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문제 정의
- 따라서 불안정하게 설계된 무인전투기가 실속에 진입 시, 자동으로 항공기를 안전하게 회복시킬 수 있는 비행제어법칙의 개발이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 고성능 전투기에서 제공하고 있는 MP0 조작 기술을 참고로 하여 항공기가 실속에 진입 시에 자동으로 안전한 비행영역으로 회복할 수 있도록 하는 비행제어법칙인 APRS (Automatic Pitch Rocker System)을 개발하였다. 그리고 설계된 비행제어법칙은 실시간 평가환경인 HQS (Handling Quality Simulator)에 적용하여 실시간 조종사 평가 (real-time pilot evaluation)를 수행하여 검증하였다.
- 회복시키기 위한 제어법칙의 설계가 필요하다. 본 논문에서는 실속회복을 위한 제어법칙 및 항공기를 안전한 고도 및 속도로 회복시키기 위한 시스템을 고려하여 APRS를 설계하였다.
- 시험영역 및 기동 방법은 16戚 비행영역에서 직립 및 배면상태에서 항공기를 실속에 진입시켜, 실속에서 회복한 후에 항공기의 자세, 고도 및 속도회복 특성을 평가하였다. 본 절에서는 F11 형상에서 수행한 결과를 대표적으로 도시하였다.
제안 방법
- 7. Result of real-time pilot evaluation for the inverted deep stall with MPO and APRS.
- 고받음각 제어법칙 및 항공기의 실속 회복특성을 평가하기 위해 고받음각 비행시험을 수행하였다. 고받음각 비행시험에는 이탈저항시험(departure resistance test)과 이탈회복시험(departure recovery test)으로 나눌 수 있다.
- 또한, 실속 자세 선택기는 항공기의 실속자세가 직립 또는 배면인지를 판단하는 것이고, 수직가속도 제한기는 명령의 최대/최소값을 제한한다. 과도현상방지기는 피치각속도가 큰 상황에서 과도한 실속회복 조작 명령으로 인하여 회복시점에서 직립에서 배면 또는 배면에서 직립 상태로 전환되는 것을 방지하기 위해 설계하였다.
- 10° 이하의 비행경로각으로 항공기가 비행중일 경우에는 목표 속도를 280knots로 하였다. 그리고 비행경로각이 10° 이싱■에서 90° 미만에서는 목표속도를 280knots에서 300knots 사이로 스케줄링 하였다. 스케줄링 된 값은 식 (5)에 제시되어 있는 제한기 및 지연필터를 통과하여 최종적으로 그림 5에 제시된 것과 같이 추력 증분 뗭령(delta PLA command)을 생성한다.
- 이 때, 공군 및 고받음각 비행시험을 담당하고 있는 엔지니어 조종사가 MPO를 사용하여 회복할 경우와 APRS를 사용하여 회복할 경우를 비교 평가하였다. 둘째, 1아女 영역에서 실속 진입하여 회복 후에 항공기가 비정상적인 자세, 고도 및 속도를 회복할 수 있는지를 평가하였다. 평가방법으로 HQS를 이용한 실시간 조종사 평가를 수행하였다.
- 이때, APRS를 이용하여 자동으로 회복 조작을 수행하여 항공기를 실속에서 회복시킬 수 있음으로 조종사의 부담을 줄이고 항공기의 안정성을 높일 수 있다. 따라서 MP0 기능을 자동으로 대신할 수 있는 시스템을 설계하였다. 위의 시스템은 비행제어법칙의 외부루프에 설계하였으며, 조종사가 실속을 인지하고 작동스위치를 누르면 비행 제어법칙에서 자동으로 항공기 세로축 운동과 일치하는 피치 진동(pitch rocking) 명령을 발생시켜 항공기를 실속에서 회복시킨다.
