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문제 정의
- AFCS off 시험은 SAS를 포함한 AFCS의 모든 기능을 정지시킨 후 시험을 실시하였다. Back-up Instrument 시험은 기본 비행계기(Basic Flight Instrument)를 이용할 수 없는 상황에서 예비계기만을 이용하여 IFR 비행이 가능한지를 확인하기 위해 실시되었다. 이를 위해 임무조종사의 MFD는 모두 껐으며, 다른 조종사의 계기는 어둡게 한 상태에서 시험이 실시되었다.
- 계기비행 인증을 위해서는 1차적으로 장착된 계기및 장비의 적합성을 검토하였으며, 지상 및 비행 시험 등을 통해 성능을 확인하였다. 다음으로 항공기가 계기비행에 적합한 비행성을 확보하고 있는지 확인하였다. 이를 위해 FAR-29 Appendix B의 요구도에 따라 항공기의 정안정성 및 동안 정성을 확인하기 위한 비행시험을 실시하였다.
- 한국형 기동헬기의 IFR 인증 또한 FAR-29 Appendix B를 기초로 하였으며, 일부 요구도에 대해서는 군 운용의 특수성과 항공기 특성을 감안하여 수정 적용하였다. 본 논문에서는 한국형 기동헬기에 적용된 IFR 인증 개념과 주요 시험결과를 제시하고자 한다.
- 본 연구에서는 KUH 헬리콥터의 계기비행 인증과정 및 주요 시험결과를 요약 제시하였다. 계기비행 인증을 위해서는 1차적으로 장착된 계기및 장비의 적합성을 검토하였으며, 지상 및 비행 시험 등을 통해 성능을 확인하였다.
가설 설정
- 이를 위해 임무조종사의 MFD는 모두 껐으며, 다른 조종사의 계기는 어둡게 한 상태에서 시험이 실시되었다. Engine Failure 시험은 IMC/IFR 비행 중 하나의 엔진이 정지한 경우를 가정하여 실시하였다. 이전의 OEI (One Engine Inoperative) 시험에서 충분한 안정성을 확인하였음에 따라, IMC/IFR 모사 시험에서는 OEI 진입조건에 대해서만 확인하였다.
제안 방법
- SAS malfunction test 또한 유사한 방식으로 피치, 롤 및 요우 축에 대한 SAS 기능이 작동하지 않도록 한 상태에서 시험을 실시하였다. AFCS off 시험은 SAS를 포함한 AFCS의 모든 기능을 정지시킨 후 시험을 실시하였다. Back-up Instrument 시험은 기본 비행계기(Basic Flight Instrument)를 이용할 수 없는 상황에서 예비계기만을 이용하여 IFR 비행이 가능한지를 확인하기 위해 실시되었다.
- 각각의 시험조건을 살펴보면 다음과 같다. Baseline Test는 후드를 착용한 상태에서 기본적인 계기비행 능력을 판단하고, Degraded mode에서 조종사의 임무부하 (workload) 증가 정도를 식별하기 위한 기준값을 획득하기 위해 실시되었다. Unusual Attitude Test는 Safety pilot이 갑작스런 롤 또는 피치 자세의 변화를 준 후, 후드를 착용한 임무조종사가 원활하게 자세를 바로 잡을 수 있는지를 파악하기 위해 실시되었다.
- IMC/IFR 적합성을 확인하기 위해 실제 IMC 상황에서 IFR 비행시현을 실시하였다. 본 시험에 대한 개략적인 절차는 Fig.
- KUH 항공기의 전방 계기패널은 정/부 조종사석에 각각 2개씩의 MFD (Multi-Function Display)를 갖는 Full Glass Cockpit으로 개발되었다. 고도, 속도, 자세, 헤딩 등과 같이 비행에 필요한 기본계기 (Basic Instrument) 정보는 MFD의 PFD (Primary Flight Display) 화면을 통해 시현된다.
