본 연구에서는 개념 설계 과정에서 항공 인증 규정 및 의사결정모델을 이용하여 최적화 문제 구성과 항공기 기준형상을 선정하는 프로세스를 정립하고, 이를 소형제트항공기에 적용하였다. 항공기 안전성을 보장하기 위한 최소안전 요구조건인 항공 인증 규정은 항공기 설계 초기단계에서부터 고려되어야 하는 사항으로 반드시 만족해야 한다. 인증 규정 및 사용자 요구도 분석 후, 산업공학기법인 AffinityDiagram, Nested Column Diagram, Quality Function Deployment (QFD), Pugh Concept Selection Matrix와 같은 의사결정모델을 사용하여 alternative 형상군에 대한 평가를 수행하였다. 그 후 Best alternative 형상에 대한 설계가능영역 분석을 통해 항공 인증 규정에 적합하고 객관적인 문제 구성 및 항공기 기준형상을 도출 할 수 있었다.
본 연구에서는 개념 설계 과정에서 항공 인증 규정 및 의사결정모델을 이용하여 최적화 문제 구성과 항공기 기준형상을 선정하는 프로세스를 정립하고, 이를 소형제트항공기에 적용하였다. 항공기 안전성을 보장하기 위한 최소안전 요구조건인 항공 인증 규정은 항공기 설계 초기단계에서부터 고려되어야 하는 사항으로 반드시 만족해야 한다. 인증 규정 및 사용자 요구도 분석 후, 산업공학기법인 Affinity Diagram, Nested Column Diagram, Quality Function Deployment (QFD), Pugh Concept Selection Matrix와 같은 의사결정모델을 사용하여 alternative 형상군에 대한 평가를 수행하였다. 그 후 Best alternative 형상에 대한 설계가능영역 분석을 통해 항공 인증 규정에 적합하고 객관적인 문제 구성 및 항공기 기준형상을 도출 할 수 있었다.
For the very light jet aircraft design, the design baseline configuration has been selected using the logical decision making process, and the design optimization problem is formulated by considering the airworthiness regulations as design constraints. Airworthiness regulations are the minimum requi...
For the very light jet aircraft design, the design baseline configuration has been selected using the logical decision making process, and the design optimization problem is formulated by considering the airworthiness regulations as design constraints. Airworthiness regulations are the minimum requirements for the safe aircraft flight and must be considered from the conceptual design stage. After carefully selecting the airworthiness constraints and the user specified requirements, a series of design making models including the affinity diagram, nested column diagram, quality function deployment (QFD), Pugh concept selection matrix, are used to find and evaluate alternative configuration baselines. From the feasible design space searching process, the best altenative design, which satisfies the airworthiness constraints while excluding the user subjective decisions as much as possible, has been successfully derived.
For the very light jet aircraft design, the design baseline configuration has been selected using the logical decision making process, and the design optimization problem is formulated by considering the airworthiness regulations as design constraints. Airworthiness regulations are the minimum requirements for the safe aircraft flight and must be considered from the conceptual design stage. After carefully selecting the airworthiness constraints and the user specified requirements, a series of design making models including the affinity diagram, nested column diagram, quality function deployment (QFD), Pugh concept selection matrix, are used to find and evaluate alternative configuration baselines. From the feasible design space searching process, the best altenative design, which satisfies the airworthiness constraints while excluding the user subjective decisions as much as possible, has been successfully derived.
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문제 정의
개념설계는 건국대학교와 Ryerson 대학교가 공동으로 진행한 설계프로젝트를 통하여 실시되었다. 설계 기준을 동일하게 하기 위하여 표 1에 나타낸 설계 기준을 바탕으로 하나의 설계 요구도를 작성하였고, 설계 목표는 지역항공사 또는 에어택시 운항사, 개인이 사용 가능한 소형 제트기에 대한 개념설계를 수행하는 것이다[5].
가설 설정
4와 표 1의 설계 변수를 how로 하여 HOQ(House of Quality)를 수행하였다. 이 때 각 항목의 가중치는 모두 1로 동일한 가중치를 가지는 것으로 가정하였고, 대응관계의 관련정도는 Lv.3까지의 항공인증 규정과 Lv.4와의 민감도 분석 결과를 이용하였다. QFD의 중요도 분석 결과, W/S, δf, AR, Sflap, FT, b, λ, Λ로 중요 순위가 주어지며, 이들이 항공 인증 규정과 사용자 요구도에 대해 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.