- 그리고 조종사는 항공기가 200knots 정도의 속도를 얻었을 때, 기수를 당겨 고도 및 자세 회복을 수행한다. 따라서 작동시점을 항공기가 200 knots 이상의 속도로 증속되고, 받음각이 감소되어 제어법칙 측면에서 이탈(departure)로 간주하지 않는 시점에서 작동시키도록 설계하였다. 본 영역에서는 수평상태로 롤을 회복한 후에 기수숙임 또는 들기 회복명령으로 피치 자세 각을 줄여 회복 고도에 따라 상승 혹은 1-g 수평비행으로 회복한다.
- 일반적으로 고받음각 영역에서는 흡입구 주위의 공기 흐름의 불안정성으로 인해 최대 추력을 사용하지 않는다. 따라서 추력의 제한치는 항공기의 최대추력(after burner)을 사용하지 않는 범위에서 설정하였다. 최종적으로 추력 증분 명령은 조종사의 추력제어기(throttle) 명령에 더해져서 최종적인 추력 명령을 항공기에 인가한다.
- 그리고 비행경로각이 5° 이하일 경우에는 롤각에 따른 피치회복명령의 입력 시기를 앞당겨서 피치회복을 빨리 수행함으로써 고도 손실을 최소화 하였다. 또한, 고도의 함수로 스케줄링을 함으로써 회복에 따른 고도 손실을 고려하였다. 식 (3)은 고도와 롤 각에 따른 피치회복명령의 입력 시기를 나타낸다.
- 본 논문에서는 고등훈련기급 항공기의 고받음각 비행시험 결과와 비행교범에 명시되어 있는 MPO 조작 방법을 이용하여 자동으로 MPO을 대신하여 실속에서 회복하고, 실속에서 회복 후에 안전한 영역으로 비행을 할 수 있도록 APRS를 설계하였다. 설계된 비행제어법칙은 실시간 평가환경에 적용하고 실시간 조종사 평가를 통해 검증하였다.
- 본 절에서는 HQS를 이용하여 실시간 조종사 평가를 수행하여 실속회복 특성을 검증하였다. 평가방법은 3가지로 세분화하였다.
- 특성을 평가한 결과를 나타낸다. 비행경로각이 10도이하임으로 APRS를 작동시키면 목표속도인 280knots를 맞추기 위해 ATCS를 이용하여 추력증분을 계산하여 추력 장치의 위치에 따른 추력 값(throttle pos.)에 더하여 최종의 추력 값0LA)을 항공기에 인가한다. 초기에 트림 추력 값에서 목표속도에 도달하기 위해서 추력증분을 증가시켜 속도를 200knots에서 280knots까지 증속시킨 후, 목표속도를 유지한다.
- 식 (3)은 고도와 롤 각에 따른 피치회복명령의 입력 시기를 나타낸다. 설계 개념은 1아澄 이하에서는 롤각이 ±90° 이내일 때, lOkft와 20kft 사이에서는 선형적으로 스케줄링하고 20kft 이상일 경우에는 ±30° 이내일 때 피치회복을 시작함으로써 고도손실을 고려하여 항공기가 안전하게 회복할 수 있도록 설계하였다. 피치 회복명령은 식 (1) 및 (2)과 같이 비행경로 각에 따라 설계하였는데, -30° 이하와 같은 깊은 비행경로 , 각으로 하강 중일 경우에는 7-g 기수 들기 명령을 적용하여 고도 손실을 최소화하였고, 비행경로각이 40° 이상과 같이 상승중일 경우에는 -1.
- 설계하였다. 설계된 비행제어법칙은 실시간 평가환경에 적용하고 실시간 조종사 평가를 통해 검증하였다. 실시간 조종사 평가 결과, APRS를 사용했을 경우에 숙련된 조종사가 MPO를 조작하여 실속에서 회복하는 수준의 회복성능을 확인할 수 있었다.
- 그림 2에서 도시된 항공기 모델에서 F11 형상은 1, 7번 위치에 AIM-9를 장착하고 있는 형상이다 F10 형상은 1, 7번 위치에 AIM-9, 4 번 위치에 1501bs 연료탱크를 장착하고 있는 형상이다’ F12 형상은 1, 7번 위치에 AIM-9, 4번 위치에 SUU-20 및 3, 5 번 위치에 1501bs 연료탱크를 장착하고 있는 형상이다. 설계된 비행제어법칙의 평가는 2가지 항목으로 분류하였다. 첫째, 35kft 영역에서 항공기가 깊은 실속에서 회복하는 특성을 평가하였다.
