[논문]넓은 마하수 영역에서의 초음속 흡입구 버즈마진 제어기법

박익수; 박정우; 이창혁; 황기영

doi:10.6108/kspe.2014.18.2.027

넓은 마하수 영역에서의 초음속 흡입구 버즈마진 제어기법
Buzz Margin Control for Supersonic Intake Operating over Wide Range of Mach Number 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.18 no.2, 2014년, pp.27 - 34

박익수 (Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defence Development) , 박정우 (Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defence Development) , 이창혁 (Ant-ship Missile Systems Department, Agency for Defence Development) , 황기영 (Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defence Development)

초록
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넓은 비행마하수와 받음각 기동 조건에서 고정된 형상을 가지는 초음속 흡입구에 안정되고 높은 압축비의 공기를 공급할 수 있는 제어기법을 제안하였다. 다양한 선행연구 결과 분석을 통하여 가장 현실적으로 적용하기에 용이한 제어변수를 도출하였고, 이를 비행조건에서 스케줄링 하여 사용할 수 있는 방법을 제시하였다. 제안된 스케줄링 및 흡입구 전압력 회복율 제어기를 추진기관 모델과 결합하여 시뮬레이션 함으로써 다른 제어변수에 비해 광범위한 비행영역에서 운용하기에 적합한 방법임을 보였다. 아울러 다양한 비행 조건에서의 제어기의 안정화 및 추종 성능을 시뮬레이션 함으로써 엔진의 동적 특성과 비행 기동역학 및 외란에 의해 나타나는 특성에 대해 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

Buzz margin scheduling and control technique which are suitable to regulate stable and high pressure air in wide range of Mach number are suggested for fixed geometry of a supersonic intake. From the analysis of preceding study, most effective control variable is induced and scheduling law is newly suggested in a real application point of view. The appropriateness of the control law in wide range of Mach number is addressed by numerical simulation of controlled propulsion system. Also, the simulation for stabilization and tracking performances of the controller are studied to investigate the phenomena under flight maneuver and disturbances.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 공간 활용도가 충분하지 않아 가변형상 흡입구를 쉽게 적용할 수 없는 조건에서 넓은 비행 마하수 영역에서 안정적이고 높은 압축효율을 획득할 수 있는 방안을 제어기법 관점에서 제안하였다. 먼저 흡입구를 제어하기 위한 다양한 선행 연구결과를 제어 목적변수를 중심으로 살펴보았다.
8은 비행 마하수와 받음각으로 비행시간 40초간 마하수를 2에서 4까지 비행역학 특성을 고려하지 않고 인위적으로 급격히 증가시켰다. 이렇게 인위적으로 비행조건을 설정한 이유는 보다 과도한 조건에서의 버즈마진 제어 성능을 살펴보기 위해 선정한 것이다. 아울러 적당한 비행마하와 고도에 필요한 연료를 Fig.

가설 설정

마하수 및 받음각 정보는 참고문헌[12]에서와 같이 실시간으로 추정가능하다고 가정하였고 제어기(K)는 비례 적분 제어기(Proportional Integral, PI)를 비행 마하수에 따라 이득 계획기법을 적용하여 설계하였다.
제어구조의 설계는 최대 전압력 회복율을 풍동시험과 같은 과정을 통하여 미리 알고 있다고 가정하고 출발한다. 이 데이터를 이용하면 비행 중 측정하는 비행 마하수와 받음각 정보를 이용 하여 역으로 흡입구를 통해 획득할 수 있는 최대 전압력 회복율을 추정할 수 있게 되므로, 설계자에 의해 결정한 버즈마진(B_m)을 적용하면 Eq.

