[논문]항공기 시스템 레벨 열관리 기술개발 동향

김영진; 손창민

doi:10.9766/kimst.2016.19.1.035

항공기 시스템 레벨 열관리 기술개발 동향
The Trend of System Level Thermal Management Technology Development for Aero-Vehicles 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.19 no.1, 2016년, pp.35 - 42

Abstract ▼ AI-Helper

Modern aircraft is facing the increase of power demands and thermal challenges. In accordance with the application of more electric technology and advanced mission requirement, aircraft system requires increase of power generation and it cause increase of internal heat generation. Simultaneously, restrictions have significantly been imposed to the thermal management system. Modern aircraft must maintain low radar observability and infra-red signature. In addition, new composite aircraft skins have reduced the amount of heat that can be rejected to the environment. The combination of these characteristics has increased the challenges faced by thermal management. In order to mitigate the thermal challenges, the concept of system level thermal management should be applied and new modeling and simulation tools need to be developed. To develop and utilize system level thermal management technology, three key points are considered. Firstly, the performance changes of subsystems and components must be assessed at an integrated thermal system. It is because that each subsystem and component interacts with other subsystems or components and it can directly effects on overall system performance. Secondly, system level thermal management requirements and solutions must be evaluated early in conceptual design process as vehicle and propulsion system configuration decisions are being made. Finally, new component level thermal management technologies must focus on reducing heat generation and increasing the availability of heat sinks.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

1)^[6]. INVENT EOA의 목표는 구성품 또는 서브시스템 레벨에서의 최적화가 아닌 시스템 레벨에서 에너지 효율을 극대화 시키면서 높은 에너지 효율을 가지는 항공기 및 시스템을 개발하는 것이다. Fig.
회의에서는 군용장비에서 열관리 문제로 인해 제한되는 작동능력 및 이를 완하하고 개선할 수 있는 새로운 열관리 기술에 대한 검토가 이루어졌다. 또한 정상상태 및 천이조건에서의 모델링 접근방법 및 이를 검증하는 방안에 대해서도 논의되었다. 2014년부터 2016년까지는 통합 시스템 열관리 모델의 검증방안을 수립하기 위한 중점적인 연구가 진행되고 있으며, 시험장치 개발을 통한 정상상태 및 천이조건에서의 모델링에 대한 검증 방안이 검토 될 예정이다.
INVENT 프로그램에서의 핵심적인 요소는 모델링 및 시뮬레이션 도구의 개발이다. 이 프로그램은 검증된 실험 기반의 항공기 시스템 설계를 위해 엔진 및 항공기 기체 시험 연구실과 연계한 통합시스템 설비를 활용하여, 모델링 및 시뮬레이션을 통한 통합기술을 활용할 방안을 모색하고자 하였다. 이와 같은 복잡한 통합기술은 시스템 통합 시 하드웨어 기반의 접근방식에 의한 비용 및 위험성을 회피하기 위해 효율적인 모델링 및 시뮬레이션을 통한 해석적인 접근을 필요로 했다^[7].
유럽에서는 2013년부터 Airbus 주관으로 8개국 32개 협력업체가 컨소시엄을 이루고 TOICA(Thermal Overall Integrated Conception of Aircraft) 프로그램을 통하여 열관리 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 프로그램의 목표는 시스템 관점에서 항공기 전체의 열관리 개선 및 최적화 방법의 개발로써, 현재의 구성품 단위 열해석 기법을 항공기 체계설계에 반영될 수 있는 시스템 열관리 기법으로 변환하고, 아키텍처 설계 및 예비설계 단계에서 열 부하에 대한 제한적인 요소들을 통합하여 시스템의 운용환경을 개선하는 것이다. 냉각기술, 장비의 통합 열관리, 동력장치, 기체 공력 가열에 대한 영향성, 시스템 최적화를 위한 열 및 에너지 관리, 냉각원 등 6개 분야의 기술들을 분석하여 항공기 성능을 개선시키는 노력을 하고 있다(Fig.
NATO에서는 2010년 항공기, 육상장비, 해상장비에 대한 시스템 레벨 열관리의 설계 및 모델링과 관련하여 현재 직면하고 있는 문제점, 연구방향 및 정보를 공유하기 위한 전문가 회의를 개최하였다. 회의에서는 군용장비에서 열관리 문제로 인해 제한되는 작동능력 및 이를 완하하고 개선할 수 있는 새로운 열관리 기술에 대한 검토가 이루어졌다. 또한 정상상태 및 천이조건에서의 모델링 접근방법 및 이를 검증하는 방안에 대해서도 논의되었다.

