[논문]헬리콥터 시뮬레이터 기술개발현황

서강호; 김윤수

doi:10.5139/jksas.2019.47.6.446

헬리콥터 시뮬레이터 기술개발현황
Development Status of Helicopter Simulator Technology 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.6, 2019년, pp.446 - 459

서강호 (Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University) , 김윤수 (Graduate School of Mechanical and Aerospace Engineering, Gyeongsang National University)

초록
AI-Helper

본 논문은 헬리콥터 시뮬레이터의 기술적 현황과 향후 전망을 살펴보는 것에 목적이 있다. 서론에서는 시뮬레이터의 개념과 헬리콥터를 중심으로 한 비행 시뮬레이터의 개발 역사에 대해 간략하게 정리하였다. 본론에서는 헬리콥터 시뮬레이터의 기술현황과 신뢰성 평가를 위한 인증방안으로 미 연방 항공국(FAA)과 유럽 항공 안전청(EASA) 인증을 소개했으며, 또한 비행 시뮬레이터의 신뢰성을 높이기 위해 해결해야할 문제점들과 향후 발전 방향에 대해 논의하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this paper is to investigate the current technical status and future prospects regarding helicopter simulators. In the introduction section, we briefly summarize the concept of the simulator and the development history of helicopter simulators. In the main section, the development status of helicopter simulation technology is first presented and the FAA/EASA certification is then introduced as a verification method for the reliability evaluation of the developed simulator technology. In addition, several issues that need to be resolved along with future development directions are discussed to improve the reliability of helicopter flight simulator.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 헬기시뮬레이터 인증체계, 기술현황 (모델링 및 제어법칙설계 기술), 문제점, 바람직한 개 선방향 등에 대해 살펴보았다. 현재 우리나라는 초음속 고등훈련기 T-50, 다목적 헬기 UH-60, 한국형 다목적 헬기 KUH 등 비행훈련시뮬레이터를 개발 및 배치하고 있지만, 시뮬레이터의 핵심기술 중 하나인 비행역학 모델링은 미국에서 개발된 ARMCOP나 GENHEL을 기반으로 하고 있어 독자 모델링 기술의 개발이 절실하다.
과거 국내 헬리콥터 시뮬레이터의 기술력이 조종석절차훈련장비(CPT)와 같이 제한적인 수준에 머물렀다면, 현재 국내 시뮬레이터 기술은 미연방 항공국(FAA) Level D급을 개발하는 수준까지 성장했다. 본론에서는 이러한 헬리콥터 시뮬레이터 인증, 기술현황 및 향후전망에 대해 구체적으로 살펴본다.

가설 설정

이 시뮬레이터는 6개의 강체 운동, 3개의 로터 블레이드 운동, 메인로터 회전 등 모두 10개의 자유도를 가지고 있었다. 이때 로터 모델은 강체라 가정되었고 로터에 작용하는 힘과 모멘트는 방위각에 대해 반경방향으로 적분하여 계산하였다. 공기역학 모델에 적용되는 받음각과 옆미끄럼각의 범위는 -15~15°이며 그 이상의 각과 실속한계에 대해서는 일반적인 곡선맞춤 방식을 활용했다.

제안 방법

다음 절에서는 현재 운용중인 헬리콥터 시뮬레이터의 국내외 기술수준과 사용된 주요 비행동역학 모델 및 제어기 설계 기술 현황을 살펴본다.
ARMCOP은 이후 UH-60 블랙호크 시뮬레이터에 적용되면서 많은 보완이 이루어졌다. 더 큰 범위의 받음각과 옆미끄럼각에서의 동체 공기역학모델이 수정되었고, 공기역학이 적용되지 않았던 꼬리로터에 대해서도 수정이 이루어졌다.
이 모델도 깃 요소 방법에 기초하여 메인로터에 강체조건과 관절조건을 적용하고 추가로 블레이드의 flapping 및 lagging 효과를 넣은 모델이다. 비선형적으로 변하는 받음각과 동압, 마하수에 대해 깃 요소를 두 방향으로 나누어 각각 공기역학적 하중을 계산하였다. 동체모델링에는 Panel method 및 Look-up table을 사용하여 받음각과 옆미끄럼각에 대한 동체 계수를 얻는다.
공기역학 모델에 적용되는 받음각과 옆미끄럼각의 범위는 -15~15°이며 그 이상의 각과 실속한계에 대해서는 일반적인 곡선맞춤 방식을 활용했다. 안정성과 제어분석을 위해서는 간단한 엔진, 거버너, 대기압, 난류 등에 대해 선형화된 동적모델을 사용했다. ARMCOP은 이후 UH-60 블랙호크 시뮬레이터에 적용되면서 많은 보완이 이루어졌다.
이 접근 방법은 1970년에 실시간 계산을 위해 개발 된 계산 방법이었다[24]. 이후 컴퓨터의 능력이 향상되면서 깃 요소 방법의 실시간 구현이 가능해졌고 FLYRT도 깃 요소 방법을 사용한 모델링을 채택하였다. 이러한 모델링 과정에서 BEMAP(Blade Element Model for Apache)라는 이론을 도입하였는데, 이는 GENHEL의 메인로터 모델에 기초하여 깃 요소 모듈을 사용하면서 새로운 트림조건 및 업그레이드된 운동방정식을 채택한 것이다.