제안 방법

광범위한 마하수 영역에서 버즈마진을 제어하기 위한 적절한 제어변수와 계획기법을 제안하였다. 제어기법의 타당성을 검증하기 위하여 수행한 수치 시뮬레이션 결과 10%의 연료 외란에 대해 2.
11-13은 비행기동 조건 2에서의 버즈마진추종성능을 시뮬레이션 한 결과로써 비행기동 조건 1에 비하여 받음각 변화, 미리 계획된 버즈 마진 적용 그리고 대기 외란을 모의하였다. 대기 외란은 참고문헌[13]에 있는 약 난류(Light turbulence) 조건에 대해 고도 증가효과를 고려하였고, 버즈마진의 추종성능을 살펴보기 위하여 10%의 버즈마진으로부터 마하수가 증가할수록 8%로 낮아지는 계획 조건에 대해 시뮬레이션 하였다.
시뮬레이션은 Table 2와 같이 고정된 비행조건(Fixed flight condition)과 두 가지의 기동조건 (Maneuver condition)으로 나누어 제어명령 안정화 및 추종성능을 살펴보았다. 두 가지의 기동 조건은 비행 마하수만을 변화시켰을 경우에 스케줄러와 제어기의 성능이 모두 정상적으로 작동하는지 확인하기 위해 수행하였고, 두 번째의 기동조건에서는 비행 마하수, 받음각, 연료 섭동과 아울러 버즈마진이 계획되는 경우를 모의하였다.
본 논문에서는 공간 활용도가 충분하지 않아 가변형상 흡입구를 쉽게 적용할 수 없는 조건에서 넓은 비행 마하수 영역에서 안정적이고 높은 압축효율을 획득할 수 있는 방안을 제어기법 관점에서 제안하였다. 먼저 흡입구를 제어하기 위한 다양한 선행 연구결과를 제어 목적변수를 중심으로 살펴보았다. 분석한 선행 연구결과를 토대로 하여 현실적인 적용 관점에서 장단점을 분석하였고, 광범위한 마하수 영역에서 적절한 제어구조를 도출하였다.
먼저 흡입구를 제어하기 위한 다양한 선행 연구결과를 제어 목적변수를 중심으로 살펴보았다. 분석한 선행 연구결과를 토대로 하여 현실적인 적용 관점에서 장단점을 분석하였고, 광범위한 마하수 영역에서 적절한 제어구조를 도출하였다. 이를 기반으로 하여 비행 영역에 적절한 스케줄링 기법과 제어기를 설계하였고 연구용 엔진에 적용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
시뮬레이션은 Table 2와 같이 고정된 비행조건(Fixed flight condition)과 두 가지의 기동조건 (Maneuver condition)으로 나누어 제어명령 안정화 및 추종성능을 살펴보았다. 두 가지의 기동 조건은 비행 마하수만을 변화시켰을 경우에 스케줄러와 제어기의 성능이 모두 정상적으로 작동하는지 확인하기 위해 수행하였고, 두 번째의 기동조건에서는 비행 마하수, 받음각, 연료 섭동과 아울러 버즈마진이 계획되는 경우를 모의하였다.
엔진 시뮬레이션 모델은 참고문헌[5]를 기반으로 하여 흡입구의 최대 전압력 회복율과 유량계수로 구성된 정적 데이터 테이블을 추가하고 종말 충격파 위치 이외에도 흡입구 출구의 전압력을 계산하여 센서 출력 값으로 사용할 수 있도록 변경하였다. 이러한 모델 구조를 이용하면 풍동시험결과를 쉽게 이용할 수 있고, 최대 전압력 회복율을 알고 있기 때문에 버즈마진을 쉽게 계산할 수 있다는 장점이 있다.
5초 이내로 안정화 되고 목표 버즈마진 또한 10%로 안정화 되는 결과를 보였다. 이는 제어기가 고정된 비행조건에서 버즈마진 안정화를 위해 정상적인 작동을 하고 있다는 것을 의미하기 때문에 전압력 스케줄러와 결합한 기동조건에 대한 시뮬레이션을 추가 수행하였다.
초음속 흡입구의 압축유동을 제어하는 방법은 구동장치의 주파수 대역폭을 고려하여 적절한 수준의 안전 여유를 가진 아임계 조건에서의 운용이 가장 현실적인 접근 방법으로 알려져 있다[3]. 이러한 접근방법을 구현하기 위해서는 어떠한 측정변수와 구동장치를 이용하여 제어 시스템을 구성해야 할 것인지 살펴보아야 하는데, 넓은 비행 영역을 운용하는 관점에서의 구동장치의 특성은 제어기법과 다소 무관하기 때문에 본 연구에서는 제어해야 할 변수를 중심으로 선행 연구 사례를 분석하였다.
분석한 선행 연구결과를 토대로 하여 현실적인 적용 관점에서 장단점을 분석하였고, 광범위한 마하수 영역에서 적절한 제어구조를 도출하였다. 이를 기반으로 하여 비행 영역에 적절한 스케줄링 기법과 제어기를 설계하였고 연구용 엔진에 적용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 흡입 유량 및 균질도와 같은 유동적 관점에서의 문제가 발생하지 않는다면 요구되는 마하수 영역에서 높은 압축효율 및 안정적인 스케줄링 결과를 획득할 수 있음과 동시에 제어 가능할 것으로 판단된다.
흡입구의 압축유동을 제어하는 전형적인 세 가지 방법을 제어변수 관점에서 살펴보았다. 각각의 방법은 Table 1과 같이 제어 명령에 따른 제어 변수의 응답특성, 측정 정확도, 센서 시스템의 복잡한 정도, 제어 구동장치 명령에 따른 센서의 응답속도, 넓은 마하수 영역에서의 스케줄링 가능성 그리고 제어성능 해석의 용이성에 따라 서로 상이한 특성을 보인다.
흡입구의 전압력을 제어하기 위해서는 연료 유량과 노즐목 모두를 제어입력으로 사용할 수 있지만, 본 연구에서는 문제를 간단하게하기 위하여 가변 노즐목을 제어 입력수단으로 사용하였다.

