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문제 정의
- 본 연구에서 적용할 2인승 경항공기의 개발목표를 설정하기 위해 경쟁기종에 대한 조사를 수행하여 이를 바탕으로 중량 및 성능에 대한 경향성을 분석하였다. 그리고 이 경쟁기종의 경향성을 이륙중량(x. 단위 : kg)에 대한 추세식으로 구성하였고 이는 경쟁기종 대비 10%의 성능 향상된 설계 요구도 수치를 제시하고자 한 것이다. 그리고 사용자 요구도 분석 결과 중 성능과 관련된 중요도 수치를 반영하기 위함이다.
- 본 논문에서는 항공기 설계과정 중 특히 개념설계 단계까지의 과정에 초점을 맞추어 각 설계 및 해석 분야에서 요구되는 데이터 간의 관련성을 파악하고 이를 기반으로 각 분야별 데이터 흐름을 정의 하였다. 또한 이를 바탕으로 신속한 항공기 설계를 위한 설계 및 해석 통합 프로세스를 정립하였다.
제안 방법
- 2인승 경항공기에 대한 사용자 요구도를 정량적이고 체계적으로 분석하기 위해 의사결정모델을 적용하여 사용자 요구도 분석을 수행하였고 이를 토대로 친화도와 계통도를 작성하였다.
- 선정된 초기 형상은 사이징 과정과 형상 해석을 거쳐 수치화하여 설계 및 해석을 위한 기초 데이터를 도출하였다. 각 분야 해석을 위한 기초 데이터들은 초기 형상파라미터와 함께 중량, 공력, 추진 해석에 대한 입력 값으로 사용되었으며 각 분야 해석을 통해 획득한 값은 다시 조종 안정성, 성능, 임무, 하중 해석을 수행하는데 사용되었다. 각 해석분야에서 얻어진 결과들은 통합최적설계 프로세스에서 요구도 및 인증규정과 함께 설계의 적합성 여부를 판단하는데 사용되었으며 도출된 최적 설계 형상은 다음단계인 기본설계의 초기 형상 데이터로 선정하였다.
- 또한 이를 위해 해석 과정에서 입/출력되는 데이터 흐름을 정리하였다. 각 해석데이터에서 발생되는 방대한 데이터들을 정리하였다. 모든 해석/설계 도구의 데이터 리스트를 구성하고, 각 해석 도구의 입/출력 데이터의 구성도를 작성하였다.
- 각 해석의 결과들은 인증과 성능에 대한 요구도를 고려하여 통합설계 환경에서 다분야 통합설계 기술을 적용하여 결과를 도출하였고 그 결과를 토대로 설계 반복 과정에서 필요한 개선된 초기 형상을 제공하였다.
- 경항공기 개념설계 단계 시 형상설계, 중량, 공력, 추진, 성능, 하중 등 각 분야에 대한 해석을 수행하였다. 또한 이를 위해 해석 과정에서 입/출력되는 데이터 흐름을 정리하였다.
- 프로그램 내에서도 각 모듈이 구성되고 모듈 내에서도 그룹이 있다. 동일 프로그램 내에서도 각 그룹과 모듈 간에 데이터 입력과 출력관계가 있으므로 9번 항목을 구성하여 각 데이터간의 흐름을 명확히 하였다.
- 본 논문에서는 항공기 설계과정 중 특히 개념설계 단계까지의 과정에 초점을 맞추어 각 설계 및 해석 분야에서 요구되는 데이터 간의 관련성을 파악하고 이를 기반으로 각 분야별 데이터 흐름을 정의 하였다. 또한 이를 바탕으로 신속한 항공기 설계를 위한 설계 및 해석 통합 프로세스를 정립하였다. 먼저 설계 항공기에 대한 요구도 분석을 수행하였고 인증규정과 설계 요구도를 기반으로 초기 형상을 선정하였다.
- 경항공기 개념설계 단계 시 형상설계, 중량, 공력, 추진, 성능, 하중 등 각 분야에 대한 해석을 수행하였다. 또한 이를 위해 해석 과정에서 입/출력되는 데이터 흐름을 정리하였다. 각 해석데이터에서 발생되는 방대한 데이터들을 정리하였다.
- 모든 해석/설계 도구의 데이터 리스트를 구성하고, 각 해석 도구의 입/출력 데이터의 구성도를 작성하였다. 또한 해석 도구들 간 중복되는 데이터를 구분하고 연결하였다. 이러한 과정을 통해 데이터의 흐름도를 구성하였다.
- 또한 이를 바탕으로 신속한 항공기 설계를 위한 설계 및 해석 통합 프로세스를 정립하였다. 먼저 설계 항공기에 대한 요구도 분석을 수행하였고 인증규정과 설계 요구도를 기반으로 초기 형상을 선정하였다. 선정된 초기 형상은 사이징 과정과 형상 해석을 거쳐 수치화하여 설계 및 해석을 위한 기초 데이터를 도출하였다.
