[논문]항공기 탑재 컴퓨터용 간접낙뢰 보호장치 개발 및 검증

심용기; 안태식; 박준현; 한종표; 양서희

doi:10.12673/jant.2015.19.5.395

[국내논문] 항공기 탑재 컴퓨터용 간접낙뢰 보호장치 개발 및 검증
Development and Verification of Lightning Induced Transient Protection Device for Avionics Computer 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.19 no.5 = no.74, 2015년, pp.395 - 402

심용기 (LIG넥스원 항공연구센터) , 안태식 (LIG넥스원 항공연구센터) , 박준현 (LIG넥스원 항공연구센터) , 한종표 (국방과학연구소 제7기술연구본부) , 양서희 (국방과학연구소 제7기술연구본부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 간접낙뢰로 인한 항공기 탑재 컴퓨터의 손상을 보호하기 위한 간접낙뢰 보호장치의 설계 내용 및 시험 과정을 소개한다. 낙뢰로부터 유도된 서지 전압은 항공기 전기 전자장비의 기능 장애나 손상을 가져오는데 이것을 낙뢰의 간접영향이라 한다. 이러한 항공기의 낙뢰 간접영향으로부터 항공전자 장비를 보호하기 위해서는 항공기에 가해진 낙뢰로 인한 영향성을 분석하고 이에 따른 보호 설계를 각각의 장비에 적용한다. 본 논문에서는 보호대상 장비의 간접낙뢰로 인한 손상을 방지하기 위하여 수행한 RTCA DO-160G Section22의 카테고리 분석과 선정을 통한 간접낙뢰 수준 결정, 선정된 레벨에 따른 보호회로 설계 방법을 소개한다. 또한 설계된 보호회로의 유효성 확인을 위해 수행한 낙뢰 간접영향 검증시험 결과를 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper introduces the design details and test procedures of the lightning induced transient protection device for protecting the damage caused by indirect lightning strike on the computer mounted on the aircraft. Lightning induced surge voltage is bring a malfunction or damage to the aircraft electrical and electronic equipment, that is referred to indirect effects of lightning. In order to protect the electronic equipment on aircraft from the indirect effects of lightning, that is achieved by analyzing the effect on aircraft from lightning and protect design for each devices. In this paper, we introduce an indirect lightning strike level decisions, the protection circuit design method according to the chosen level through the RTCA DO-160G Section 22 category analysis and selection was performed in order to protect the damage caused by indirect lightning strikes in the protected equipment. In addition, we show the indirect lightning effects verification test performed to validate the designed protection circuits.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 항공기 탑재 컴퓨터용 간접낙뢰 보호장치의 DO-160G section22 간접낙뢰 시험을 위한 카테고리 선정, 간접 낙뢰 보호회로 설계, 분석 및 공인기관에서의 시험을 통한 검증 사례를 소개하였다. 차후 국내개발 항공기 개발 수요가 증가될 것으로 예상되며, 또한 국내개발 항공기에 탑재되는 컴퓨터 중국산 장비가 차지하는 비율이 높아질 것으로 예상되므로, 향후 항공기 탑재 컴퓨터의 간접낙뢰 시험에 대한 요구가 점차 증가할 것으로 예상된다.
본 논문에서는 항공기 탑재 컵퓨터용 간접낙뢰 보호장치 개발 과정에서 수행한 RTCA DO-160G, section22 분석에 따른 간접낙뢰 보호회로 설계내용과 검증시험을 수행한 결과를 기술하여 향후 유사장비 개발 시 참고 사례가 될 수 있도록 하였다. 또한 간접낙뢰 보호장치를 장비 내부에 설계하는 기존방식과는 다르게 그림 1 과 같이 항공기 탑재 컴퓨터의 외부 커넥터에 부착되는 아답터 형태로 개발함으로써, 현재 개발이 진행중이거나 개발이 완료된 장비에도 설계를 수정하지 않고 낙뢰보호 기능을 추가할 수 있도록 하였다.