- 속도 회복 특성을 평가하기 위해 실시간 조종사 평가를 수행하였다. 시험 영역은 200knots@l, 13kft, 비행영역에서 APRS를 작동시켜 속도 유지 특성을 평가하였다.
- 시험 영역은 200knots@l, 13kft, 비행영역에서 APRS를 작동시켜 속도 유지 특성을 평가하였다. 이때, 추력 장치의 위치를 인위적으로 최대 추력(maximum AB) 및 최소추력(Idle)으로 설정하였다.
- 시험영역 및 기동 방법은 16戚 비행영역에서 직립 및 배면상태에서 항공기를 실속에 진입시켜, 실속에서 회복한 후에 항공기의 자세, 고도 및 속도회복 특성을 평가하였다. 본 절에서는 F11 형상에서 수행한 결과를 대표적으로 도시하였다.
- 시험영역은 표 2와 같이 고도 35kft 및 16kft에서 배면 및 직립 이탈 상태로 설정하였으며, 무게 중심 (CG: Center of Gravity)의 위치는 직립 이탈 시에는 45% MAC (Mean Aerodynamic Chord), 배면 이탈 시에는 41% MAC로 하여 초기항공기의 상태를 실속에 진입시켰다. 항공기 형상은 CAT (Categoiy) 1에서는 ・FH, CAT 2에서는 F10 및 CAT 3 에서는 F12 형상에 대하여 평가를 수행하였다.
- 따라서 MP0 기능을 자동으로 대신할 수 있는 시스템을 설계하였다. 위의 시스템은 비행제어법칙의 외부루프에 설계하였으며, 조종사가 실속을 인지하고 작동스위치를 누르면 비행 제어법칙에서 자동으로 항공기 세로축 운동과 일치하는 피치 진동(pitch rocking) 명령을 발생시켜 항공기를 실속에서 회복시킨다.
- 첫째, 35kft 영역에서 항공기가 깊은 실속에서 회복하는 특성을 평가하였다. 이 때, 공군 및 고받음각 비행시험을 담당하고 있는 엔지니어 조종사가 MPO를 사용하여 회복할 경우와 APRS를 사용하여 회복할 경우를 비교 평가하였다. 둘째, 1아女 영역에서 실속 진입하여 회복 후에 항공기가 비정상적인 자세, 고도 및 속도를 회복할 수 있는지를 평가하였다.
- 그러므로 조종면 효과가 적은 고받음각에서 가로축 명령에 의해 발생하는 미끄럼각을 보상하기 위하여 큰 수직꼬리날개의 변위가 요구되어 수직꼬리날개는 포화(rudder satura- tion)상태에 도달하게 된다. 이러한 포화를 방지하기 위하여가로축 명령제한기를 설계하여 수직꼬리날개 변위에 따라가로축 명령을 감소시키는 제한기를 설계한다. 이때, 수직꼬리날개의 최대 변위에서 최소한의 가로축 명령을 보장하기 위하여 20%의 여유를 남겨둔다.
- 그림 5는 실속에서 회복한 후에 항공기의 자세, 속도 및 고도를 회복시키기 위한 비행 제어법칙을 나타낸다. 자세 및 고도회복 명령은 피치자세각, 받음각 및 속도 조건을 이용하여 2가지 영역에 대해 회복 명령을 생성하는 것을 고려하였다. 이때, 자세 및 고도회복 명령은 피치 및 롤 명령을 생성한다.
- 그림 5. 자세, 고도 및 속도 회복을 위한 비행제어법칙 구조.
- 자세회복 중에 적절한 속도를 유지하고, 자세회복 후에 안정한 속도로 회복하기 위하여 ATCS (Automatic Thrust Control System)를 이용한 속도회복장치를 설계하였다. 식 (4)은 비행경로각에 따른 목표속도(target speed}를 나타낸다.