- 각 해석데이터에서 발생되는 방대한 데이터들을 정리하였다. 모든 해석/설계 도구의 데이터 리스트를 구성하고, 각 해석 도구의 입/출력 데이터의 구성도를 작성하였다. 또한 해석 도구들 간 중복되는 데이터를 구분하고 연결하였다.
- 본 논문에서 제시된 설계 통합 프로세스를 적용하여 경항공기 설계 및 해석을 위한 CADIS -SA(Certification and Aircraft Design Integration System for Small Aircraft) 통합 프레임워크를 개발하였다[이재우 외, 2012]. 초기 사이징, 공력 및 조종 안정성, 중량, 성능, 임무, 추진, 형상, 하중 해석 절차를 본 논문에 제시된 프로세스를 이용하여 구성하였고, 이 과정에서 도출되는 데이터 관리를 위한 데이터베이스는 SQL 서버를 이용하여 구성하였다.
- 본 논문에서는 요구도 분석을 시작으로 항공기 설계 순기에서 초기 사이징을 거쳐 형상, 중량, 공력, 추진 모듈의 데이터 전달 흐름을 구성하였고, 이 해석 결과들을 조종안정성, 성능, 하중해석에 적용하는 데이터 흐름도를 정립하였으며 경항공기 설계에 적용하였다.
- Raymer, 2012], Howe[Denis Howe, 1985] 등이 제안하는 방법들이 있다. 본 논문에서는 초기 사이징 과정에서 이러한 기법들을 비교하여 약점을 보완하고, 기 개발된 Pre-Conceptual 사이징 프로세스를 접목한 새로운 설계 프로세스를 사용하였다. 초기 사이징 프로그램에서는 요구되는 임무형상, 사용자 요구도를 통해 도출된 파라미터들을 이용하여 초기 이륙중량 추정 및 익면하중과 추력 대 중량비를 추정하고 항공기의 크기와 형상 파라미터를 도출한다.
- 본 연구에서 적용할 2인승 경항공기의 개발목표를 설정하기 위해 경쟁기종에 대한 조사를 수행하여 이를 바탕으로 중량 및 성능에 대한 경향성을 분석하였다. 그리고 이 경쟁기종의 경향성을 이륙중량(x.
- 본 연구에서 정립한 항공기 설계 통합 프로세스는 우선 사용자, 경쟁기종 그리고 인증 요구도 분석을 기반으로 기준형상을 선정하고 설계 요구도를 도출하였다. 이렇게 도출된 요구도를 기반으로 초기 사이징을 수행하여 공허중량과 요구도를 만족하는 결과를 확인하였다.
- 먼저 설계 항공기에 대한 요구도 분석을 수행하였고 인증규정과 설계 요구도를 기반으로 초기 형상을 선정하였다. 선정된 초기 형상은 사이징 과정과 형상 해석을 거쳐 수치화하여 설계 및 해석을 위한 기초 데이터를 도출하였다. 각 분야 해석을 위한 기초 데이터들은 초기 형상파라미터와 함께 중량, 공력, 추진 해석에 대한 입력 값으로 사용되었으며 각 분야 해석을 통해 획득한 값은 다시 조종 안정성, 성능, 임무, 하중 해석을 수행하는데 사용되었다.
- 설계초기에는 복잡한 설계 및 해석과정 대신, 간략한 방법을 사용하여 항공기의 크기를 결정한다. 즉, 설계 임무사항을 만족하기 위한 설계 이륙 총 중량의 대략적인 값과 임무 수행을 위한 연료중량, 공허중량을 결정하고, 각 비행성능을 만족하는 설계점 즉, 추력 대 중량비 및 익면하중의 크기를 예측하여 날개의 크기 및 요구추력을 결정하는 초기 사이징을 수행하게 된다.
- 본 연구에서 정립한 항공기 설계 통합 프로세스는 우선 사용자, 경쟁기종 그리고 인증 요구도 분석을 기반으로 기준형상을 선정하고 설계 요구도를 도출하였다. 이렇게 도출된 요구도를 기반으로 초기 사이징을 수행하여 공허중량과 요구도를 만족하는 결과를 확인하였다. 이를 통해 개념설계에 적용 가능한 초기 형상 및 중량 정보를 획득하였다.
- 이렇게 도출된 요구도를 기반으로 초기 사이징을 수행하여 공허중량과 요구도를 만족하는 결과를 확인하였다. 이를 통해 개념설계에 적용 가능한 초기 형상 및 중량 정보를 획득하였다.
