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문제 정의
- 본 논문에서는 초음속항공기 보조연료탱크 연료량측정시스템 개발용 모사시험장치를 개발하였다. 모사시험장치는 자세모사장치를 통해 롤 각도 –15°~15°, 피치각도 –15°~15° 구동이 가능하며 급/배유창치로 보조연료탱크에 연료를 급유하고 배유하는 것이 가능하다.
- 본 연구에서는 초음속항공기에 장착될 보조연료탱크의 연료량측정시스템 개발용 모사시험장치를 개발하였다. 모사시험장치는 서보모터와 스크류잭을 사용하여 항공기 롤, 피치 자세를 모사하도록 설계 하였으며, 보조연료탱크에 연료를 급유하고 배유하며, 연료량측정시스템 개발에 필요한 데이터를 수집한다.
가설 설정
- 실험조건으로 구동범위를 롤 각도 –2°~2°, 피치각도 –3°~8°로 가정하였다.
제안 방법
- 개발된 모사시험장치를 통해 데이터 수집 실험을 진행하였다. 실험조건으로 구동범위를 롤 각도 –2°~2°, 피치각도 –3°~8°로 가정하였다.
- 급유과정 자동화로 시험자가 연료에 노출되지 않으므로 인체에 연료의 독성물질이 미치는 영향을 최소화하였다. 개발된 연료량측정시스템의 정확도를 모사시험장치로 검증하였다. 초음속항공기 보조연료탱크의 연료량측정시스템 개발 연구에 모사시험장치를 성공적으로 활용하였다.
- 자동화 소프트웨어의 목적은 모사시험장치를 자동으로 구동시키는 것이며 LabVIEW를 사용하여 제작하였다. 개발된 자동화 소프트웨어는 자세모사장치의 롤, 피치 자세를 구동시키며, 급/배유장치를 통하여 보조연료탱크에 원하는 연료량을 급유하고 데이터 수집장치를 통해 데이터를 수집하고 저장한다. 급유과정 자동화로 시험자가 연료에 노출되지 않도록 하여 지속적인 실험 시 인체에 유해한 문제를 최소화하였다.
- [1] 계속된 연구에서 정재홍(2012)은 연료량측정장치와 연료 이송장치, 연료급유장치를 시험하였으며 자세모의 장치는 상하 좌우 구동이 가능한 장치로 ±10°의 동작 범위를 가지도록 설계하였다. 구동부는 서보모터를 사용하여 제작하였으며 연료 무게를 측정하기 위해서 자세모의 장치에 로드셀 센서를 장착하였다.[2] 이수철(2007)은 스마트 무인기 연료장치의 지상시험을 위해 연료장치와 지상성능 시험장치로 구성된 시험장치를 개발하였다.
- 급/배유장치는 시험자가 원하는 연료량을 보조연료탱크에 자동으로 급유하거나 시험자가 원할 때 보조연료탱크 안의 연료를 배유할 수 있도록 제작하였다. Figure 5는 제작된 급/배유장치 및 지지구조물이다.
- 급유파트에 3L 급유명령을 입력 후 실험을 통해 보조연료탱크로 급유된 연료량과 급유 명령의 오차를 확인하였다. Figure 8은 27회씩 두번 실험한 결과이며 최대 0.
- 데이터 수집장치를 통해 보조연료탱크의 연료량에 대한 연료센서의 출력값을 수집하였다. 자세모사장치에 설치된 롤, 피치 엔코더로부터 출력되는 12비트 신호를 수집하였으며 유량계를 통해 보조연료탱크로 급유된 연료량의 카운트 신호를 수집하였다.
- 자동화 소프트웨어를 통해 기존 수동으로 데이터 수집할 경우보다 데이터 수집에 소요되는 시간을 1/4로 단축하였으며 시험자가 연료에 노출되지 않도록 급유과정을 자동화하였다. 모사시험장치를 사용하여 개발된 연료량측정시스템의 정확도를 검증하였다.
- Figure 5는 제작된 급/배유장치 및 지지구조물이다. 보조연료탱크로 연료를 급유할 수 있도록 연료를 저장하는 급유탱크와 보조연료탱크에서 배유된 연료를 저장하는 배유탱크를 제작하였다.