이론/모형

메인로터는 깃 요소 방법 사용하였고 공기유입 모델은 PittPeters의 Dynamic Inflow 모델을 사용하고 있다. 꼬리로터는 Bailey의 로터모델을 따르며 동체와 꼬리날개에 대한 힘과 모멘트는 Look-up table을 이용해 결정한다.
동체모델링에는 Panel method 및 Look-up table을 사용하여 받음각과 옆미끄럼각에 대한 동체 계수를 얻는다. 꼬리로터의 공기역학 모델은 Bailey의 로터모델을 사용하고 공기유입(inflow) 모델은 PeterHe의 FSDI(Finite State Dynamic Inflow) 모델을 사용하였다. University of Toronto의 UTIAS는 GENHEL의 모델에 기초하여 Matlab Simulink 환경에서 개발된 UH-60의 모델이다[26].
University of Toronto의 UTIAS는 GENHEL의 모델에 기초하여 Matlab Simulink 환경에서 개발된 UH-60의 모델이다[26]. 메인로터는 깃 요소 방법 사용하였고 공기유입 모델은 PittPeters의 Dynamic Inflow 모델을 사용하고 있다. 꼬리로터는 Bailey의 로터모델을 따르며 동체와 꼬리날개에 대한 힘과 모멘트는 Look-up table을 이용해 결정한다.
이후 컴퓨터의 능력이 향상되면서 깃 요소 방법의 실시간 구현이 가능해졌고 FLYRT도 깃 요소 방법을 사용한 모델링을 채택하였다. 이러한 모델링 과정에서 BEMAP(Blade Element Model for Apache)라는 이론을 도입하였는데, 이는 GENHEL의 메인로터 모델에 기초하여 깃 요소 모듈을 사용하면서 새로운 트림조건 및 업그레이드된 운동방정식을 채택한 것이다. 또한 실제 비행데이터를 모델링에 반영해 신뢰성을 대폭 향상시켰다.
Sikorsky 회사에서 개발한 GENeral HELicopter flight dynamics simulation(GENHEL)은 초기 헬기 운동의 분석 및 정비용 시뮬레이션 모델이었다. 이후 ARC에서 프로그램을 개선하여 UH-60 블랙호크의 자율비행 시뮬레이션의 기반이 되었다. GENHEL의 기초 모델은 6자유도 강체모델이고 로터의 공기역학 모델은 깃 요소 이론이 적용되어 개발되었다.
이러한 제어방법으로 상태 추정을 통한 실제 데이터 기반의 제어가 가능해졌으며 비선형적인 시스템의 실시간 제어도 가능해졌다. 일례로 2014년 Hager 등은 피치 축 추종 능력을 향상시키기 위해 Brunovsky의 차수 감소 관측기를 Rooivalk 공격 헬리콥터에 적용하였고[38], 2015년 Greiser 등은 롤 축 진동을 억제하기 위해 외란 관측기 기반 제어기를 연구용 비선형 헬리콥터 모델인 EC135 ACT/FHS에 적용하였다[39]. 설계된 제어기는 지상 시뮬레이터에서 테스트 되었고 실제 비행시험을 통해서도 검증되었다.
LRC(Langley Research Center)는 이 운동방정식을 이용해 RTS(Real Time Simulation) System 개발을 시도했는데 당시 컴퓨터 계산능력의 한계로 다소 무리가 있었다[21]. 하지만 SABPIF(Second-order Adams Bashforth Predictor Integration Formula)를 이용해 1초 32회 계산이 가능해졌고 이 방법을 Sikorsky S-61 헬리콥터의 실시간 상태변수를 구하는데 적용하였다. 이것이 LRC에서 만든 초기의 헬리콥터 시뮬레이터 표본이다.

