[논문]무기체계의 효과적인 개발을 위한 항공탑재시험용 POD 시스템 설계

박정수

doi:10.15207/jkcs.2018.9.6.025

[국내논문] 무기체계의 효과적인 개발을 위한 항공탑재시험용 POD 시스템 설계
Captive Flight Test POD System Design for Effective Development in Weapon System 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.9 no.6, 2018년, pp.25 - 31

박정수 (국방과학연구소)

초록
AI-Helper

항공탑재시험은 복잡해지는 무기체계 개발과정에서 데이터 획득을 위해 수행하는 중요한 시험 중 하나이다. 본 논문은 무기체계 개발 과정중 수행하는 항공탑재시험용 POD 시스템에 대한 설계 내용 및 시험 결과를 소개한다. 항공탑재시험용 POD는 좌 우 2개의 POD가 설계 및 제작되었고 각각의 POD는 항공기 연료탱크와 동일한 외형과 질량특성을 갖도록 하여 감항인증 절차를 생략할 수 있도록 하였다. 또한 무기체계 개발에 필요한 표적 영상 데이터 계측, 항법 데이터 획득, 알고리듬 검증 및 분석에 필요한 기준 데이터를 획득할 수 있도록 구성품들을 적절하게 배치하였다. 항공탑재시험용 POD 시스템은 기계적, 전기적 요소들이 모두 반영된 복합적인 시스템이며 개발된 POD 시스템은 반복적으로 항공탑재시험에 사용되어 무기체계 개발에 필요한 다양한 데이터를 성공적으로 획득하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Captive Flight Test (CFT) is one of the most important tests to acquire data when developing complex weapon systems. In this paper, we introduce the design and test result of our POD system for CFT. POD system uses POD set which consists of left and right POD. The exterior and mass properties of POD set are equal to those of fuel tank for aircraft so that we can omit Airworthiness Certification. Also, we adequately placed inner-equipments in order to acquire data including target image, navigation result and reference data to verify and analyse software algorithm. The POD system for CFT we developed is complex system as both mechanical and electronic factors are applied. As we repeatedly performed CFT, useful and various data for weapon development were acquired.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

한 소티(sortie)당 임무 시간은 일반 적으로 1시간 정도로 수행되며 시험 지역 이동 시간, 공역 확인 등의 시간을 포함하여 10~16 패스의 임무를 수행한다. 본 논문에서 소개하는 POD 시스템은 해상표적의 영상계측을 목적으로 설계되었고 따라서 매 패스마다 항공기는 해상의 표적으로 강하하는 임무를 수행하였다. 시험마다 표적의 종류, 배치, 기동상태, 항공기 고도, 진입방향 등을 다르게 계획하여 다양한 종류의 데이터들을 획득하였다.
본 논문에서 소개하는 항공탑재시험의 가장 큰 시험 목적은 무기체계의 대상표적에 대항 영상 획득이다. 그래서 좌측 POD에는 유도무기에 탑재되는 탐색기뿐 아니라 상용 LWIR 카메라, CCD 카메라가 추가로 장착되어 데이터를 획득하였다.
POD 시스템은 내부에 시험용 구성품을 장착하여 필요한 데이터를 획득하기 위한 좌·우 POD와 항공탑재 시험 준비 및 시험 중에 사용하는 점검장비 등을 말한다. 본 논문에서는 무기체계 개발과정에서 사용된 POD시스템에 대하여 설계부터 시험 준비, 시험 수행까지의 과정을 설명할 것이다.
항공탑재시험의 기본 목적은 무기체계의 핵심 구성품들을 탑재하여 비행 상태에서 기능 및 성능을 확인하는 것이다. 그러므로 최대한 실제 무기체계에 사용되는 구성품들을 탑재하고 비교를 위한 계측 장비들을 탑재하여 정확한 시험 결과 분석을 할 수 있어야 한다.