- 설계초기에는 복잡한 설계 및 해석과정 대신, 간략한 방법을 사용하여 항공기의 크기를 결정한다. 즉, 설계 임무사항을 만족하기 위한 설계 이륙 총 중량의 대략적인 값과 임무 수행을 위한 연료중량, 공허중량을 결정하고, 각 비행성능을 만족하는 설계점 즉, 추력 대 중량비 및 익면하중의 크기를 예측하여 날개의 크기 및 요구추력을 결정하는 초기 사이징을 수행하게 된다.
- 본 논문에서 제시된 설계 통합 프로세스를 적용하여 경항공기 설계 및 해석을 위한 CADIS -SA(Certification and Aircraft Design Integration System for Small Aircraft) 통합 프레임워크를 개발하였다[이재우 외, 2012]. 초기 사이징, 공력 및 조종 안정성, 중량, 성능, 임무, 추진, 형상, 하중 해석 절차를 본 논문에 제시된 프로세스를 이용하여 구성하였고, 이 과정에서 도출되는 데이터 관리를 위한 데이터베이스는 SQL 서버를 이용하여 구성하였다.
- 수정된 사용자 요구도의 계통도를 바탕으로 계층적 분석과정(Analytic Hierarchy Process, AHP)와 품질기능전개(Quality Function Deployment, QFD)[Lou Cohen, 1995]를 수행하였다. 최상위 항목(Level 1)에 대해 AHP를 수행하여 시장성, 성능, 친환경성, 안전성에 대해 쌍대비교를 수행하였고, 일관성 지수(Consistency Index, CI)[Satty, T.L., 1982]를 고려하여 20% 이내에 해당하는 자료만을 추출하여 중요도를 산출하였다.
대상 데이터
- 각 분야 해석을 위한 기초 데이터들은 초기 형상파라미터와 함께 중량, 공력, 추진 해석에 대한 입력 값으로 사용되었으며 각 분야 해석을 통해 획득한 값은 다시 조종 안정성, 성능, 임무, 하중 해석을 수행하는데 사용되었다. 각 해석분야에서 얻어진 결과들은 통합최적설계 프로세스에서 요구도 및 인증규정과 함께 설계의 적합성 여부를 판단하는데 사용되었으며 도출된 최적 설계 형상은 다음단계인 기본설계의 초기 형상 데이터로 선정하였다. 그림 1에서는 이러한 과정을 보여주고 있다.
데이터처리
- 위 식들을 분석함으로써 분포된 점들 간의 관계를 나타내는 방정식이 그 경향성을 잘 표현하고 있는 것을 결정계수(Coefficient of Determination, R2)를 통해 확인하였다.
이론/모형
- 수정된 사용자 요구도의 계통도를 바탕으로 계층적 분석과정(Analytic Hierarchy Process, AHP)와 품질기능전개(Quality Function Deployment, QFD)[Lou Cohen, 1995]를 수행하였다. 최상위 항목(Level 1)에 대해 AHP를 수행하여 시장성, 성능, 친환경성, 안전성에 대해 쌍대비교를 수행하였고, 일관성 지수(Consistency Index, CI)[Satty, T.
성능/효과
- AHP 중요도와 일관성 지수의 결과값 중 일관성을 가지는 값에 대한 중요도의 평균값을 구한 결과 안전성, 시장성, 성능, 친환경성 순서로 중요도가 결정되었다. 계통도의 Level 2에 해당하는 항목과 1차 QFD의 결과는 기준형상을 선정할 때 평가항목 및 가중치로 사용되며, 2차 QFD결과 중 설계 요구도와 직접적으로 관련되는 항목은 경쟁기종 기반 요구도 분석 및 임무 분석 시 사용되어 설계 요구도 설정에 영항을 끼친다.
- 그림 5는 요구도와 초기 사이징 단계에서 발생하는 데이터부터 형상, 중량, 공력, 추진, 조종 안정성, 성능, 임무 해석간의 데이터 흐름도를 보여주고 있다. 이 흐름도를 통해 우선적으로 해석되는 요구도, 형상, 중량, 공력, 추진 해석 도구는 조종 안정성, 성능, 임무 해석 시 필요한 데이터를 신속하고 정확하게 확인할 수 있으며 해석에 필요한 데이터를 도출해 전달 할 수 있다.
- 개념설계 단계에서는 각 설계 및 해석 도구에 사용되는 데이터 및 흐름도 정리를 통해 전체 설계가 신속하고 효율적으로 진행되도록 하였다. 정립된 프로세스를 CADIS-SA(Certification and Aircraft Design Integration System for Small Aircraft) 프레임워크에 적용하여 2인승 경항공기 개발 과정을 통해 검증을 수행하였으며 효율적이고 신속한 항공기 설계 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다.
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