가설 설정

시스템을 동작시키기 위해서는 전기적 부하가 발생 되고 이때 많은 양의 전력을 필요로 한다. 구성품내에서의 모든 전기적인 손실은 열로 변환되는 것으로 가정한다. 발전기는 엔진 동력을 입력 조건으로 하고, 이에 대한 정보는 PS 모델로부터 제공받는다.
이 모델은 발전기, 항공 전자 장비, 제어기, 모터 및 최신 전자식 무기로부터 발생되는 열 부하 등을 모두 포함한다. 이와 같은 구성품은 일정한 값의 전기적 효율을 가지는 것으로 가정하여 모델링한다^[3,14].

제안 방법

2014년부터 2016년까지는 통합 시스템 열관리 모델의 검증방안을 수립하기 위한 중점적인 연구가 진행되고 있으며, 시험장치 개발을 통한 정상상태 및 천이조건에서의 모델링에 대한 검증 방안이 검토 될 예정이다. NATO 회원국 내에서 활용 가능한 열관리 모델링 및 시험능력을 식별하고, 모델링을 검증하기 위한 시험, 분석, 전산해석적인 접근방식 등을 비교 분석한다. 또한, 서브시스템 레벨에서 구성품 사이의 상호작용 및 구성품 모델에서 탈 설계점에서의 요구도를 정량화하기 위한 방법도 검토되고 있다^[9].
PS 모델의 열 및 공력모델은 엔진 특성을 모사하기 위해 사용된다. 공력 모델은 엔진 사이클에서 온도, 속도, 압력, 추력을 모사하고, 열관리 모델은 엔진 베어링 및 기어박스 등 엔진 각 구성품에서 연료로의 열전달 특성을 모사한다. 열관리 모델은 엔진의 온도, 압력, 연료량, 샤프트 속도 및 이에 대한 추력을 입력 조건으로 하고 오일, 연소기 입구에서의 연료 및 탱크로 회수되는 연료의 온도를 출력 값으로 한다.
엔진제어기는 AVS 모델로부터 속도 및 고도 조건과 요구 추력을 받아서 엔진 운용에 필요한 연료 요구량, 회전속도 등의 정보를 PS 모델로 보낸다. 그리고, PS 모델의 시뮬레이션을 통해 얻어진 추력 정보는 AVS 모델로 전송하고, 이때 REPS 모델의 전력 생성에 따른 추력 손실은 모델링에 반영되어야 한다.
예를 들어, 전자식 기능이 증가된 최신 항공기에서 환경제어장치에서의 열 부하는 전력을 생산하는 발전기 아키텍처의 영향을 많이 받고, 반면에 전기발전 부하에 따른 열관리는 위해서는 환경제어시스템의 특성에 크게 영향을 받는다. 이와 같이 상호 연관된 조건 하에서 시스템 레벨에서의 최적의 설계 방안을 도출하기 위해서는 구성품, 서브시스템, 시스템 레벨 순으로 반복된 성능확인을 통해 효율적인 설계를 수행하고 최종적으로 시스템 레벨에서의 성능평가를 수행한다.

대상 데이터

MATLAB/Simulink 또는 상용프로그램인 AMESim, NPSS 등을 활용하여 각 서브시스템 모델을 개발하고 또한 통합 모델을 개발하고 있다. 시스템은 AVS (Aircraft Vehicle System), PS(Power System), APTMS (Adaptive Power and Thermal Management System), FTMS(Fuel Thermal Management System), HPEAS(High Power Electric Actuation System) 그리고 REPS(Robust Electrical Power System)와 같은 6개의 서브시스템으로 구성된다. Fig.