제안 방법

EMI 특성을 만족하기 위해 POD 내부 전원분배장치 (PDB: Power Distribution Box)에 EMI 필터를 적용하여 CE 값을 감쇄하고 구성품들의 하우징과 케이블 실드처리를 통하여 RE 값을 감쇄하였다. 일반적으로 RE 특성을 만족시키기가 더 어렵다.
연동점검은 자체 점검이 끝난 POD를 탑재시험을 위한 항공기에 장착한 후 수행하는 점검이다. POD를 항공기에 장착한 후 항공기, POD 자체적으로 점검을 수행한후 항공기와 POD의 전원 및 신호 계통을 점검한다. 본 논문에서 개발한 POD의 경우 항공기와 연동하여 임무를 수행하기 위해 2개의 이산 신호를 조종석 스위치에 연결 하였다.
POD를 항공기에 장착한 후 항공기, POD 자체적으로 점검을 수행한후 항공기와 POD의 전원 및 신호 계통을 점검한다. 본 논문에서 개발한 POD의 경우 항공기와 연동하여 임무를 수행하기 위해 2개의 이산 신호를 조종석 스위치에 연결 하였다. 해당 신호의 On/Off 조작에 따른 내부 구성품들의 동작 상태를 확인하는 것으로 항공탑재시험 수행을 위한 연동 상태가 정상임을 확인한다[15].
새로 제작된 POD 시스템은 연료탱크의 형상을 갖고 연료탱크의 질량특성 중 무게, CG, MOI를 만족하도록 설계되었다. 외형은 연료탱크의 돔 부분을 평평하게 하여 탐색기 및 기타 광학장비를 장착하여 영상계측을 할수 있도록 제작되었으며 공력해석을 통해 변경된 형상이 비행 안정성에 영향이 없음을 확인하였다.
Table 1은 KXO-1 항공기에 사용하는 연료탱크의 내부 연료별 질량특성 자료의 일부이다. 새로운 POD의 CG(Center of Gravity), MOI (Moment Of Inertia)를 연료탱크와 동일하게 설계하고 제작한다. CG의 경우 POD 의 Pitch축을 0도로 놓았을 때 항공기와 POD를 연결하는 두 개의 러그 사이가 CG가 된다.
항공탑재시험용 POD를 설계할 때에는 안전을 최우선으로 보장하는 항공기 장착 요구조건을 고려하면서도 시험 목적에 맞는 기능들을 갖도록 설계를 진행해야 한다[7,8]. 설계시 고려할 사항을 분야별로 정리하였다.
본 논문에서 소개하는 POD 시스템은 해상표적의 영상계측을 목적으로 설계되었고 따라서 매 패스마다 항공기는 해상의 표적으로 강하하는 임무를 수행하였다. 시험마다 표적의 종류, 배치, 기동상태, 항공기 고도, 진입방향 등을 다르게 계획하여 다양한 종류의 데이터들을 획득하였다. 매 패스마다 POD 시스템에 영상데이터, 항법데이터, GPS 데이터 등의 주요 구성품 데이터 및 분석을 위한 참고 데이터들이 저장되었다.
시험 전 점검을 통해 해당 계통들이 정상인지 확인한 후 시험을 진행한다. 시험이 종료된 이후에는 해당 이산신호를 받아 알고리듬을 동작시키는 구성품의 데이터를 분석하여 매 패스마다 신호들의 On, Off 동작이 정상적으로 되는지 확인한다.
질량특성은 각 구성품들에 대한 3D 모델링을 통해 CG, MOI를 계산하여 구성품을 배치한 후 질량특성 측정 시험을 통해 실제 검증을 하였다. 일부 수정이 필요한 부분에 대해서는 내부의 무게 추를 사용하여 무게, CG, MOI를 조정하였다. Table 2는 제작한 POD의 질량특성 측정 결과이다.
4를 보면 탑재된 구성품은 POD내부의 PDB로부터 전원을 인가받으며, 일부 구성품들은 서로 연동하여 신호를 주고받는다. 좌측 POD의 경우 영상 획득을 위한 CCD, LWIR 카메라가 장착되어 영상 획득 측면의 기능을 보강하였고 우측 POD의 경우는 유도조종장치를 탑재 하여 매 패스마다 항공기 스위치로부터 이산신호를 입력 받아 알고리듬을 동작할 수 있게 설계하였다.
질량특성은 각 구성품들에 대한 3D 모델링을 통해 CG, MOI를 계산하여 구성품을 배치한 후 질량특성 측정 시험을 통해 실제 검증을 하였다. 일부 수정이 필요한 부분에 대해서는 내부의 무게 추를 사용하여 무게, CG, MOI를 조정하였다.
점검장비는 항공기의 배꼽연결기에 연결되어 항공기 연결 전원 및 신호 계통을 점검할 수 있고 점검창을 통해 전원 및 구성품의 상태 신호를 확인할수 있다. 탑재비행시험 전 점검창을 통해 POD에 전원을 인가하여 장비를 점검한 뒤 항공탑재시험 상태로 설정한다. 이후 POD가 항공기의 전원을 인가받으면 점검창의 케이블을 분리하여 시험 준비를 최종적으로 마무리하게 된다.
매 패스마다 POD 시스템에 영상데이터, 항법데이터, GPS 데이터 등의 주요 구성품 데이터 및 분석을 위한 참고 데이터들이 저장되었다. 항공탑재시험 임무 종료 후 디브리핑을 통해 당일 시험의 결과를 공유하고 이슈 및 보완사항 등을 협의하였다.