- 설계된 비행제어법칙의 평가는 2가지 항목으로 분류하였다. 첫째, 35kft 영역에서 항공기가 깊은 실속에서 회복하는 특성을 평가하였다. 이 때, 공군 및 고받음각 비행시험을 담당하고 있는 엔지니어 조종사가 MPO를 사용하여 회복할 경우와 APRS를 사용하여 회복할 경우를 비교 평가하였다.
- 실속회복 특성을 검증하였다. 평가방법은 3가지로 세분화하였다. 첫째, APRS를 이용하여 실속에서 회복하는 경우, 둘째, 고받음각 비행시험 경험이 있는 숙련된 조종사가 MPO를 사용하여 실속에서 회복할 경우, 셋째, MPO 작동원리를 숙지하고 있는 고받음각 비행시험 담당 엔지니어가 MPO를 사용하여 실속에서 회복하는 경우로 하였다.
- 항공기가 실속에서 회복 한 후에 자세, 고도 및 속도 회복 특성을 평가하기 위해 HQS 실시간 조종사 평가를 수행하였다. 시험영역 및 기동 방법은 16戚 비행영역에서 직립 및 배면상태에서 항공기를 실속에 진입시켜, 실속에서 회복한 후에 항공기의 자세, 고도 및 속도회복 특성을 평가하였다.
대상 데이터
- 상태를 실속에 진입시켰다. 항공기 형상은 CAT (Categoiy) 1에서는 ・FH, CAT 2에서는 F10 및 CAT 3 에서는 F12 형상에 대하여 평가를 수행하였다. 그림 2에서 도시된 항공기 모델에서 F11 형상은 1, 7번 위치에 AIM-9를 장착하고 있는 형상이다 F10 형상은 1, 7번 위치에 AIM-9, 4 번 위치에 1501bs 연료탱크를 장착하고 있는 형상이다’ F12 형상은 1, 7번 위치에 AIM-9, 4번 위치에 SUU-20 및 3, 5 번 위치에 1501bs 연료탱크를 장착하고 있는 형상이다.
데이터처리
- 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 MPO를 사용하여 실속에서 회복한 두 가지 경우에 대한 실속 시간과 고도손실을 기준으로 하여 APRS를적용하였을 경우와 비교 분석한다.
- 둘째, 1아女 영역에서 실속 진입하여 회복 후에 항공기가 비정상적인 자세, 고도 및 속도를 회복할 수 있는지를 평가하였다. 평가방법으로 HQS를 이용한 실시간 조종사 평가를 수행하였다.
이론/모형
- 따라서 본 논문에서는 고성능 전투기에서 제공하고 있는 MP0 조작 기술을 참고로 하여 항공기가 실속에 진입 시에 자동으로 안전한 비행영역으로 회복할 수 있도록 하는 비행제어법칙인 APRS (Automatic Pitch Rocker System)을 개발하였다. 그리고 설계된 비행제어법칙은 실시간 평가환경인 HQS (Handling Quality Simulator)에 적용하여 실시간 조종사 평가 (real-time pilot evaluation)를 수행하여 검증하였다.
성능/효과
- 1. APRS를 사용할 경우, 실속회복 시점에서 받음각 초과 현상이 작게 발생하여 M仲O을 사용할 때 보다 받음각이 안정화됨으로 회복 후의 기동에 대한 조종성이 좋다.
- 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.
- 7ft이다. 그리고 APRS를 이용하여 회복할 경우에 평균 소요되는 회복시간은 4.92초로 0.4초 적게 소요되었다. 엔지니어가 MPO를 이용하여 수행했을 경우, F10 및 F12에서는 회복 시간이 적게 소요되었으나, F11 형상에서 과도 조작으로 인하여 배면이탈로 전환되는 문제점이 발생하였다.