성능/효과

둘째, 열관리의 요구조건 및 적용방안은 항공기 기체 및 추진 시스템의 형상 결정과 마찬가지로 개념설계 단계에서 반드시 고려되어야 한다. 열관리 시스템은 기존의 항공기 체계 개발과정과 같이 설계과정 중 마지막 단계에서 도출되는 결과물이 아닌, 추진 시스템 및 항공기 체계 성능과 관련된 중요한 요소들이 결정되기 이전에 평가되어야 한다.
항공기의 기능 및 임무는 점차 복잡해지고 여러 서브시스템의 기능이 상호 영향을 주는 통합시스템에는 서브시스템 사이의 상호작용에 의해 비선형 동작 및 시간 변화에 따른 특성이 존재한다. 서브시스템 간의 동적 비선형을 고려한다면 시스템 레벨에서의 최적화 설계가 반드시 필요하고, 서브시스템 사이의 상호작용을 충분히 고려한 시스템 레벨에서의 성능 분석은 미래 항공기 개발 시 항공기 전체의 효율과 성능개선을 가져올 수 있다. 이러한 시스템 레벨에서의 성능 최적화를 수행하기 위해서는 진보된 모델링 및 시뮬레이션, 통합 기술이 요구되고, 모델링 및 시뮬레이션 도구 개발을 통한 해석적인 연구는 이러한 개선된 성능의 정량화를 가능하게 한다^[3,4].
5는 IPC 분류별 출원 건수 비중 및 동향을 나타내는 것으로서, 가로축은 “출원연도”, 세로축은 “출원 건수”로 설정하여 나타내고, 좌측 상단 막대 그래프는 IPC 분류별 출원 건수 비중을 출원 건수로 나타내었다. 전반적으로 IPC 분류별로 1990년대 초반과 2000년대 후반에 출원이 집중되는 경향을 보이고 있고, F02C(가스터빈 설비) 분류에 속하는 출원 건이 가장 많이 존재하는 것으로 나타나고, 2000년 중반 이후부터 증가세를 보인다. F64D(항공기의 장비) 분류는 F02C(가스터빈 설비) 분류와 전체적으로 비슷한 출원 동향을 보이고 있으나 그 출원 건수가 다소 부족하고, F02K(제트추진장비) 분류는 비교적 낮은 출원 건수를 나타내어 뚜렷한 출원 동향 파악이 어렵다고 판단된다.
첫째, 시스템 아키텍처는 모든 서브시스템 및 추진 시스템이 항공기 체계 성능과 밀접하게 연관되어 있으므로 서브시스템 또는 구성품 레벨에서의 요구도 및 성능 변화는 반드시 시스템 레벨의 통합된 상태에서 평가될 수 있도록 구성해야 한다. 또한, 기능적 측면에서 항공기 시스템 레벨에서의 상호 연관된 설계 구속 조건을 통합관리 하는 것이 필요하다.

후속연구

또한 정상상태 및 천이조건에서의 모델링 접근방법 및 이를 검증하는 방안에 대해서도 논의되었다. 2014년부터 2016년까지는 통합 시스템 열관리 모델의 검증방안을 수립하기 위한 중점적인 연구가 진행되고 있으며, 시험장치 개발을 통한 정상상태 및 천이조건에서의 모델링에 대한 검증 방안이 검토 될 예정이다. NATO 회원국 내에서 활용 가능한 열관리 모델링 및 시험능력을 식별하고, 모델링을 검증하기 위한 시험, 분석, 전산해석적인 접근방식 등을 비교 분석한다.
6 자유도 모델은 항공기의 위치, 속도 및 방향을 제공하고, 항공기 비행 조건에 따른 주위 대기상태, 엔진 요구추력, 액추에이터 하중 제어 등의 데이터를 실시간으로 제공한다. 또한, 제공된 자료들을 임무 레벨에서의 정확한 성능해석 수단으로 활용하고, 조건별 비교연구를 가능하게 한다. 예를 들어, APTMS 서브시스템에서 증기압축 사이클이 적용된 모델과 공기압축 사이클이 적용된 두 모델 사이에서 동일한 조건의 램 에어(ram air)에 대한 항공기의 항력변화 결과의 비교검토가 가능하다.
마지막으로, 차세대 항공기의 열관리 문제점을 극복하기 위하여 구성품 레벨에서의 새로운 열관리 기술개발이 요구된다. 성능 및 효율이 증가된 기술 및 구성품의 적용으로 열 부하를 감소시키고, 이를 통해 시스템의 운용 가능 온도를 높이며, 냉각원의 활용도를 증가시켜야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	INVENT EOA의 목표는 무엇인가?	1)[6]. INVENT EOA의 목표는 구성품 또는 서브시스템 레벨에서의 최적화가 아닌 시스템 레벨에서 에너지 효율을 극대화 시키면서 높은 에너지 효율을 가지는 항공기 및 시스템을 개발하는 것이다. Fig.
	TOICA 프로그램의 목표는 무엇인가?	유럽에서는 2013년부터 Airbus 주관으로 8개국 32개 협력업체가 컨소시엄을 이루고 TOICA(Thermal Overall Integrated Conception of Aircraft) 프로그램을 통하여 열관리 시스템에 대한 연구가 진행되고 있다. 프로그램의 목표는 시스템 관점에서 항공기 전체의 열관리 개선 및 최적화 방법의 개발로써, 현재의 구성품 단위 열해석 기법을 항공기 체계설계에 반영될 수 있는 시스템 열관리 기법으로 변환하고, 아키텍처 설계 및 예비설계 단계에서 열 부하에 대한 제한적인 요소들을 통합하여 시스템의 운용환경을 개선하는 것이다. 냉각기술, 장비의 통합 열관리, 동력장치, 기체 공력 가열에 대한 영향성, 시스템 최적화를 위한 열 및 에너지 관리, 냉각원 등 6개 분야의 기술들을 분석하여 항공기 성능을 개선시키는 노력을 하고 있다(Fig.
	INVENT 프로그램의 핵심적인 요소는 무엇인가?	증가된 열 부하는 최신 항공 전자장비, 증가된 임무시스템, 발전기, 기어박스, 환경제어장치 및 증가된 전기식 제어장치 등으로부터 발생되며, 이러한 열 부하는 다양한 경로를 통해 엔진으로 배출하는 것이 항공기의 추력 손실을 줄일 수 있는 가장 바람직한 방식이다. INVENT 프로그램에서의 핵심적인 요소는 모델링 및 시뮬레이션 도구의 개발이다. 이 프로그램은 검증된 실험 기반의 항공기 시스템 설계를 위해 엔진 및 항공기 기체 시험 연구실과 연계한 통합시스템 설비를 활용하여, 모델링 및 시뮬레이션을 통한 통합기술을 활용할 방안을 모색하고자 하였다.