제안 방법

MIL-STD-1553B(이하 “1553”)라인은 항공기의 복합재 파트에 장착된 장치와 상호 연결되어 통신하므로, B3규격의 낙뢰보호가 가능하도록 설계하였다. 1553 라인도 CAN 인터페이스와 마찬가지로 양방향 TVS 다이오드에 직렬로 스위칭 다이오드를 적용하여 보호회로를 구성하였다.
CAN 인터페이스 라인은 그림 9와 같이 양방향 TVS다이오드와 스위칭 다이오드를 적용하여 낙뢰에 대한 대책을 수립하였다.
MIL-STD-1553B(이하 “1553”)라인은 항공기의 복합재 파트에 장착된 장치와 상호 연결되어 통신하므로, B3규격의 낙뢰보호가 가능하도록 설계하였다.
RTCA DO-160G section 22 lightning induced transient susceptibility(이하 “DO-160 낙뢰간접영향 시험”) 의 카테고리를 기준으로 핀주입 시험과 케이블 번들 시험으로 수행되며, 본 논문에서는 간접낙뢰 보호장치의 간접낙뢰 보호기능을 검증하는데 적합한 핀 주입시험만을 고려하였다.
앞서 선정한 카테고리를 고려하여 간접낙뢰 대책을 수립하였다. TVS 다이오드를 사용하여 보호회로를 구성하고 전원 및 각 신호별 운용전압과 주파수 특성을 고려하여 보호회로를 설계하였다.
디스크리트 입력/출력 단은 그림 8과 같이 양방향 TVS다이오드와 역전압 보호용 다이오드를 적용하여 낙뢰에 대한 대책을 수립하였다. 사용된 디스크리트 회로를 고려하여 ±36 V clamping 전압을 갖는 TVS 다이오드를 선정하였다.
여기에 추가로 부극성에서 디스크리트 출력의 상태가 28 V인 경우 부극성 최대 clamping 전압인 –36 V가 IC에 인가되면, IC에 총 64 V(28 V+36 V)의 전압이 인가되고, 이는 IC의 입력전압 범위인 0~+50 V를 초과하기 때문에 IC가 손상될 수 있다. 따라서 부극성에서의 회로 손상 방지를 위해 역전압 보호용 정류 다이오드를 추가로 적용하여, 부극성에서의 서지 전류는 정류 다이오드를 통해 빠져나가도록 하였다.
본 논문에서는 항공기 탑재 컵퓨터용 간접낙뢰 보호장치 개발 과정에서 수행한 RTCA DO-160G, section22 분석에 따른 간접낙뢰 보호회로 설계내용과 검증시험을 수행한 결과를 기술하여 향후 유사장비 개발 시 참고 사례가 될 수 있도록 하였다. 또한 간접낙뢰 보호장치를 장비 내부에 설계하는 기존방식과는 다르게 그림 1 과 같이 항공기 탑재 컴퓨터의 외부 커넥터에 부착되는 아답터 형태로 개발함으로써, 현재 개발이 진행중이거나 개발이 완료된 장비에도 설계를 수정하지 않고 낙뢰보호 기능을 추가할 수 있도록 하였다.
측정결과는 표 3과 같다. 또한 파형 인가 전과 인가 후 간접낙뢰 보호장치의 정전용량 변화여부를 측정하여 보호 회로의 손상여부를 표 4와 같이 확인하고, 보호대상인 항공기 탑재용 컴퓨터의 기능검사를 수행하여 간접낙뢰 보호장치와 시험대상 항공기 탑재 컴퓨터의 정상여부를 확인하였다.
각 그림의 좌측은 전압파형, 우측은 전류파형이다. 시험 파형을 인가했을때 스코프를 통해 정극성에서의V_MAX와 부극성 에서 의V_MIN값을 확인하여 설계한 보호회로가 정상동작 하는지를 확인하였다. 측정결과는 표 3과 같다.
시험대상 장비의 전원 요구사항인 MIL-STD-704F, 28 VDC 조건을 고려하여 ±50 V 이상 clamping전압을 갖는 TVS 다이오드를 선정하여 보호한다.
아날로그 출력단도 전원 인터페이스와 마찬가지로 양방향 TVS 다이오드를 적용하여 낙뢰에 대한 대책을 수립하였다. 항공기 탑재 컴퓨터의 아날로그 출력전압 범위인 –10 ~ 10 V를 고려하여 ±15 V clamping 전압을 갖는 TVS 다이오드를 선정하여 보호한다.
앞서 선정한 카테고리를 고려하여 간접낙뢰 대책을 수립하였다. TVS 다이오드를 사용하여 보호회로를 구성하고 전원 및 각 신호별 운용전압과 주파수 특성을 고려하여 보호회로를 설계하였다.
전원 인터페이스는 그림 6과 같이 input과 return단에 양방향 TVS 다이오드를 적용하여 정극성/부극성으로 인가되는 간접 낙뢰에 대한 대책을 수립하였다.
전원 인터페이스를 제외한 신호핀의 시험은 파형3, 파형4, 파형5 모두 직접주입(direct injection) 시험(그림 10)을 적용하고, 전원 인터페이스는 시험 당일의 시험장 여건상 전원 인가 상태에서의 핀 주입 시험이 불가능하여, DO-160G 22.5.1절 e항에 근거하여 파형3은 케이블 유도 (cable induction) 시험(그림 11)을 적용하였으며 파형4는 접지 주입 (ground injection) 시험(그림 12)으로 수행하였다.