성능/효과

개발된 기법은 비행시험 테스트 결과 바람 및 난기류에 작동할 때에도 잘 동작하는 것으로 확인되었다.
결론적으로 항공 선진국가인 유럽과 미국의 비행 시뮬레이터 기술 수준이 현재 FAA 최고 수준인 FTD 7, FFS Level D인 것을 감안할 때, 국내 헬리콥터 시뮬레이터 개발 기술력은 시뮬레이터 시장에서 경쟁력 있는 수준까지 왔다고 판단할 수 있다. 다만, 시뮬레이터의 핵심 중 하나인 비행역학 모델은 미국에서 개발된 GENHEL, ARMCOP 또는 FLIGHTLAB 모델링 툴을 기반으로 하고 있어 모델링 기술의 국 산화가 필요한 실정이다.
1986년부터 최적 관측기인 칼만 필터(Kalman Filter)가 헬기 종축 선형 제어에 사용되었으며, LTR(Loop Transfer Recovery)과 같은 튜닝 프로세스를 통해 상태변수 피드백 시의 주파수 응답 특성을 점근적으로 복구하도록 하는 제어기 설계도 이루어졌다[37]. 이러한 제어방법으로 상태 추정을 통한 실제 데이터 기반의 제어가 가능해졌으며 비선형적인 시스템의 실시간 제어도 가능해졌다. 일례로 2014년 Hager 등은 피치 축 추종 능력을 향상시키기 위해 Brunovsky의 차수 감소 관측기를 Rooivalk 공격 헬리콥터에 적용하였고[38], 2015년 Greiser 등은 롤 축 진동을 억제하기 위해 외란 관측기 기반 제어기를 연구용 비선형 헬리콥터 모델인 EC135 ACT/FHS에 적용하였다[39].