- 68초 고도 손실은 2834ft로 직립 이탈보다 소요되는 시간이 많았다. 그리고 APR을 이용하여 회복할 경우에 평균 소요되는 회복시간은 12.45초로 0.77초 많이 소요되었다. 엔지니어가 M伊O를 이용하여 수행했을 경우, 회복 시간이 적게 소요되었다.
- 실시간 조종사 평가 결과, APRS를 사용했을 경우에 숙련된 조종사가 MPO를 조작하여 실속에서 회복하는 수준의 회복성능을 확인할 수 있었다. 그리고 실속 회복 후에는 항공기의 비정상적인 자세를 회복하고, 안정한 속도 및 고도 영역으로 항공기를 회복시킨다는 것을 검증하였다. 향후, 설계된 APRS를 학생조종사를 대상으로 하고 있는 고등훈련기에 적용하여 항공기의 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 예상하며, 나아가 불안정한 기체를 가진 무인전투기에 적용함으로써 비행 안전성을 보다 더 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
- 초기에 트림 추력 값에서 목표속도에 도달하기 위해서 추력증분을 증가시켜 속도를 200knots에서 280knots까지 증속시킨 후, 목표속도를 유지한다. 그리고 조종사가 추력장치의 위치를 인위적으로 최대추력(max. AB)으로 인가하자, 속도는 300knots로 증가하지만 추력 증분 명령을 적용하여 30초 이내에 목표속도로 안정화하고 수평비행을 유지한다는 것을 확인할 수 있었다.
- 엔지니어가 M伊O를 이용하여 수행했을 경우, 회복 시간이 적게 소요되었다. 따라서 APRS를 이용할 경우, 비행시험 조종사가 MPO를 사용할 경우를 기준으로 하여 ±10% 범위내의 회복 소요시간을 나타내었다.
- 3절에서 제시하고 있는 것처럼 이루어지지 않는다는 것을 볼 수 있다. 따라서 제어법칙이 자동으로 MPO와 같은 조작을 할 수 있는 APRS는 비상상황에서 조종사의 부담을 덜어줄 수 있으며, 규칙화된 조작을 할 수 있음으로 항공기가 보다 더 쉽게 실속에서 회복할 수 있을 것으로 판단된다.
- 엔지니어가 MPO를 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 2834ft로 직립 이탈보다 소요되는 시간이 많았다. 그리고 APR을 이용하여 회복할 경우에 평균 소요되는 회복시간은 12.
- 시험비행 조종사가 MPO를 이용하여 실속에서 회복 시에 소요되는 시간에 대비하여 APRS를 사용할 경우에는 +10% 범위 내에서 실속에서 회복할 수 있었다. 또한, 시험 비행조종사는 APRS를 사용할 경우 아래와 같은 장점이 있다고 하였다.
- 설계된 비행제어법칙은 실시간 평가환경에 적용하고 실시간 조종사 평가를 통해 검증하였다. 실시간 조종사 평가 결과, APRS를 사용했을 경우에 숙련된 조종사가 MPO를 조작하여 실속에서 회복하는 수준의 회복성능을 확인할 수 있었다. 그리고 실속 회복 후에는 항공기의 비정상적인 자세를 회복하고, 안정한 속도 및 고도 영역으로 항공기를 회복시킨다는 것을 검증하였다.
- 평가방법은 3가지로 세분화하였다. 첫째, APRS를 이용하여 실속에서 회복하는 경우, 둘째, 고받음각 비행시험 경험이 있는 숙련된 조종사가 MPO를 사용하여 실속에서 회복할 경우, 셋째, MPO 작동원리를 숙지하고 있는 고받음각 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 APRS를 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.
- 그리고 실속 회복 후에는 항공기의 비정상적인 자세를 회복하고, 안정한 속도 및 고도 영역으로 항공기를 회복시킨다는 것을 검증하였다. 향후, 설계된 APRS를 학생조종사를 대상으로 하고 있는 고등훈련기에 적용하여 항공기의 안전성을 향상시킬 수 있을 것으로 예상하며, 나아가 불안정한 기체를 가진 무인전투기에 적용함으로써 비행 안전성을 보다 더 향상시킬 수 있을 것으로 기대한다.
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