대상 데이터

본 논문에서 소개하는 항공탑재시험의 가장 큰 시험 목적은 무기체계의 대상표적에 대항 영상 획득이다. 그래서 좌측 POD에는 유도무기에 탑재되는 탐색기뿐 아니라 상용 LWIR 카메라, CCD 카메라가 추가로 장착되어 데이터를 획득하였다. 탐색기 영상의 경우 각 탐색기의 Raw 데이터를 저장할 수 있는 영상저장창치에 LVDS 신호를 사용하여 저장되며, GPS 신호 또한 영상저장장치로 전달되기 때문에 해당 영상 프레임에 GPS 시간, 위도, 경도, 고도의 위치정보가 함께 저장된다.

성능/효과

Table 2는 제작한 POD의 질량특성 측정 결과이다. POD의 무게는 약 130kg 수준으로 Table 1의 3/4 탱크와 1/2탱크 사이의 무게가 위치하면서 CG와 MOI가 규격을 만족하는 것을 확인하였다. 또한 두 POD 사이의 무게, MOI의 차이도 MIL-HDBK-244A의 허용 오차 이내로 들어오는 것을 확인 할 수 있다.
6은 이산신호를 받는 구성품에 저장된 데이터와그 신호로 인가되는 알고리즘 동작 상태의 그래프이다. 그래프와 같이 11 패스의 시험이 수행된 것을 확인할 수있고 매 패스마다 이산신호가 정상적으로 On(0), Off(1) 되었으며 그에 따라 필요한 알고리듬도 On(8), Off(6)의 값으로 정상적으로 변하였음을 확인하였다. 알고리듬 On 상태가 되면 탑재장비들은 자체적로 필요한 알고리듬을 수행하며 탑재시험 데이터를 획득하게 된다.
또한 두 POD 사이의 무게, MOI의 차이도 MIL-HDBK-244A의 허용 오차 이내로 들어오는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 기계적 설계 및 제작이 정상적으로 완료되었음을 확인하였다.
POD의 무게는 약 130kg 수준으로 Table 1의 3/4 탱크와 1/2탱크 사이의 무게가 위치하면서 CG와 MOI가 규격을 만족하는 것을 확인하였다. 또한 두 POD 사이의 무게, MOI의 차이도 MIL-HDBK-244A의 허용 오차 이내로 들어오는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 기계적 설계 및 제작이 정상적으로 완료되었음을 확인하였다.
탑재시험을 위한 POD 제작은 항공기에 장착 하는 점 때문에 공학의 모든 분야의 설계 요소들이 필요 하다. 본 논문에서 소개한 POD 시스템의 경우도 다양한 분야의 설계요소들이 반영되어 제작되었고 장착을 위한 많은 준비과정이 수행되었다. 제작된 POD 시스템은 개발기간동안 반복적으로 시험을 수행하며 데이터를 축적하였으며 축적된 데이터들은 탑재 구성품 담당부서에 전달되어 무기체계 개발에 유용하게 사용되었다.
소모전력 측정 결과 제작된 POD는 28VDC 전압과 좌·우 POD 전원 인가시 약 8A의 전류를 소모하도록 제작되어 항공기의 전원 제한사항을 만족하였다.
3 오른쪽 그래프의 녹색 선)를 도시한다. 신규 POD의 EMI 측정값이 제한 값을 초과하는지 확인한 결과 제작한 POD는 EMI 조건을 만족하는 것을 확인하였다.
새로 제작된 POD 시스템은 연료탱크의 형상을 갖고 연료탱크의 질량특성 중 무게, CG, MOI를 만족하도록 설계되었다. 외형은 연료탱크의 돔 부분을 평평하게 하여 탐색기 및 기타 광학장비를 장착하여 영상계측을 할수 있도록 제작되었으며 공력해석을 통해 변경된 형상이 비행 안정성에 영향이 없음을 확인하였다.
개발한 점검장비를 사용 하여 전원 및 통신계통의 신호들을 모두 점검하고, 탑재된 소프트웨어의 동작 상태를 분석하여 실제 비행시험에서 필요한 데이터를 얻을 수 있도록 준비한다. 자체점검 결과 정상이 확인되면 POD를 항공기에 장착할 수 있도록 외형 조립 상태를 확인하고 점검 케이블을 분리한다.
본 논문에서 소개한 POD 시스템의 경우도 다양한 분야의 설계요소들이 반영되어 제작되었고 장착을 위한 많은 준비과정이 수행되었다. 제작된 POD 시스템은 개발기간동안 반복적으로 시험을 수행하며 데이터를 축적하였으며 축적된 데이터들은 탑재 구성품 담당부서에 전달되어 무기체계 개발에 유용하게 사용되었다.
표적에 대해 4방향으로 진입하며 영상을 획득하는 시험이었고 데이터도 정상적으로 잘 획득하였다. 탑재장비 중 유도조종장치에는 IMU 센서 데이터와 항법 알고리듬 수행 데이터가 저장되는데 이를 GPS 데이터와 비교하여 항법 성능도 확인할 수 있다.

