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문제 정의
- 본 연구에서는 수리온을 대상으로 AVCS 성능을 시연하고 체계 적용 절차 및 비행시험 결과를 정리하였으며, 지상 및 비행시험 데이터를 이용한 AVCS 최적화 과정을 작동기 조합을 위주로 검토하였다. 이를 통해 AVCS 개발에 필수적인 지상/비행시험 계획 및 수행, 데이터 분석 및 시스템 최적화 기술을 확보하였다.
제안 방법
- AVCS 최종 형상을 결정하기 위해서는 가속도계와 CFG가 장착 가능하고 진동의 측정과 힘의 전달이 효과적이라고 추정되는 후보위치를 선정하여 1단계 데이터 획득 업무를 수행한다. 2단계의 최적화 과정을 통해 최종 형상에 대한 후보를 도출하고, 3단계 AVCS 적용 비행시험 과정에서 조절 과정을 거쳐 최종 형상을 확정하고 성능확인 비행시험을 수행한다.
- 최종 비행시험 형상에 대해서 마지막으로 수행해야 하는 업무는 위치별 가중치 조절이다. 가중치 조절은 센서와 작동기 모두 부가할 수 있으나, 본 연구에서는 센서 가중치 조절에 따른 특성 변화만 고려하였다. 최적화 과정에서는 단위 가중치(unit weighting) 상태에서 계산하고, 비행시험 단계에서 조종사, 부조종사, 기술사의 정성적 평가 및 요구사항을 반영하기 위한 미세 조정을 위한 비행시험을 수행한다.
- 가중치 조절이 완료된 최종 AVCS 형상을 적용한 성능확인 비행시험 결과를 통해 AVCS의 성능을 확인하였다. 45개의 가속도계 중 조종사와 부조종사의 발뒤꿈치 위치에 설치된 z-방향 가속도 신호의 크기 변화를 수평비행 전진 속도별로 Fig.
- 이를 통해 AVCS 개발에 필수적인 지상/비행시험 계획 및 수행, 데이터 분석 및 시스템 최적화 기술을 확보하였다. 독자적인 시스템 최적화를 수행하여 최적의 진동제어 성능을 발휘하는 후보군을 도출하고 성능 해석 및 비행시험 데이터와 비교 분석을 수행하였다. 최종 형상에 대한 비행시험 결과 분석을 통해 조종석 및 객실에서 기본 형상 항공기의 진동수준대비 70% 이상의 진동 저감이 가능함을 확인하였고, 수동형 진동저감장치를 적용한 경우와 비교해도 40 ~ 50% 수준의 진동저감 성능 향상이 가능함을 확인하였다.
- 동체 진동측정을 위하여 Fig. 5와 같이 AVCS 센서 후보위치 45개를 선정하였으며, 모니터링용으로 엔진, 기어박스, 수평미익, 수직미익에도 가속도계를 추가로 장착하여 활용하였다.
- 즉, 목적함수 값이 동일해도 어떤 경우는 1번 위치의 가속도가 작고 2번 위치의 가속도가 큰 반면, 다른 조합은 1번 위치 가속도가 크고 2번 위치 가속도가 작을 수도 있다. 따라서 전체적인 진동 저감 성능이 우수할 것으로 예상되는 후보군에 대해서 3 단계 비행시험 과정에서 정량적 평가와 함께 사용자의 정성적 평가를 반영하여 최종 후보를 선정하고 미세 조정 과정을 거쳐 최종 AVCS 형상을 선정하게 된다.
- 전달함수 획득과 비행 진동데이터 획득은 항공기 중량 및 무게중심 변화를 포함하여 수행되어야 하고, 헬리콥터 운용 중 발생 되는 다양한 진동 환경을 반영하여 비행조건을 설정한다. 본 연구에서는 OPW(operating weight), MTOGW(maximum take off gross weight) 두 가지 중량의 항공기 형상과 수평(level flight), 감속(deceleration), 가속(acceleration), 선회(bank turn), 상승(climb), 하강(descent), 착륙접근(approach) 비행조건에서 1단계 업무를 수행하였다.
- 본 연구에서는 작동기 개수에 따른 진동제어 성능 변화를 중점적으로 고찰하였으나, 실제 항공기에 AVCS를 적용할 때에는 진동제어 성능향상에 수반되는 시스템 총 중량의 증가, 장착에 필요한 공간, 소모 동력 등을 종합적으로 고려하여 선정된다.