제안 방법
3까지의 항공 인증 규정과 표 1의 사용자 요구도를 what으로 고려하였을 때, 어떤 형상 설계 변수 및 설계 조건이 중요 변수로 작용하는 지 파악하기 위해 표 2의 Lv. 4와 표 1의 설계 변수를 how로 하여 HOQ(House of Quality)를 수행하였다. 이 때 각 항목의 가중치는 모두 1로 동일한 가중치를 가지는 것으로 가정하였고, 대응관계의 관련정도는 Lv.
유사기종, 임무, 시장성, 운용개념 분석을 통해 사용자 요구도를 도출한다. Best alternative 형상도출 과정 이전에 사용자 요구도에 적합한 항공기 대상에 대하여 항공 안전 규정 분석 프로세스를 진행한다. 이를 통해 규정 분석 단계, 규정 적용 단계, 규정 Data Base를 통해 인증 제약조건을 선정하게 되며 상세한 설명은 2.
Design Space Model을 이용하여 81개의 Case에 대해 해석을 한 결과를 이용하여 Prediction Profile을 작성 하였다. Prediction Profile은 설계 변수와 성능 해석 값과의 민감도를 분석하여 설계에 가장 많은 영향을 주는 설계 변수를 Contour Plot의 작성 시 기준 축으로 사용이 된다.
각 입력변수의 범위는 현재 운항 혹은 개발 중인 Very Light Jet 항공기에 대해 입력변수인 W/S, T/W, AR. Flap Deflection Angle에 대한 Trade off Study를 하여 변수들의 최소값과 최대값의 범위를 선정하였다.
본 연구에서는 기존의 개념설계 단계에 항공인증 규정을 의사 결정 모델을 이용하여 적용하였으며 이를 통해 최적화 문제를 구성하고 항공기 기준형상을 선정 하는 과정을 새로이 정립하였으며, 소형제트항공기에 적용하여 일련의 과정을 검토하였다.
본 연구에서는 실제 Very Light Jet 항공기의 개념 설계 과정에서 적용이 가능한 소형 항공기인증 규정들을 분석하여 적용이 가능한 설계변수들에 대해 인증 요구도를 작성하였으며 항공기를 구매하는 사용자의 요구도를 분석하고 인증요구도와 사용자 요구도에 대해 의사결정모델을 적용하여 5개의 alternative형상을 도출 하였으며, Pugh concept selection matrix과정을 통하여 1개의 Best alternative 형상을 도출 하였고 Best alternative 형상에 대한 설계가능영역 분석을 통해 항공 인증 규정에 적합하고 설계자의 주관적인 경험이 최대한 배제된 문제 구성 및 항공기 기준형상을 도출 하였다.
사용자 요구도 분석과 항공 인증 규정 분석을 통해 도출한 주요 설계인자들을 GASP Code를 이용하여 항공기의 성능을 해석 하였다. 입력변수들에 대해 3 Level Full Factorial을 적용한 총 81개의 설계 Case에 따라 해석결과를 확인 할 수 있는 Design Space Model을 작성하여 설계변수의 민감도 해석과 설계 가능역역 검색을 위한 환경을 구축하였다.
선행 연구를 통해[2] 설계 대상인 VLJ 항공기의 임무형상을 그림 2와 같이 작성하였고, 유사기종 및 시장성 분석을 수행했다. 임무형상으로부터 중요 설계 인자를 선정하고 유사기종의 분석을 통해서 표 1과 같이 사용자 요구도를 제시하였고 각 요구도에 대한 설계변수를 선정하였다.
요구도 기반 프로세스는 최적화 문제 구성 및 항공기 기본형상을 도출할 때에 선행되는 작업으로 '사용자 요구도 분석', 'Best alternative 형상도출', '설계가능영역 분석'으로 이루어져 있다. 유사기종, 임무, 시장성, 운용개념 분석을 통해 사용자 요구도를 도출한다. Best alternative 형상도출 과정 이전에 사용자 요구도에 적합한 항공기 대상에 대하여 항공 안전 규정 분석 프로세스를 진행한다.
응답변수로는 Take off Distance, Rotation Speed, Stall Speed, Empty Weight, Reference Landing Speed, Landing Distance, Range, Cruise Speed를 선정하였으며 입력변수와 입력변수와의 Contour Plot을 작성하였다. Contour Plot의 분석 결과 그림 8에서 보이는 흰색 영역이 설계가능영역으로 나타났다.
선행 연구를 통해[2] 설계 대상인 VLJ 항공기의 임무형상을 그림 2와 같이 작성하였고, 유사기종 및 시장성 분석을 수행했다. 임무형상으로부터 중요 설계 인자를 선정하고 유사기종의 분석을 통해서 표 1과 같이 사용자 요구도를 제시하였고 각 요구도에 대한 설계변수를 선정하였다. 이는 QFD 작성 시, how의 항목으로 연결된다.