- KUH에서는 상기 요구사항을 충족하는지 여부를 판단하기 위해, 1차적으로 장착된 계기 및 장비가 계기비행에 필요한 기능을 보유하고 있고, 적절하게 장착되어 있는지를 확인하였다. 다음으로는 각 장비의 성능 및 계기비행에 대한 적합성을 지상시험 및 비행시험을 통해 평가하였다.
- KUH에서는 이와 같은 요구도를 입증하기 위해서는 1차적으로 발생 가능한 고장모드를 식별하였으며, 각각의 비행시험 조건에서 인위적인 고장을 발생시킨 후 조종사의 임무부하를 평가하였다. 이를 위해 피치, 롤, 요우 축에 대해 Trim 및 SAS 기능을 인위적으로 정지시킨 후 시험을 수행하였다.
- 조종사의 임무부하 평가에는 정상조건 이외에도 비행조종 및 계기의 발생 가능한 고장상황을 고려하였다. Simulated IMC 비행시험이 완료된 후 실제 IMC 환경에서 항공관제를 받으며 계기비행 시연을 실시하였다. 이와 같은 시험을 통해 KUH 항공기는 IMC/IFR 비행에 적합한 계기 및 장비를 장착하고 있으며, 충분히 안정적인 비행특성을 갖고 있는 것으로 평가하였다.
- Unusual Attitude Test는 Safety pilot이 갑작스런 롤 또는 피치 자세의 변화를 준 후, 후드를 착용한 임무조종사가 원활하게 자세를 바로 잡을 수 있는지를 파악하기 위해 실시되었다. Trim malfunction test는 DTS(Data Transfer System)를 이용하여 AFCS의 게인을 변경하는 방식으로 피치, 롤 및 요우 축에 대한 트림 기능을 각각 정지시켜가며 시험을 실시하였다. SAS malfunction test 또한 유사한 방식으로 피치, 롤 및 요우 축에 대한 SAS 기능이 작동하지 않도록 한 상태에서 시험을 실시하였다.
- 항법 및 통신장비에 대한 기능 및 성능은 항공전자시뮬레이션과 비행시험을 통해 확인하였다. 각각의 항법 및 통신장비에 대한 비행시험이 완료된 후, 종합적인 임무 적합성을 확인하기 위해 공중강습 임무(Air assault mission)에 대한 항법 시연시험(navigation flight demonstration)을 실시하였다. 본 시험은 사천공항에서 이륙하여 남지 (Nam-Ji) 공역에서 수행되었으며, 시험결과 전반적으로 임무 수행에 적합한 것으로 평가되었다.
- 이를 위해 FAR-29 Appendix B의 요구도에 따라 항공기의 정안정성 및 동안 정성을 확인하기 위한 비행시험을 실시하였다. 계기 및 장비의 적합성과 항공기의 비행성이 입증된 후 Simulated IMC 비행시험을 통해 조종사의 임무부하를 평가하였다. 조종사의 임무부하 평가에는 정상조건 이외에도 비행조종 및 계기의 발생 가능한 고장상황을 고려하였다.
- 본 연구에서는 KUH 헬리콥터의 계기비행 인증과정 및 주요 시험결과를 요약 제시하였다. 계기비행 인증을 위해서는 1차적으로 장착된 계기및 장비의 적합성을 검토하였으며, 지상 및 비행 시험 등을 통해 성능을 확인하였다. 다음으로 항공기가 계기비행에 적합한 비행성을 확보하고 있는지 확인하였다.
- KUH에서는 상기 요구사항을 충족하는지 여부를 판단하기 위해, 1차적으로 장착된 계기 및 장비가 계기비행에 필요한 기능을 보유하고 있고, 적절하게 장착되어 있는지를 확인하였다. 다음으로는 각 장비의 성능 및 계기비행에 대한 적합성을 지상시험 및 비행시험을 통해 평가하였다.
- 횡축 방향에 대해서도 1 사이클 이내에 진폭이 절반 이하로 줄어듦을 확인할 수 있다. 동안정성에 대한 시험은 정안정성 시험과 마찬가지로 가장 가혹한 중량 형상을 포함하여 다양한 형상에 대해 속도 및 고도를 바꿔가며 실시되었다. 상기와 같은 정안정성 및 동안정성 시험을 통해 FAR-29에서 요구하는 충분한 비행 안정성을 보유하고 있음을 확인하였다.