성능/효과

검토결과 넓은 비행 마하수 영역에서의 제어는 스케줄링 특성이 용이한 제어변수를 사용하는 것이 유리한데 이러한 관점에서는 마하수와 전압력 회복율 제어가 적절한 것으로 판단된다. 아울러 명령 응답특성의 복잡함으로 인해 제어 기법의 설계가 다소 복잡해질 수 있다는 점을 제외하면 디퓨져 전압력을 이용한 제어기법이 가장 유용한 제어 기법임을 알 수 있다.
9와 같이 공급하였고 버즈마진 제어기는 노즐목을 점진적으로 감소시키는 명령을 발생시켰다. 비행 마하수가 증가해 감에 따라 버즈마진 10%를 달성하기 위한 정규화 한 명령 전압력 대비 응답은 Fig. 10과 같이 나타났고 이에 따른 버즈마진은 초기의 트림조건에서 마하수 증가에 의해 11%까지 급격히 증가한 이후 목표 버즈마진을 잘 추종하고 있는 결과를 보였다.
5%의 오차를 갖는 버즈마진 안정화 성능과, 비행 마하수 및 받음각 변화 조건에서도 비행 초기구간에서 1%의 버즈마진 제어오차를 갖는 높은 추종성능을 확인하였다. 외란에 대한 제어 강인성을 확인하고자 수행한 버즈마진 추종 시뮬레이션 결과는 낮은 비행 마하로부터 높은 비행 마하수까지 전 영역에서 1% 이내의 높은 제어 정확도와 강인한 제어성능을 보였다.
광범위한 마하수 영역에서 버즈마진을 제어하기 위한 적절한 제어변수와 계획기법을 제안하였다. 제어기법의 타당성을 검증하기 위하여 수행한 수치 시뮬레이션 결과 10%의 연료 외란에 대해 2.5%의 오차를 갖는 버즈마진 안정화 성능과, 비행 마하수 및 받음각 변화 조건에서도 비행 초기구간에서 1%의 버즈마진 제어오차를 갖는 높은 추종성능을 확인하였다. 외란에 대한 제어 강인성을 확인하고자 수행한 버즈마진 추종 시뮬레이션 결과는 낮은 비행 마하로부터 높은 비행 마하수까지 전 영역에서 1% 이내의 높은 제어 정확도와 강인한 제어성능을 보였다.

후속연구

이를 기반으로 하여 비행 영역에 적절한 스케줄링 기법과 제어기를 설계하였고 연구용 엔진에 적용하여 수치 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 흡입 유량 및 균질도와 같은 유동적 관점에서의 문제가 발생하지 않는다면 요구되는 마하수 영역에서 높은 압축효율 및 안정적인 스케줄링 결과를 획득할 수 있음과 동시에 제어 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡입구 출구 전압력이란 무엇인가?	흡입구 출구 전압력은 흡입구 압축 성능을 나타내는 전압력 회복율의 직접적인 매개변수로써 이 변수를 제어하게 되면 상기에서 언급한 두가지의 간접적인 변수를 제어함으로써 발생하는 제어오차를 최소화 할 수 있다. 이는 제어시스템을 개발하는 과정에서도 다양한 시험평가와 연계하여 가장 측정하기 쉬우면서 그 성능을 동등 하게 비교하기 쉽다는 의미로 해석될 수 있다.
	초음속 흡입구는 무엇을 확보할 수 있도록 설계되는가?	일반적으로 고정된 형상을 갖는 초음속 흡입구는 비행체의 설계점에서 최적의 압축효율 및 안정성을 확보할 수 있도록 설계된다. 설계점 이외의 넓은 비행영역에서 운용해야 하는 초음속 공기 흡입구의 경우에는 탈 설계점에서의 마하수 및 받음각 조건에서 압축 성능이 저하됨과 동시에 흡입구 불안정성을 발생시키는 문제를 동반하게 된다.
	충격파 위치제어를 수행할 때 비행 마하수가 증가할수록 디퓨저 압력비율이 등 전압력 회복율보다 낮아지는 특성을 갖는 이유는 무엇인가?	1과 같이 충격파 위치제어를 수행할 경우에는 비행 마하수가 증가할수록 디퓨져 압력비율(Diffuser pressure ratio, 자유흐름 정압력 대비 디퓨져의 전압력)이 등 전압력 회복율(Equivalent pressure recovery)보다 점점 더 낮아지는 특성을 갖는다. 이러한 이유는 종말 충격파의 위치가 고정되어 있는 상태에서 비행 마하수가 변하게 되면 충격파의 강도에 따른 최대 전압력과 운용중인 아임계 조건에서의 전압력 회복율이 마하수에 따라 동일하게 비례하여 변하지 않기 때문이다. 따라서 설계점에서의 목표 종말 충격파 위치는 탈 설계점에서 높은 압축효율을 획득하기 어렵게 한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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