사용자 요구도 분석과 항공 인증 규정 분석을 통해 도출한 주요 설계인자들을 GASP Code를 이용하여 항공기의 성능을 해석 하였다. 입력변수들에 대해 3 Level Full Factorial을 적용한 총 81개의 설계 Case에 따라 해석결과를 확인 할 수 있는 Design Space Model을 작성하여 설계변수의 민감도 해석과 설계 가능역역 검색을 위한 환경을 구축하였다. Design Space Model을 구성하기 위한 입력변수와 출력변수는 아래의 표 5와 같다.
Design Space Model을 구성하기 위한 입력변수와 출력변수는 아래의 표 5와 같다. 입력변수의 경우 인증규정을 적용할 수 있는 이, 착륙 성능에 영향을 많이 주는 설계 변수를 선택 하였으며 출력변수의 경우 사용자 요구도와 인증 요구도 참조하였다. 각 입력변수의 범위는 현재 운항 혹은 개발 중인 Very Light Jet 항공기에 대해 입력변수인 W/S, T/W, AR.
이을 이용하여 엔지니어의 주관적인 경험을 최대한 배제하고 체계적이며 논리적인 일련의 과정을 통해 최적 설계 문제 및 항공기 기준 형상을 제시할 수 있다. 즉, Affinity Diagram과 Nested Column Diagram[5][6] 구성 시, 항공 안전 규정의 분석결과를 이용하며, 사용자 요구도와 함께 이용하여 QFD[7]의 what과 how를 구성한다. 그 결과 특히 고려해야할 형상 설계 변수와 목적함수를 제시한다.
Affinity diagram에서 선정된 상위항목을 세분화, 계층화하여 하위항목을 표 2와 같이 작성하였다. 항공 인증 규정에 제시된 Category를 이용하였으며, Lv3 의 항공기 성능에 대해서 각 항공기 성능에 영향을 미치는 설계변수와 및 설계조건들과의 민감도 분석을 진행하였다. 민감도 분석은 각 항공기 성능과 설계변수 및 설계 조건들과 어떠한 관계를 갖고 있는지 확인하고 Lv.
이론/모형
Contour Plot은 Design Space Model과 Prediction Profile의 결과를 통해 작성되었다. Prediction Profile이 설계변수의 민감도 해석을 위한 것이었다면 Contour Plot은 구속조건에 따른 설계가능영역의 검색에 사용된다.
Pugh Concept Selection Matrix를 이용하여 alternative 형상군에 대한 평가를 수행한다. 이때 평가 항목은 표 1의 사용자 요구도와 표 2의 인증 요구도 중 개념설계 과정에서 성능해석을 통하여 얻을 수 있는 결과를 선정하였으며 각각의 가중치는 1로 두었다.
개념설계가 완료된 대안 형상을 바탕으로 Alternative 형상군을 표 3과 같이 선정하였다. 개념설계는 건국대학교와 Ryerson 대학교가 공동으로 진행한 설계프로젝트를 통하여 실시되었다. 설계 기준을 동일하게 하기 위하여 표 1에 나타낸 설계 기준을 바탕으로 하나의 설계 요구도를 작성하였고, 설계 목표는 지역항공사 또는 에어택시 운항사, 개인이 사용 가능한 소형 제트기에 대한 개념설계를 수행하는 것이다[5].
그 결과 특히 고려해야할 형상 설계 변수와 목적함수를 제시한다. 그 후 QFD의 what의 항목으로 alternative 형상군에 대한 평가를 하며 이 때 Pugh Concept Selection Matrix[6]를 이용한다. 여기서 가장 높은 점수를 얻는 형상이 Best alternative 형상으로 선정되며, 이 형상이 설계조건에 적합한지를 판별하는 설계가능영역 분석 과정을 거치게 된다.
사용자 요구도와 항공 안전 규정 분석 결과를 이용하여 Best alternative 형상을 도출하고자 산업공학기법인 의사결정모델을 이용하며 각 모델들은 선행 연구 되었다[2]. 이을 이용하여 엔지니어의 주관적인 경험을 최대한 배제하고 체계적이며 논리적인 일련의 과정을 통해 최적 설계 문제 및 항공기 기준 형상을 제시할 수 있다.
설계된 항공기에 대한 형상 및 성능해석을 위해 본 논문에서는 NASA에서 개발한 GASP(General Aviation Synthesis Program)을 사용하였다. GASP는 미국의 NASA Ames 연구소에서 항공기 초기 개발용으로 제작되었다.