- 자세모사장치에 설치된 롤, 피치 엔코더로부터 출력되는 12비트 신호를 수집하였으며 유량계를 통해 보조연료탱크로 급유된 연료량의 카운트 신호를 수집하였다. 수집된 카운트 신호를 통해 급유된 연료량을 계산하였다. 데이터 수집 장치로부터 수집된 연료센서 측정값, 자세모사장치 롤 각도, 피치 각도, 계산된 급유량은 컴퓨터로 전송되어 저장된다.
- 연료장치는 연료탱크에 연료를 공급하고 지상성능 시험장치는 피치 ±35°, 롤 ±45° 회전이 가능하도록 설계되었으며 볼나사를 사용하여 각도를 구현하였다.
- 또한 자동화 소프트웨어를 제작하여 모사시험장치를 구동하며 데이터를 수집하였다. 자동화 소프트웨어를 통해 기존 수동으로 데이터 수집할 경우보다 데이터 수집에 소요되는 시간을 1/4로 단축하였으며 시험자가 연료에 노출되지 않도록 급유과정을 자동화하였다. 모사시험장치를 사용하여 개발된 연료량측정시스템의 정확도를 검증하였다.
- Figure 3은 자세모사장치의 설계도이다. 자세모사장치의 상부에 보조연료탱크를 고정하였으며 롤, 피치 2자유도로 구동하도록 힌지방식을 이용하여 설계하였다. 하부에 수평조절 나사를 통해 자세모사장치의 수평을 조절할 수 있도록 설계하였다.
- 초음속항공기 연료량측정시스템의 구동범위 요구조건인 롤 각도 -2°~2°, 피치각도 –3°~8°를 만족시기 위해 롤 각도 –15°~15°, 피치각도 –15°~15° 구동이 가능한 자세모사장치를 제작하였다.
- 초음속항공기의 장착되는 보조연료탱크의 연료량측정시스템을 개발하기 위해 모사시험장치를 제작하였다. 모사시험장치의 아키텍쳐는 Fig.
- 연료장치는 연료탱크에 연료를 공급하고 지상성능 시험장치는 피치 ±35°, 롤 ±45° 회전이 가능하도록 설계되었으며 볼나사를 사용하여 각도를 구현하였다. 컴퓨터 프로그램 대신 유선 리모콘을 사용하여 제어하였다.[3]
- 자세모사장치의 상부에 보조연료탱크를 고정하였으며 롤, 피치 2자유도로 구동하도록 힌지방식을 이용하여 설계하였다. 하부에 수평조절 나사를 통해 자세모사장치의 수평을 조절할 수 있도록 설계하였다.[4]
대상 데이터
- 1과 같다. Figure 2는 제작된 모사시험장치이며 실제 초음속항공기의 보조연료탱크를 사용하였다. 모사시험장치 하드웨어는 자세모사장치, 급/배유장치, 데이터 수집 장치로 구성되며 자동화소프트웨어를 통해 구동된다.
- 개발된 연료량측정시스템을 검증하기 위해서 모사시험장치를 사용하였다. 먼저 검증에 사용할 데이터를 수집하였다.
- 데이터 수집 실험을 통해 연료량측정시스템개발에 필요한 데이터를 수집하였다. 롤 각도 9 포인트, 피치 각도 23 포인트, 연료량 27포인트에서 데이터를 수집하여 총 5589개의 데이터를 수집하였다.
- 모사시험장치는 자세모사장치를 통해 롤 각도 –15°~15°, 피치각도 –15°~15° 구동이 가능하며 급/배유창치로 보조연료탱크에 연료를 급유하고 배유하는 것이 가능하다. 또한 데이터 수집 장치로 연료센서 출력값, 자세모사장치의 롤각, 피치각과 보조연료탱크로 급유된 연료량 데이터들을 수집한다. 모사시험장치의 구동과 데이터 수집이 가능한 자동화소프트웨어를 제작하여 기존 수동으로 데이터를 받을 경우 4주의 시간이 소요되는 데이터 수집기간을 1주로 단축하였다.
