 축소형 틸트로터기를 이용하여 나셀 천이비행이 포함된 비행시험을 수행할 예정이다.
- 축소형 무인기의 비행운용 프로그램 (OFP : Operational Flight Program) 에는 틸트로터 항공기의 가장 핵심적인 제어기인 로터거버너와 안정성 증대 장치 (Stability Augmentation System), 그리고 조종면 혼합기(Control Surface Mixer)가 탑재되었다. 자세제어기와 고도/속도 유지모드 등 외부루프는 추후 추가적으로 탑재할 예정이어서 이번 시험에서는 제외하였다. 축소형 틸트로터기는 간략형 비행제어컴퓨터(FCC) 를 탑재하고, Xbow사의 검증된 상용센서를 적용하였으며, 무선조종 (R/C) 에서 사용된 서보모터를 사용하여 비행 제어 시스템을 구성하였다.
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