성능/효과
Contour Plot의 분석 결과 그림 8에서 보이는 흰색 영역이 설계가능영역으로 나타났다. 각 입력변수와 응답변수와의 관계를 분석해 본 결과 Take off Distance, Empty Weight, Cruise Speed의 경우 설계가능영역에 영향을 주지 않았으며 Stall Speed의 관련된 변수인 Reference Landing Speed와 Rotation Speed의 경우 설계가능영역 구성에 많은 영향을 주는 것을 알 수 있었다. 이렇게 구성된 설계가능역역을 통해 각 설계변수를 만족하는 조건을 추출하여 설계요구도(Design Requirements)를 정립하게 된다[6].
후속연구
본 연구를 통하여 개발된 프로세스는 소형항공기급 이외에 다른 중, 대형 항공기급에도 적용이 가능하며 보다 많은 분야에 걸쳐 적용이 된다면, 항공기 설계 초기 단계에서 설계자 입장에서 항공기 인증 규정을 적용 할 수 있으며 항공기 초기 설계 과정에서 형상변경에 의한 설계반복으로 인한 시간과 노력의 낭비를 줄일 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
항공기 설계 및 개발의 총 순기에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 것은 무엇인가?
항공기 설계 및 개발의 총 순기에 있어서 가장 큰 영향을 미치는 것이 바로 개념연구 및 개념설계 단계이다. 이 단계에서 결정되는 주요 사항에 따라 이후의 설계가 진행되며 이에 따라 소요 비용 및 개발 기간, 최종 결과물의 성능 등이 좌우된다[1].
기존의 개념연구 과정의 문제점은 무엇인가?
이 단계에서 결정되는 주요 사항에 따라 이후의 설계가 진행되며 이에 따라 소요 비용 및 개발 기간, 최종 결과물의 성능 등이 좌우된다[1]. 기존의 개념연구 과정은 설계자의 주관적인 판단에 의해 설계 요구도 및 문제구성 등을 작성하므로 최적화를 수행하여 얻은 형상이 사용자의 요구도를 만족하는 최적의 형상개념이라고 할 수 없으며 이로 인한 반복계산으로 많은 시간과 비용을 소모하게 된다. 이와 같은 기존설계 과정에서의 반복 계산 및 소요시간을 줄이기 위해 개념정립 과정에서 의사결정 모델을 사용하여 설계자의 주관적인 판단을 최대한 배제하고 보다 객관적이고 효율적인 설계를 할 수 있는 새로운 개념정립 및 평가 프로세스의 도입이 필요하다.
요구도 기반 프로세스에서 무엇을 분석하여 사용자 요구도를 도출하는가?
요구도 기반 프로세스는 최적화 문제 구성 및 항공기 기본형상을 도출할 때에 선행되는 작업으로 '사용자 요구도 분석', 'Best alternative 형상도출', '설계가능영역 분석'으로 이루어져 있다. 유사기종, 임무, 시장성, 운용개념 분석을 통해 사용자 요구도를 도출한다. Best alternative 형상도출 과정 이전에 사용자 요구도에 적합한 항공기 대상에 대하여 항공 안전 규정 분석 프로세스를 진행한다.
참고문헌 (16)
이재우 외, 항공기설계교육연구회, 항공기 개념설계, 경문사, 2001.
박형욱, 이재우, 변영환, 정준, Karman Behdinan, "요구도 기반 항공우주 시스템 강건최적설계 기법 연구", 한국항공우주학회지, 제37권 제3호, 2009년 3월, pp. 255-266.
Hyeong-Uk Park, Mee-Young Park, Seung-Jin Lee, Jae-Woo Lee, and Yung-Hwan Byun, "Development of Requirement Driven Design Concept Selection Process in Aerospace System", Computational Science and Its Applications - ICCSA 2006, Lecture Notes in Computer Sciences LNCS 3984 Part V pp. 512-521, May 2006.
Federal Aviation Administration,http://rgl.faa.gov
Federal Aviation Administration,"AC21-40, Application Guide for Obtaining aSupplemental Type Certificate, 1998.
GASP (General Aviation SynthesisProgram), NASA (National Aeronautics andSpace Administration) Ames Research Center,Jan. 1978.
Mavris, D.N., Kirby, M.R., "TechnologyIdentification, Evaluation, and Selection forCommercial Transport Aircraft", Presented atthe 58th Annual Conference Of Society ofAllied Weight Engineers, San Jose, California,May 24-26, 1999.
Burdun, I.Y., DeLaurentis, D.A., Mavris,D.N., "Modeling and Simulation ofAirworthiness Requirements for an HSCTPrototype in Early Design", Presented at the7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium onMultidisciplinary Analysis and Optimization, St.Louis, MO, September 2-4, 1998.
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