[논문]플랩제어시스템 주제어밸브의 모델기반 설계 및 성능해석

조현준; 안만진; 주춘식

doi:10.20910/jase.2019.13.4.50

플랩제어시스템 주제어밸브의 모델기반 설계 및 성능해석
Model-based Design and Performance Analysis of Main Control Valve of Flap Control System 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.4, 2019년, pp.50 - 59

초록
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플랩제어시스템의 주요 구성품인 주제어밸브의 설계는 실제 제작 경험을 바탕으로 반복-오차 방법에 의존하여 수행하였다. 본 논문에서는 모델 기반의 부품 설계 방법을 제안하였다. 플랩제어시스템은 주제어 밸브, 고장-안전 밸브, 솔레노이드 밸브, LVDT, 구동 모터 등으로 구성된다. 주제어밸브는 주로 스풀과 슬롯으로 구성된다. 주제어밸브의 중요한 설계변수는 슬롯의 폭 (Slot Width), 오버 랩(Overlap) 및 간극(Clearance)이다. AMESim을 활용하여 주 제어 밸브의 유로를 모델링하고 해석하였다. 제안된 설계절차를 적용한 결과 허용된 가공오차 범위 내에서 요구 성능을 충족함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The design of the main control valve, which is the main component of the flap control system, was based on actual manufacturing experience on the basis of trial and error method. In this paper, a model-based part design method is proosed. The flap control system consists of a main control valve, fail-safe valve, solenoid valve, LVDT and force motor. The main control valve consists mainly of a spool and slot. The important design parameters of the main control valve are the slot width, overlap and clearance. AMESim is linked to the model and it analyzes the flow path of the main control valve. Applying the proposed design procedure, it was confirmed that the required performance was satisfied within the allowable machining error range.

주제어

표/그림 (24)

그림 Fig. 1 Three Physical Domain of Flap Control System
그림 Fig. 2 Sectional View of Main Control Valve
표 Table 1 Requirements and Evaluation Condition
그림 Fig. 3 Model-based Development Process
그림 Fig. 4 Schematic of MCV Flow Path and Hydraulic Circuit Diagram
그림 Fig. 5 MCV AMESim Model
그림 Fig. 7 FSV AMESim Model
그림 Fig. 8 Control Module Model for Pre-Test
그림 Fig. 6(a) Schematic of FSV Flow Path Closed
그림 Fig. 6(b) Schematic of FSV Flow Path Opened
그림 Fig. 7 Maximum Flow Rate Compliance for Adjusted MCV Design
그림 Fig. 8 Null Flow Gain Compliance for Adjusted MCV Design
그림 Fig. 9 ±25% Flow Gain Compliance for Adjusted MCV Design
그림 Fig. 10 Null Pressure Gain Compliance for Adjusted MCV Design
그림 Fig. 11 Null Coincidence Compliance for Adjusted MCV Design
그림 Fig. 12 Null Leakage Compliance for Adjusted MCV Design
표 Table 3 Analysis Results for Adjusted MCV Design
그림 Fig. 13 Tolerance Analysis Results for Maximum Flow Rate
그림 Fig. 14 Tolerance Analysis Results for Null Flow Gain
그림 Fig. 15 Tolerance Analysis Results for ±25% Flow Gain
그림 Fig. 16 Tolerance Analysis Results for Null Pressure Gain
그림 Fig. 17 Tolerance Analysis Results for Null Coincidence
그림 Fig. 18 Tolerance Analysis Results for Null Leakage
표 Table 4 Tolerance Analysis Results

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 플랩제어시스템(flap control system) 의 유량을 제어하는 핵심 부품인 주제어밸브(MCV; main control valve)의 해석 모델을 통한 설계 결과를 제시한다. 플랩은 항공기의 이차 비행조종시스템 (secondary flight control system)으로서 항공기 플래 퍼론(flaperon) 외측에 각각 부착되어 항공기의 이착륙시 날개에 작용하는 항력과 양력을 변화시키는 장치이다[1].
하지만, 설계의 해석적 접근의 중요성에도 불구하고 군사 보안상의 이유로 인해 실제 항공기 MCV 설계 요구도 및 해석적 접근에 대해 자세히 설명하는 연구 결과는 부족한 실정이다. 본 논문에서는 플랩제어시스템의 주요 구성품인 주제어밸브의 설계 목표를 설정하고 초기 설계단계에서 기존의 반복-오차 법 대신 모델 기반의 부품 설계 방법을 제안하였다.
따라서, 초기 해석 모델은 엔지니어의 경험과 시뮬레이션 및 과거 시험 데이터 등에 의해 시험 결과와의 해석오차를 줄이는 한편, 추후 시험결 과의 경향을 따를 수 있도록 개발되고 추후 개발이 진행됨에 따라 부분 검증 시험을 통해 모델의 각 세부 부품을 미세하게 검증하여 세부 설계 변수(design parameter)들을 조정하는 과정을 거친다. 이 논문에서 는 항공기 시스템 개발 과정에서 부분 검증 시험 직전의 전체 시스템 성능해석 모델 중 제어 모듈의 부분 모델을 활용하여, MCV 요구도의 만족 여부를 예측한다.