후속연구

국내에서는 헬리콥터 시뮬레이터 관련 제반기술(일반적인 구성, 인증, 모델링, 제어법칙 등) 개발현황에 대해 종합적으로 검토된 바가 없어, 본 논문이 헬리콥터 시뮬레이터를 운용하거나 관련 연구를 수행하고자 하는 연구자들에게 유용한 정보를 제공할 수 있으리라 기대한다.
2018년 12월 ‘민항기 시뮬레이터 개발 및 핵심 인증기술 개발 보고서’[8]에 따르면, 비행시뮬레이터의 경우 기존의 국토교통부고시 2018-290호의 기본형식을 유지하는 경우, Table 8과 유사하게 구비요건에 따라 회전익 1~3등급으로 구분하며 각 등급은 FAA 의 AC 120-40B, AC 120–63에서 제시한 B~D등급의 기준을, FTD의 경우 가~라 (혹은 A~D) 등급으로 구 분하며 이는 FAA AC 120-45A에서 지시한 4~7등급 의 기준을 제안하고 있다. 그리고 모든 인증 항목에 있어서 미흡한 부분은 2016년 개정된 FAA의 CFR Part 60과 유사하게 변경할 것을 제안하고 있다. 만약 기존의 국토교통부 고시 2018-290호의 기본형식을 유지하지 않을 경우, FAA의 CFR Part 60에 맞게 기본형식의 전면개정이 필요할 것으로 보인다.
다행히도 국내에서는 2012년부터 KUH(한국형 다목적 헬리콥터; 수리온)를 독자 생산해 운용중이며, 또한 Table 7에서 보는 것과 같이, 산업통상자원부와 방위사업청이 공동으로 주관하는 노후헬기 교체를 위한 소형 무장헬기(LAH; Light Armed Helicopter) 및 소형 민수헬기(LCH; Light Civil Helicopter) 사업 등으로 헬리콥터 생산 규모가 증가추세에 있다. 따라서 KUH를 기반으로 보다 신뢰성 있는 헬리콥터 시뮬레이터 개발 및 그 인증체계 개선을 위한 노력을 경주해야할 것이다. 이러한 노력은 해외의존도가 매우 높은 헬리콥터 비행 성능해석 툴(CAMRAD-Ⅱ[50], Dymore[51], RCAS [52], CHARM[53], FLIGHTLAB[54])의 사용으로 인해 소비하는 막대한 비용을 절감하는데 크게 기여할 것으로 보인다.
이와 같은 공력 데이터를 바탕으로 기존의 공력모델에 결빙상황에 대응되는 C_L, C_D 값들을 사용하면 보다 실제상황에 근접한 항공기 시뮬레이션이 가능할 것이라 기대한다. 또한 이러한 모델을 바탕으로 결빙상황에서의 비행제어 성능 평가 및 설계 개선도 가능하리라 예상된다.
시뮬레이터와 비행교육훈련 산업은 항공기 산업과 일체화되고 있는 것이 현 추세이며 향후 10년간 비 행훈련시뮬레이터의 수요 및 교육훈련 시장이 증가 할 것으로 예상된다. FAA는 FAR Part 141을 통해 비행시뮬레이터를 통한 비행인정시간이 실제 비행의 50%를 넘을 수 없도록 규정하고 있지만 시뮬레이터 기술의 발전으로 신뢰성이 확보된다면 이 비율이 향후 상향될 것으로 예상할 수 있다.
이와 같은 공력 데이터를 바탕으로 기존의 공력모델에 결빙상황에 대응되는 CL, CD 값들을 사용하면 보다 실제상황에 근접한 항공기 시뮬레이션이 가능할 것이라 기대한다.
또한 인증체계 부분에서 현재 국내 인증기술은 미흡한 부분이 많기 때문에 세계 시장 진입을 위한 발 빠른 대응이 필요해 보인다. 향후 이러한 헬기시뮬레이터 관련 기술개발 시 본 논문이 유용한 정보를 제공할 수 있기를 기대해본다. 후 기 본 연구는 2017 과학기술정보통신부의 재원으로 한국연구재단의 지원(NRF-2017R1A5A1015311)을 받아 수행되었습니다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	시뮬레이션의 종류에는 어떠한 것이 있는가?	시뮬레이션은 크게 가상 시뮬레이션(Virtual Simulation), 구성형 시뮬레이션(Constructive Simulation) 및 라이브 시뮬레이션(Live Simulation)으로 나뉘며, 대다수 항공 시뮬레이터는 가상 시뮬레이션을 구현한다. 가상 시뮬레이션이란 가상에서 실제의 사람이 훈련, 오락, 연구 등의 목적으로 활용하는 시뮬레이션 기술을 말하는데, 이는 1930년 2차 세계대전 당시 Edwin Link 연구팀이 Vannervar Bush의 수학모델을 응용해 Link Trainer라는 비행훈련시뮬레이터를 처음 개발한 데에서 시작되었다.
	가상 시뮬레이션이란 무엇인가?	시뮬레이션은 크게 가상 시뮬레이션(Virtual Simulation), 구성형 시뮬레이션(Constructive Simulation) 및 라이브 시뮬레이션(Live Simulation)으로 나뉘며, 대다수 항공 시뮬레이터는 가상 시뮬레이션을 구현한다. 가상 시뮬레이션이란 가상에서 실제의 사람이 훈련, 오락, 연구 등의 목적으로 활용하는 시뮬레이션 기술을 말하는데, 이는 1930년 2차 세계대전 당시 Edwin Link 연구팀이 Vannervar Bush의 수학모델을 응용해 Link Trainer라는 비행훈련시뮬레이터를 처음 개발한 데에서 시작되었다. 초기의 시뮬레이터는 실제 하드웨어나 사람이 그 일부로 포함되느냐의 여부에 따라 HIL(Hardware-In-the-Loop) 시뮬레이터와 MIL(Man-In-the-Loop) 시뮬레이터로 구분되었다 [1].
	Gain Scheduling 제어방법은 무엇인가?	헬리콥터의 비선형적인 동작을 선형화시키기 위해 Gain Scheduling 제어도 제안되었다[33]. 이 제어방법은 비행영역을 분할하고 각각의 동작점(trim condition)에서 선형제어기를 설계한 후 적절한 보간법을 사용해 헬리콥터의 부드러운 동작을 전 비행영역에서 달성하는 방법이다. 이 방법은 주로 앞에서 설명한 PID나 모델추종제어와 함께 사용되며 각 동작점에 대한 PID 제어 이득 값 등을 적절하게 경험을 통해 설정해야 한다.

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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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