참고문헌 (18)

Rory A. Roberts, Scott M. Eastbourn, "Generic Aircraft Thermal Tip-to-Tail Modeling and Simulation," AIAA 2011-5971, 47th AIAA/ASME/ SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2011.
Rory A. Roberts, Daniel D. Decker, "Control Architecture Study Focused on Energy Savings of an Aircraft Thermal Management System," GT2013-95922, Proceedings of ASME Turbo Expo 2013, June, 2013.
Rory A. Roberts, Scott M. Eastbourn, "Vehicle Level Tip-to-Tail Modeling of an Aircraft," International Journal of Thermodynamics, Vol. 17, No. 2, pp. 107-115, 2014.
Mitch Wolff, "Hardware in the Loop - Aircraft Electric Laboratory," RTO-MP-AVT-178-23, Specialists' Meeting, 2010.
Werner J. A. Dahm "Future Requirements for Thermal Management: Applications and Challenges on the Horizon," Thermal Science & Materials Workshop, August, 2011.
Mitch Wolff, "INVENT "Tip-to-Tail" Energy/Engine /Power/Thermal Modeling, Simulation, & Analysis (MS&A)," 5th Annual Research Consortium for Multidisciplinary System Design Workshop, June, 2010.
Mark Bodie, Greg Russell, Kevin McCarthy, Eric Lucus, "Thermal Analysis of an Integrated Aircraft Model," AIAA 2010-288, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting, January, 2010.
Eric A. Walters, Steve Iden, "INVENT Modeling, Simulation, Analysis and Optimization," AIAA 2010-287, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting, January, 2010.
https://www.cso.nato.int/abstracts, NATO Science & Technology Organization Scientific Publications
http://www.crescendo-fp7.eu/, Collaborative and Robust Engineering using Simulation Capability Enabling Next Design Optimisation
Mitch Wolff, "Integrated Thermal/Power/Propulsion/Vehicle Modeling Issues Related to a More Electric Aircraft Architecture," RTO-MP-AVT-178-28, Specialists Meeting, 2010.
Mark Bodie, Mitch Wolff, "Robust Optimization of an Aircraft Power Thermal Management System," AIAA 2010-7086, 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, July, 2010.
Youngjoon Yoo, Hyungju Lee, Seongki Min, Kiyoung Hwang, Jinshik Lim, "A Study on a Modeling and Simulation Program of an Environmental Control System with a Phase Change Heat Exchanger," AIAA 2011-6675, AIAA Modeling and Simulation Technologies Conference, August, 2011.
Ricardo Gandolfi, Luiz Felipe Pellegrini, Silvio de Oliveira Jr., "More Electric Aircraft Analysis Using Exergy as a Design Comparison Tool," AIAA 2010-809, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting, August, 2011.
Adam C. Maser, Elena Garcia, and Dimitri N. Mavris, "Thermal Management Modeling for Integrated Power Systems in a Transient, Multidisciplinary Environment," AIAA 2009-5505, 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, August, 2009.
Craig P. Lawson, James. M. Pointon, "Thermal Management of Electromechanical Actuation on an All-Electric Aircraft," ICAS 2008, 26th International Congress of the Aeronautical Sciences, 2008.
David A. Woodburn, Thomas Wu, Louis Chow, Quinn Leland, Wendell Brokaw, Jared Bindl, Nicholas Rolinski, Lei Zhou, Yeong-Ren Lin, and Brett Jordan, "Dynamic Heat Generation Modeling of High Performance Electromechanical Actuator," AIAA 2010-290, 48th AIAA Aerospace Science Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, January, 2010.
Rui Zhou, Neil Garrigan, Kevin Leamy, Tom Tucker, "Modeling, Simulation and Preliminary Design Integration for Vehicle Level Energy Systems," RTO-MP-AVT-178-07, Specialists' Meeting, 2010.

저자의 다른 논문 :

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증