후속연구

항공탑재시험을 위한 준비에는 많은 노력이 필요하지만 설계 기법, 시험 기법 등의 발전에 따라 더욱 효과적인 항공탑재시험이 수행될 것으로 기대한다. 제작된 POD 시스템의 탑재 구성품을 일부 변경함으로써 다른 무기체계 개발에 재활용이 가능하며 공용 설계를 통해 여러 POD를 조합하여 시험에 사용하는 형태로 발전될것으로 예상된다.
항공탑재시험을 위한 준비에는 많은 노력이 필요하지만 설계 기법, 시험 기법 등의 발전에 따라 더욱 효과적인 항공탑재시험이 수행될 것으로 기대한다. 제작된 POD 시스템의 탑재 구성품을 일부 변경함으로써 다른 무기체계 개발에 재활용이 가능하며 공용 설계를 통해 여러 POD를 조합하여 시험에 사용하는 형태로 발전될것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공탑재시험은 무엇인가?	항공탑재시험은 항공기에 장착 가능한 POD내부에 비 행 중 성능 및 기능 확인이 필요한 구성품들을 탑재하여 항공기가 비행하면서 해당 구성품들의 성능 및 기능을 확인하는 시험이다. 항공탑재시험은 특히 무기체계 개발 에 있어 경제성, 반복가능성, 구성품들의 신뢰도 향상 등 의 많은 장점들을 갖고 있어 점점 복잡해지는 알고리듬 개발을 위한 다양한 데이터 확보가 필수적인 근래의 무기체계 개발에 있어서 꼭 필요한 시험 중 하나이다[1-3].
	무기체계 개발과정에서 사용하는 POD는 일반적으로 감항인증을 받지 않고 장착할 수 있도록 외 형 및 질량특성, EMI(Electromagnetic Interference) 특 성, 장착성 등을 기존에 검증된 장착물과 유사하도록 설계하여 장착물의 특성들이 항공기에 영향을 주지 않도록 해야하는 이유는?	하지만 감항인증은 시간과 비용이 상당히 많이 필 요하기 때문에 무기체계 개발과정에서 사용하는 POD는 일반적으로 감항인증을 받지 않고 장착할 수 있도록 외 형 및 질량특성, EMI(Electromagnetic Interference) 특 성, 장착성 등을 기존에 검증된 장착물과 유사하도록 설 계하여 장착물의 특성들이 항공기에 영향을 주지 않도록 한다. 그렇지 않을 경우 안전이 보장되지 않기 때문에 비 행 안전과 관련된 설계요소는 시험 목적에 맞는 성능 및 기능 설계와 함께 우선적으로 고려되어야 할 사항이다.
	항공탑재시험은 무기체계 개발에 있어서 어떤 장점이 있는가?	항공탑재시험은 항공기에 장착 가능한 POD내부에 비 행 중 성능 및 기능 확인이 필요한 구성품들을 탑재하여 항공기가 비행하면서 해당 구성품들의 성능 및 기능을 확인하는 시험이다. 항공탑재시험은 특히 무기체계 개발 에 있어 경제성, 반복가능성, 구성품들의 신뢰도 향상 등 의 많은 장점들을 갖고 있어 점점 복잡해지는 알고리듬 개발을 위한 다양한 데이터 확보가 필수적인 근래의 무기체계 개발에 있어서 꼭 필요한 시험 중 하나이다[1-3]. 국방과학연구소에서는 자체 개발한 KTX-1, XKO-1 항 공기를 이용하여 탑재시험을 수행하고 있으며 항공기와같은 대형 무기체계보다는 주로 유도무기에 탑재되는 탐 색기, 항법장치, 유도조종장치 등의 주요 구성품들을 대 상으로 수행하고 있다.

참고문헌 (15)

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H. S. Yeom, J. H. Oh & D. Y. Sung. (2008). Development of the Low Altitude Relay System for Missile Captive flight Test. Daejeon : ADD.
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J. S. Park. (2016). Report of the Preparations and Results for the Installation of the Captive Flight Test POD to the Airplane. Daejeon : ADD.

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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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