대상 데이터

CAN transceiver의 전기적 특성을 고려하여 ±15 V clamping 전압을 갖는 TVS 다이오드를 선정하였다.
사용된 디스크리트 회로를 고려하여 ±36 V clamping 전압을 갖는 TVS 다이오드를 선정하였다.

이론/모형

설계된 간접낙뢰 보호회로의 검증을 위하여 RTCA DO-160G 규격을 적용하여 시험을 수행하였다 [5].

성능/효과

계산 결과 TVS 다이오드의 40/120 µs에서의 피크 전류값은 344 A로, 실제 파형5에서 TVS 다이오드에 흐르는 피크 전류 269.7 A보다 크다.
계산 결과 TVS 다이오드의 6.9/69 µs에서의 피크 전류값은 165.12 A로, 실제 파형4에서 TVS 다이오드에 흐르는 피크 전류 45.46 A보다 크다.
시험 파형 인가 결과 설계한 보호회로가 정상동작하며, 정전용량 측정 결과와 보호대상인 항공기 탑재 컴퓨터의 기능시험 결과 정상 동작함을 확인하여 DO-160G section 22의 카테고리 A3XXXX(MIL-STD-1553B 제외), B3XXXX(MIL-STD-1553B)에서 내성이 있음을 확인하였다.