- 비교적 진동저감 성능이 우수한 (14×4), (14×5), (14×6) 시스템 중 몇 가지 조합을 선택하여 비행시험을 수행하였으며, 정량적 계측 결과와 조종사, 부조종사, 기술사의 정성적 평가결과를 종합하여 최종 비행시험 형상으로 5개의 CFG를 사용하는 (14×5) 시스템을 선정하였다.
- 7과 같다. 상기 절차에 따라 최적화 과정을 수행하였다.
- ) 천억 개 이상의 조합이 가능할 수 있지만, 현실적으로 진동 저감 목표위치가 특정되어 있어 선택 가능한 조합은 많지 않다. 수리온 AVCS 시연 프로그램에서는 2 세트의 가속도계 조합을 이용하였으며, 본 연구의 최적화 시뮬레이션에서는 2 개중 최종형상에 적용된 가속도계 1 세트를 고정하여 사용하였다. Fig.
- 본 연구에서는 수리온을 대상으로 AVCS의 성능을 시연하고 체계 적용 절차를 검토하기 위해 한국항공우주산업(주)과 LORD Corp.이 주도하고 한국항공우주연구원이 참여하여 2013년 2월 ~ 2014년 1월까지 AVCS 성능 시연(performance demonstration) 프로그램을 수행하였다. 한국항공우주산업(주)은 지상 및 비행시험을 주관하고 시험데이터를 분석하였으며, LORD사는 AVCS의 장착 및 데이터 분석을 통한 최적의 AVCS 후보군 도출 및 비행시험을 통한 진동저감 성능 시연을 주관하였다.
- 본 연구에서는 수리온을 대상으로 AVCS 성능을 시연하고 체계 적용 절차 및 비행시험 결과를 정리하였으며, 지상 및 비행시험 데이터를 이용한 AVCS 최적화 과정을 작동기 조합을 위주로 검토하였다. 이를 통해 AVCS 개발에 필수적인 지상/비행시험 계획 및 수행, 데이터 분석 및 시스템 최적화 기술을 확보하였다. 독자적인 시스템 최적화를 수행하여 최적의 진동제어 성능을 발휘하는 후보군을 도출하고 성능 해석 및 비행시험 데이터와 비교 분석을 수행하였다.
- 가중치 조절은 센서와 작동기 모두 부가할 수 있으나, 본 연구에서는 센서 가중치 조절에 따른 특성 변화만 고려하였다. 최적화 과정에서는 단위 가중치(unit weighting) 상태에서 계산하고, 비행시험 단계에서 조종사, 부조종사, 기술사의 정성적 평가 및 요구사항을 반영하기 위한 미세 조정을 위한 비행시험을 수행한다.
- 최종 비행시험 형상을 이용하여 40 kts 수평비행 조건에서의 진동제어 성능을 시간영역 해석을 통해 살펴보았다. 10초부터 AVCS가 작동하도록 시뮬레이션 하였고 μ =0.
- 추가적으로 모든 CFG를 사용할 경우 얻을 수 있는 효과를 살펴보기 위하여 (14×8) 시스템에 대해서도 비행시험이 이루어졌다.
대상 데이터
- (1) 항공기 형상은 OPW 중량의 기본 항공기로 선정하였다. 기본 항공기는 수동형 진동저감 장치가 장착되지 않은 상태를 의미한다.
- CFG 개수별 상위 10개의 후보군들 중에서 진동저감 성능과 시스템 중량 등을 고려하여 비행시험 후보 형상을 선정하였다. 비교적 진동저감 성능이 우수한 (14×4), (14×5), (14×6) 시스템 중 몇 가지 조합을 선택하여 비행시험을 수행하였으며, 정량적 계측 결과와 조종사, 부조종사, 기술사의 정성적 평가결과를 종합하여 최종 비행시험 형상으로 5개의 CFG를 사용하는 (14×5) 시스템을 선정하였다.
- CFG의 장착 및 운용이 가능한 후보위치는 Fig. 4와 같이 조종석과 객실 후방 8개 위치로 선정되었다. 각 CFG는 시계방향(clockwise, CW), 반시계방향(counter clockwise, CCW)으로 작동시킬 수 있으므로 총 16가지의 가진기를 운용하는 것으로 고려할 수 있다.
- 본 연구를 위해 수리온에 적용된 LORD사의 AVCS는 제어기, 원형하중발생기(circular force generator, CFG), 가속도계, 타코미터 및 통신모듈로 구성된다. Fig.
이론/모형
- 알고리즘을 구현할 때에는 제어기가 구동되는 매시간 단계마다 경사 하강법(gradient descent) 을 이용하여 제어입력을 계산해서 적용한다.