- IFR 비행시현은 야간에 사천공항과 김해공항에서 실시되었다. 시험은 Vy에서 최대 계기비행 속도 범위에서 실시되었으며, 계기이륙 (Instrument Take-off (ITO)), 항로비행 (Enroute), VOR Hold, ILS 접근 (ILS Approach), Missed Approach 등의 순서로 진행되었다. 아울러 항로비행 과정에서 단일 엔진을 인위적으로 정지시킨 후 OEI 조건에서의 IMC/IFR 비행 능력을 확인하였다.
- 시험은 Vy에서 최대 계기비행 속도 범위에서 실시되었으며, 계기이륙 (Instrument Take-off (ITO)), 항로비행 (Enroute), VOR Hold, ILS 접근 (ILS Approach), Missed Approach 등의 순서로 진행되었다. 아울러 항로비행 과정에서 단일 엔진을 인위적으로 정지시킨 후 OEI 조건에서의 IMC/IFR 비행 능력을 확인하였다. 실제 계기비행 상황에서의 조종사 임무부하는 Bedford Workload Scale 기준으로 Rating 2.
- 동정압 측정장치와 관련해서는 KUH은 이중화 설계가 되어 있으며, 방빙 기능을 갖추고 있어 결빙조건에서도 비행필수계기에 속도 및 고도를 제공한다. 이러한 방빙 능력은 결빙풍동시험을 통해 입증하였다. 전원계통과 관련해서는 전원분배제어장치를 통해 교류 또는 직류 전원에 단락이 발생할 경우 자동으로 차단하도록 되어 있으며, 리그시험에서 인위적으로 단락을 발생시켰을 때 전원공급이 자동으로 중지/분리되는지를 시험하였다.
- 다음으로 항공기가 계기비행에 적합한 비행성을 확보하고 있는지 확인하였다. 이를 위해 FAR-29 Appendix B의 요구도에 따라 항공기의 정안정성 및 동안 정성을 확인하기 위한 비행시험을 실시하였다. 계기 및 장비의 적합성과 항공기의 비행성이 입증된 후 Simulated IMC 비행시험을 통해 조종사의 임무부하를 평가하였다.
- Back-up Instrument 시험은 기본 비행계기(Basic Flight Instrument)를 이용할 수 없는 상황에서 예비계기만을 이용하여 IFR 비행이 가능한지를 확인하기 위해 실시되었다. 이를 위해 임무조종사의 MFD는 모두 껐으며, 다른 조종사의 계기는 어둡게 한 상태에서 시험이 실시되었다. Engine Failure 시험은 IMC/IFR 비행 중 하나의 엔진이 정지한 경우를 가정하여 실시하였다.
- KUH에서는 이와 같은 요구도를 입증하기 위해서는 1차적으로 발생 가능한 고장모드를 식별하였으며, 각각의 비행시험 조건에서 인위적인 고장을 발생시킨 후 조종사의 임무부하를 평가하였다. 이를 위해 피치, 롤, 요우 축에 대해 Trim 및 SAS 기능을 인위적으로 정지시킨 후 시험을 수행하였다. 본 시험은 비행성 시험과는 달리 조종사의 임무부하를 평가하는 시험임에 따라, 조종사에게 후드를 착용시킨 후 Simulated IMC 조건에서 실시하였으며, 조종사의 임무부하는 Bedford Workload Scale[6]을 이용하여 평가하였다.
- 이러한 방빙 능력은 결빙풍동시험을 통해 입증하였다. 전원계통과 관련해서는 전원분배제어장치를 통해 교류 또는 직류 전원에 단락이 발생할 경우 자동으로 차단하도록 되어 있으며, 리그시험에서 인위적으로 단락을 발생시켰을 때 전원공급이 자동으로 중지/분리되는지를 시험하였다. 항법 및 통신장비에 대한 기능 및 성능은 항공전자시뮬레이션과 비행시험을 통해 확인하였다.