후속연구

차후 국내개발 항공기 개발 수요가 증가될 것으로 예상되며, 또한 국내개발 항공기에 탑재되는 컴퓨터 중국산 장비가 차지하는 비율이 높아질 것으로 예상되므로, 향후 항공기 탑재 컴퓨터의 간접낙뢰 시험에 대한 요구가 점차 증가할 것으로 예상된다. 본 논문에서 다룬 간접낙뢰 보호회로 설계 및 시험 과정을 통해 향후 유사 장비 개발과 기존 장비에 간접 낙뢰 보호회로를 추가하는데 도움이 될 것으로 예상된다.
본 논문에서는 항공기 탑재 컴퓨터용 간접낙뢰 보호장치의 DO-160G section22 간접낙뢰 시험을 위한 카테고리 선정, 간접 낙뢰 보호회로 설계, 분석 및 공인기관에서의 시험을 통한 검증 사례를 소개하였다. 차후 국내개발 항공기 개발 수요가 증가될 것으로 예상되며, 또한 국내개발 항공기에 탑재되는 컴퓨터 중국산 장비가 차지하는 비율이 높아질 것으로 예상되므로, 향후 항공기 탑재 컴퓨터의 간접낙뢰 시험에 대한 요구가 점차 증가할 것으로 예상된다. 본 논문에서 다룬 간접낙뢰 보호회로 설계 및 시험 과정을 통해 향후 유사 장비 개발과 기존 장비에 간접 낙뢰 보호회로를 추가하는데 도움이 될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	핀 주입시험 레벨 기준은 단계별로 어떻게 되는가?	핀 주입시험 레벨 기준은 장비의 장착환경에 따라 레벨 1부터 5로 표현된다. 레벨 1은 객실 안의 잘 보호되고 있는 환경으로 장비가 항공기 표면에서 가장 멀고, 보호를 받는 위치에 장착되는 장비에 적용한다. 레벨 2는 주로 금속으로 된 항공기로 둘러싸인 항공전자 격실과 같은 부분적으로 보호되고 있는 환경에 설치된 장비와 상호연결 배선에 적용한다. 레벨 3은 주로 금속으로 이루어지는 항공기의 전자기적으로 열린 지역(예를 들면, 조종실)과 같은 환경에서 장착되는 장비 및 상호 연결 배선에 적용한다. 레벨 4~5는 혹심한 전자기의 영향을 받는 장비로 보호망이 없는 상당한 량의 복합 재료로 된 항공기체에 연관되어 장착되는 장비로 착륙 장치 또는 추진 시스템 제어장치에 적용한다[3].
	낙뢰에 대한 대책으로 가장 보편적으로 사용되는 방안은?	낙뢰에 대한 대책으로 가장 보편적으로 사용되는 방안은 TVS다이오드를 장비의 입력단에 배치하는 방안이다. 낙뢰 시험 시 외부에서 핀이나 케이블을 통하여 입력되는 외부의 순간적인 stress를 입력단의 protection 회로에 의하여 억압시켜 외부에서 입력되는 영향을 최소화하여 보호하는 방식이다 [6].
	낙뢰의 간접영향이란?	본 논문에서는 간접낙뢰로 인한 항공기 탑재 컴퓨터의 손상을 보호하기 위한 간접낙뢰 보호장치의 설계 내용 및 시험 과정을 소개한다. 낙뢰로부터 유도된 서지 전압은 항공기 전기 전자장비의 기능 장애나 손상을 가져오는데 이것을 낙뢰의 간접영향이라 한다. 이러한 항공기의 낙뢰 간접영향으로부터 항공전자 장비를 보호하기 위해서는 항공기에 가해진 낙뢰로 인한 영향성을 분석하고 이에 따른 보호 설계를 각각의 장비에 적용한다.

참고문헌 (9)

J. P. Lee and J. S. Tae, "Indirect lightning test for T-50 aircraft", The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences, pp. 883-888, Nov. 2006.
S. H. Han, "Lightning indirect effects of aircraft certification test trends", Current Industrial and Technological Trends in Aerospace, Vol. 5, No. 2, pp. 87-97, Dec. 2007.
Y. H Cheon, S. P. Lee, and J. H. Park, "Considering the multi-purpose display designed for aircraft lightning protection", Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 18, No. 5, pp. 445-454, Oct. 2014.

원문보기 상세보기
Radio Technical Commission for Aeronautics Inc : RTCA/DO-160G, Environmental conditions and test procedures for airborne equipment, section22 lightning induced transient susceptibility, RTCA, Inc : 1828 L Street, NW Suite 805 Washington, DC 20036, pp. 22-1-22-42, Dec. 2010.
S. H. Han, "Certification of aircraft system and avionics equipment against lightning indirect effect", Aerospace Engineering and Technology, Vol. 4, No. 1, pp. 248-259, Jul. 2005.
On Semiconductor Components Industries, LLC. Transientovervoltage protection [Internet].Available: http://www.onsemi.com/PowerSolutions/search.do?queryTND335-Dparam1typeparam1_valdocumentparam2doc_typeparam2_valWhite Papers
M. Clark, Lightning protection for aircraft per RTCA/DO-160D and ARINC 429 protocol, Microsemi Corporation, Scottsdale, AZ, MicroNote 126, 2004.
TVS diode surface mount - 5000W > 5.0SMDJ series, Littlefuse Inc : 8755 Higgins Rd #500, Chicago, IL 60631, pp. 90-95, Oct. 2014.
S. Nayak, TVS devices & transmission rates, ProTek Devices, 2929 South Fair Lane Tempe, Arizona 85282, Technical Article 1057, Sep. 2013.

저자의 다른 논문 :

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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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