성능/효과
- (2) 비행조건은 반복시험이 용이하고 상대적으로 진동이 크게 발생하는 저속 수평비행 조건인 40 kts 수평비행 상태를 선택하였다.
- (3) 제어용 가속도계는 45개 중 14개의 조합을 선정하는 것으로( 45C14 ) 천억 개 이상의 조합이 가능할 수 있지만, 현실적으로 진동 저감 목표위치가 특정되어 있어 선택 가능한 조합은 많지 않다. 수리온 AVCS 시연 프로그램에서는 2 세트의 가속도계 조합을 이용하였으며, 본 연구의 최적화 시뮬레이션에서는 2 개중 최종형상에 적용된 가속도계 1 세트를 고정하여 사용하였다.
- AVCS를 적용함으로써 기본 항공기 대비 평균 약 70% 정도의 진동 저감 효과가 있고, 수동형 동조 흡진기(tuned vibration absorber, TVA)를 적용한 경우보다도 40 ~ 50% 진동이 저감 가능함을 살펴볼 수 있다. 8개의 CFG를 적용한 경우 수평비행 조건에서는 5개 CFG를 사용하는 경우에 비해 추가적인 진동저감 효과는 그리 크지 않았다.
- 15에 나타내었다. AVCS를 적용함으로써 기본 항공기 대비 평균 약 70% 정도의 진동 저감 효과가 있고, 수동형 동조 흡진기(tuned vibration absorber, TVA)를 적용한 경우보다도 40 ~ 50% 진동이 저감 가능함을 살펴볼 수 있다. 8개의 CFG를 적용한 경우 수평비행 조건에서는 5개 CFG를 사용하는 경우에 비해 추가적인 진동저감 효과는 그리 크지 않았다.
- Figure 10에서는 CFG 개수 증가에 따른 진동제어 성능 향상뿐만 아니라, 각각의 조합이 14개 위치의 진동 크기에 미치는 영향을 검토해 볼 수 있다. CFG를 2개에서 3개로 증가시키면 전체적인 진동저감 성능은 향상되나 12번 위치에서는 오히려 증가하는 현상을 보이고, CFG를 5개 이상 사용 시 평균 0.1g 수준의 크기로 진동제어가 가능함을 알 수 있다.
- 8개의 CFG의 경우에는 TVA보다 근소하게 중량이 증가하게 되어 진동 저감 성능 향상 대비 중량 절감 효과는 없다. 본연구의 비행시험 결과만으로는 5개의 CFG로 AVCS를 구성하는 것이 적절하다고 판단된다. 최종적인 시스템 구성은 사용자의 선택에 따라 달라지지만 일반적으로 수동형 진동저감장치를 AVCS로 대체할 경우 수동형 장치 대비 작은 중량으로 좀 더 우수한 성능을 발휘하도록 시스템 구성이 가능하다고 판단된다.
- 최종 형상에 대한 비행시험 결과 분석을 통해 조종석 및 객실에서 기본 형상 항공기의 진동수준대비 70% 이상의 진동 저감이 가능함을 확인하였고, 수동형 진동저감장치를 적용한 경우와 비교해도 40 ~ 50% 수준의 진동저감 성능 향상이 가능함을 확인하였다. 시스템 중량 측면에서도 TVA 대비 작은 중량으로 보다 우수한 성능의 AVCS 구성이 가능하다고 분석되었다.
- 독자적인 시스템 최적화를 수행하여 최적의 진동제어 성능을 발휘하는 후보군을 도출하고 성능 해석 및 비행시험 데이터와 비교 분석을 수행하였다. 최종 형상에 대한 비행시험 결과 분석을 통해 조종석 및 객실에서 기본 형상 항공기의 진동수준대비 70% 이상의 진동 저감이 가능함을 확인하였고, 수동형 진동저감장치를 적용한 경우와 비교해도 40 ~ 50% 수준의 진동저감 성능 향상이 가능함을 확인하였다. 시스템 중량 측면에서도 TVA 대비 작은 중량으로 보다 우수한 성능의 AVCS 구성이 가능하다고 분석되었다.
후속연구
- AVCS의 시스템 최적화는 단순히 진동저감 성능만을 고려하여 수행되는 것은 아니므로 성능, 비용, 중량을 모두 고려한 사용자의 선택이 시스템 구성을 위한 중요인자로 작용한다. 본 연구를 통해 확보된 기술은 향후 신규 헬리콥터 개발 사업 및 기존 헬리콥터의 개량 사업 과정에서 활용될 것이다.
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