- IMC/IFR 비행성 시험은 FAR-29 Appendix B에 따라 실시되었다. 정안정성 확인을 위해, 저고 도와 10,000ft 이상의 고고도에서 저속 및 고속 수평비행, 상승, 하강 조건에서 종축 및 방향축에 대한 시험을 실시하였다. Fig.
- 그러나 군용 회전익기의 경우 관련 군사규격이 미비함에 따라 통상적으로 FAR 규정을 항공기 특성에 맞게 적절히 수정하여 적용하게 된다[3]. 한국형 기동헬기의 IFR 인증 또한 FAR-29 Appendix B를 기초로 하였으며, 일부 요구도에 대해서는 군 운용의 특수성과 항공기 특성을 감안하여 수정 적용하였다. 본 논문에서는 한국형 기동헬기에 적용된 IFR 인증 개념과 주요 시험결과를 제시하고자 한다.
- 전원계통과 관련해서는 전원분배제어장치를 통해 교류 또는 직류 전원에 단락이 발생할 경우 자동으로 차단하도록 되어 있으며, 리그시험에서 인위적으로 단락을 발생시켰을 때 전원공급이 자동으로 중지/분리되는지를 시험하였다. 항법 및 통신장비에 대한 기능 및 성능은 항공전자시뮬레이션과 비행시험을 통해 확인하였다. 각각의 항법 및 통신장비에 대한 비행시험이 완료된 후, 종합적인 임무 적합성을 확인하기 위해 공중강습 임무(Air assault mission)에 대한 항법 시연시험(navigation flight demonstration)을 실시하였다.
대상 데이터
- 이는 앞서 설명된 바와 같이 IMC 조건에서는 착륙이 제한 됨에 따라 고장이 발생하더라도 비행을 중단할 수 없기 때문에, 단일 고장에 대해서는 다소 조종사의 임무부하가 증가하더라도 비행안전을 저해해서는 안 되기 때문이다. 이러한 고장모드에 대한 선정은 항공기 조종 특성에 영향을 미치는 고장을 대상으로 하였다. 이러한 조건에는 AFCS, 엔진, 계기 고장 등이 해당한다.
데이터처리
- Trim malfunction test는 DTS(Data Transfer System)를 이용하여 AFCS의 게인을 변경하는 방식으로 피치, 롤 및 요우 축에 대한 트림 기능을 각각 정지시켜가며 시험을 실시하였다. SAS malfunction test 또한 유사한 방식으로 피치, 롤 및 요우 축에 대한 SAS 기능이 작동하지 않도록 한 상태에서 시험을 실시하였다. AFCS off 시험은 SAS를 포함한 AFCS의 모든 기능을 정지시킨 후 시험을 실시하였다.
이론/모형
- 비행시험은 통상적인 IFR 비행과 같이 계기이륙 (Instrument Take Off, ITO), 상승 (Climb out), 항로비행 (Enroute), VOR/ILS 접근 (VOR/ILS Approach), Missed Approach 등을 실시하게 되며, 엔진 정지 조건과 같이 일부 고장모드 조건에 대해서도 평가를 수행하게 된다. IMC 시연에 대한 평가는 앞서 사용된 Bedford Workload Scale을 동일하게 이용하였다.
- IMC/IFR 모사시험에서 조종사의 임무부하에 대해서는 Bedford Workload Rating Scale을 이용하여 평가하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다. Table 3에 제시된 바와 같이 AFCS를 포함하여 모든 계통이 정상적으로 작동하는 상황(Baseline)에서의 조종사 임무부하는 Rating 3 수준으로 양호하였다.
- IMC/IFR 비행성 시험은 FAR-29 Appendix B에 따라 실시되었다. 정안정성 확인을 위해, 저고 도와 10,000ft 이상의 고고도에서 저속 및 고속 수평비행, 상승, 하강 조건에서 종축 및 방향축에 대한 시험을 실시하였다.