- 모사시험장치는 서보모터와 스크류잭을 사용하여 항공기 롤, 피치 자세를 모사하도록 설계 하였으며, 보조연료탱크에 연료를 급유하고 배유하며, 연료량측정시스템 개발에 필요한 데이터를 수집한다. 또한 자동화 소프트웨어를 제작하여 모사시험장치를 구동하며 데이터를 수집하였다. 자동화 소프트웨어를 통해 기존 수동으로 데이터 수집할 경우보다 데이터 수집에 소요되는 시간을 1/4로 단축하였으며 시험자가 연료에 노출되지 않도록 급유과정을 자동화하였다.
- 데이터 수집 실험을 통해 연료량측정시스템개발에 필요한 데이터를 수집하였다. 롤 각도 9 포인트, 피치 각도 23 포인트, 연료량 27포인트에서 데이터를 수집하여 총 5589개의 데이터를 수집하였다.[5] Figure 12는 데이터 수집 실험을 통해 수집된 연료량별 롤, 피치 각도에 따른 연료센서의 출력값을 보여준다.
- 본 연구에서는 초음속항공기에 장착될 보조연료탱크의 연료량측정시스템 개발용 모사시험장치를 개발하였다. 모사시험장치는 서보모터와 스크류잭을 사용하여 항공기 롤, 피치 자세를 모사하도록 설계 하였으며, 보조연료탱크에 연료를 급유하고 배유하며, 연료량측정시스템 개발에 필요한 데이터를 수집한다. 또한 자동화 소프트웨어를 제작하여 모사시험장치를 구동하며 데이터를 수집하였다.
- 먼저 검증에 사용할 데이터를 수집하였다. 보조연료탱크에 연료량을 5L, 15L, 25L, 35L, 45L, 55L, 65L, 75L 급유 하였을 때 무작위로 롤 피치 각도를 변화시키면서 검증 데이터를 수집하였다. 수집한 데이터들을 연료량측정시스템에 대입하여 계산된 연료량과 실제 보조연료탱크 연료량의 오차를 확인하였다.
- DAQ보드는 연료 센서, 자세모사장치의 엔코더, 유량계에 연결하였다. 보조연료탱크의 연료량을 측정하기 위해 Fig. 9와 같이 KC-100 항공기에서 사용되는 캐패시턴스 타입연료센서 P-300C를 장착하였다.
- 데이터 수집장치를 통해 보조연료탱크의 연료량에 대한 연료센서의 출력값을 수집하였다. 자세모사장치에 설치된 롤, 피치 엔코더로부터 출력되는 12비트 신호를 수집하였으며 유량계를 통해 보조연료탱크로 급유된 연료량의 카운트 신호를 수집하였다. 수집된 카운트 신호를 통해 급유된 연료량을 계산하였다.
이론/모형
- 자동화 소프트웨어의 목적은 모사시험장치를 자동으로 구동시키는 것이며 LabVIEW를 사용하여 제작하였다. 개발된 자동화 소프트웨어는 자세모사장치의 롤, 피치 자세를 구동시키며, 급/배유장치를 통하여 보조연료탱크에 원하는 연료량을 급유하고 데이터 수집장치를 통해 데이터를 수집하고 저장한다.
성능/효과
- 검증 결과, 오차는 민간에서 사용하고 있는 TSO-C55 문서의 요구조건인 Full scale(84L)의 ±3% 기준을 만족하였다.
- 보조연료탱크에 연료량을 5L, 15L, 25L, 35L, 45L, 55L, 65L, 75L 급유 하였을 때 무작위로 롤 피치 각도를 변화시키면서 검증 데이터를 수집하였다. 수집한 데이터들을 연료량측정시스템에 대입하여 계산된 연료량과 실제 보조연료탱크 연료량의 오차를 확인하였다. Figure 13은 실제 보조연료탱크의 연료량이 35L일 때 수집한 검증데이터를 사용하여 선형보간법으로 계산한 연료량측정시스템의 검증결과 그래프이다.
- 급유과정 자동화로 시험자가 연료에 노출되지 않도록 하여 지속적인 실험 시 인체에 유해한 문제를 최소화하였다. 자동화 소프트웨어 제작을 통해 기존 수동으로 조작하여 데이터수집 실험을 했을 경우보다 약 1/4로 실험시간을 단축시킬 수 있었다.
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