- 이를 위해 피치, 롤, 요우 축에 대해 Trim 및 SAS 기능을 인위적으로 정지시킨 후 시험을 수행하였다. 본 시험은 비행성 시험과는 달리 조종사의 임무부하를 평가하는 시험임에 따라, 조종사에게 후드를 착용시킨 후 Simulated IMC 조건에서 실시하였으며, 조종사의 임무부하는 Bedford Workload Scale[6]을 이용하여 평가하였다. 아울러 KUH 항공기는 반드시 2명의 조종사에 의해 운용되는 항공기(dual piloted aircraft)라는 점이 함께 고려되었다.
성능/효과
- IMC/IFR 비행시험에 앞서서 KUH에 장착된 장비 및 계기의 설계 적합성을 확인하였다. 첫 번째로 KUH에 장착된 예비계기는 통합형 예비계기 (ISI, Integrated Standby Instrument)로서, 자세, 속도, 고도, 상승률 정보 등을 제공한다.
- KUH에서는 앞서 제시한 안전성 증대장치 이외에도 실제 발생 가능한 다양한 고장 조건을 정의하였으며, 해당 조건에서도 안전한 비행이 가능하고 조종사의 과도한 임무부하 증가가 없음을 확인하였다. 여기에 포함되는 고장모드는 단일엔진 정지, 유압계통, 항법장비, 전기계통, 통신계통 고장 등이다.
- 그러나 yaw trim malfunction의 경우에는 상대적으로 roll 또는 pitch trim malfunction 보다 임무부하가 높았으며, 특히 접근 비행 시에 임무부하가 많이 증가하였다. 결론적으로 trim malfunction에서는 롤, 피치, 요우 축 순서로 조종사의 임무부하가 증가하였다. SAS malfunction은 전반적으로 trim malfunction 조건과 유사한 수준으로 임무부하가 증가하였다.
- 각각의 항법 및 통신장비에 대한 비행시험이 완료된 후, 종합적인 임무 적합성을 확인하기 위해 공중강습 임무(Air assault mission)에 대한 항법 시연시험(navigation flight demonstration)을 실시하였다. 본 시험은 사천공항에서 이륙하여 남지 (Nam-Ji) 공역에서 수행되었으며, 시험결과 전반적으로 임무 수행에 적합한 것으로 평가되었다.
- 동안정성에 대한 시험은 정안정성 시험과 마찬가지로 가장 가혹한 중량 형상을 포함하여 다양한 형상에 대해 속도 및 고도를 바꿔가며 실시되었다. 상기와 같은 정안정성 및 동안정성 시험을 통해 FAR-29에서 요구하는 충분한 비행 안정성을 보유하고 있음을 확인하였다.
- 항공기의 Sideslip angle이 횡축 및 방향축 조종입력에 대해 ±20º이상까지 선형적으로 변화함에 따라 충분한 정안정성을 확보하고 있음을 알 수 있다. 상기의 정안정성 시험은 가장 가혹한 중량 및 CG 조합에 대해 저고도, 중고도 및 고고도에서 저속 및 고속 수평비행, 상승, 하강, Autorotation 조건에 대해 실시되었으며, 모두 충분히 안정적인 결과를 제시하였다.
- 이와 같은 시험을 통해 KUH 항공기는 IMC/IFR 비행에 적합한 계기 및 장비를 장착하고 있으며, 충분히 안정적인 비행특성을 갖고 있는 것으로 평가하였다. 아울러 비행조종 및 계기 등에 단일고장이 발생하더라도 비행안전을 위협하는 임무 부하 증가는 없는 것으로 확인되었다.
- Simulated IMC 비행시험이 완료된 후 실제 IMC 환경에서 항공관제를 받으며 계기비행 시연을 실시하였다. 이와 같은 시험을 통해 KUH 항공기는 IMC/IFR 비행에 적합한 계기 및 장비를 장착하고 있으며, 충분히 안정적인 비행특성을 갖고 있는 것으로 평가하였다. 아울러 비행조종 및 계기 등에 단일고장이 발생하더라도 비행안전을 위협하는 임무 부하 증가는 없는 것으로 확인되었다.
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