가설 설정

2) 해석-시험 간 오차로부터 세부 설계 변수들을 조정하고, 시험 과정 상의 오류를 식별하는데 활용한다. 3) 전체 시스템 모델에 연결하여 전체 플랩제어시스템의 상세 모델을 완성한다.
12까지 및 Table 3에서 성능 1-3), 5)는 요구도가 상한선, 하한선이 동시에 주어지므로 상한선, 하한선의 중앙선으로부터의 성능 여유를 계산하였으며, 성능 4), 6) 은 요구도가 각각 하한선, 상한선 단독으로 주어지므로 각 요구도 하한선, 상한선으로부터의 성능 여유를 계산하였다. 따라서, 성능 1-3), 5) 는 계산 값이 작을수록 성능 여유가 큰 것이며, 성능 4), 6) 은 계산 값이 클수록 성능 여유가 큰 것이다. Table 3으로부터 모델에 기반하여 설계 결과가 충분한 성능 여유를 가지는 것을 알 수 있다.

제안 방법

(1) 밸브 설계의 이론 및 경험 결과를 통해 MCV 성능에 영향을 미치는 주요 설계 변수들을 식별하고, 식별된 각 변수들의 실제 성능 영향성을 해석한다.
1) 부분 검증 시험을 위한 주제어밸브, 고장-안전 밸브의 시제품을 제작하고, 성능 시험결과를 추출하여 모델 해석 결과와 비교 검증한다.
Figure 7에서 Fig. 12까지 및 Table 3에서 성능 1-3), 5)는 요구도가 상한선, 하한선이 동시에 주어지므로 상한선, 하한선의 중앙선으로부터의 성능 여유를 계산하였으며, 성능 4), 6) 은 요구도가 각각 하한선, 상한선 단독으로 주어지므로 각 요구도 하한선, 상한선으로부터의 성능 여유를 계산하였다. 따라서, 성능 1-3), 5) 는 계산 값이 작을수록 성능 여유가 큰 것이며, 성능 4), 6) 은 계산 값이 클수록 성능 여유가 큰 것이다.
군사 보안 상의 이유로 인해 실제 요구도의 구체적인 수치를 제시할 수 없으므로 문자를 활용하여 수치를 나타내었다. MCV 전체 설계 변위는 고정되어 있으며, 이를 X라고 하였을 때, 중립유량게인(null flow gain), ±25% 유량게인, 중립압력게인(null pressure gain)을 각각 ±0.
각 설계 변수는 가공 공차에 의해 최소, 기본, 최대 값이 발생한다. 단, 𝑟𝑐는 가공 가능한 설계 치수를 기본 값으로 하고, 가공공차에 의한 최대 값을 고려하여 2가지 경우를 설계 범위로 하였다. 따라서 가공공차에 의한 162가지 경우의 성능해석 결과를 비교할 수 있으며, 해석 결과를 Fig.
그럼에도 불구하고 항공기 개발의 초기 단계에서는 제한된 시간과 경제적 자원으로 인해, 개발 시작 시점에서부터 시험 결과를 활용하여 해석 모델을 개발 하는 것은 어렵다. 따라서, 초기 해석 모델은 엔지니어의 경험과 시뮬레이션 및 과거 시험 데이터 등에 의해 시험 결과와의 해석오차를 줄이는 한편, 추후 시험결 과의 경향을 따를 수 있도록 개발되고 추후 개발이 진행됨에 따라 부분 검증 시험을 통해 모델의 각 세부 부품을 미세하게 검증하여 세부 설계 변수(design parameter)들을 조정하는 과정을 거친다. 이 논문에서 는 항공기 시스템 개발 과정에서 부분 검증 시험 직전의 전체 시스템 성능해석 모델 중 제어 모듈의 부분 모델을 활용하여, MCV 요구도의 만족 여부를 예측한다.
먼저 MCV 실제 유로에 바탕으로 모델을 구현한 후, 결과를 추출하여 성능 여유를 상대적으로 더 확보할 수 있는 설계 치수를 선택한다. Figure 4은 MCV 유로 및 유압 회로도이고 Fig.
따라서, 항공기 개발 과정에서 항공기 구동기를 개발하는 시스템 엔지니어의 경우, 대표적인 유압 전문 소프트웨어인 AMESim[9-13]을 Simulink와 병행, 연동하여 활용하거나, 개별로 운용하여 부품 및 시스템 개발에 활용한다[1, 7]. 본 논문에서는 AMESim 16.0을 활용하여 MCV를 설계하였다.
먼저 항공기 플랩제어시스템의 전반적인 구성과 MCV에 대해 개략적으로 설명한다. 실제의 전자식 비행제어는 Flap의 위치 및 MCV 스트로크(stroke) 변위의 제어 루프를 포함하는데, 비행제어 컴퓨터(FLCC; flight control computer)가 RVDT(rotary variable differential transformer), LVDT(linear variable differential transformer)로부터 각각의 측정치를 전달 받아 제어를 수행한다. 이들은 각각 전체 구조상 ‘High/Low Level Control Loop’에 해당하며, 결과적으로 비행제어 컴퓨터는 MCV를 구동시키기 위해 구동 모터(force motor)로 들어가는 전류를 제어함으로써 유압 밸브를 통과하는 유량을 제어할 수 있다.
8 모델은 시스템 모델[1]에서의 그것과 달리 제어 모듈 구성품인 구동 모터와 LVDT 를 포함하지 않는데, 이 모델이 제3장의 MCV의 핵심 요구도 1-6)의 해석결과를 관찰하고 특정 변위에서의 유량 또는 압력의 변화를 추출하기에 충분하기 때문이다. 즉, MCV 변위를 직접 입력으로 하였으며, 추후에 진행할 실제 시험 입력과 입력의 시간 및 형태를 동일하게 적용하였다. 해석을 통해서 과도 상태 결과가 나타남에도 불구하고, 실제 시험 시 전 스트로크 X에 이르는 총 입력 시간은 과도 상태의 유량 또는 압력 결과 값이 추출되는 것을 되도록 피하기 위하여 짧은 변위라도 충분히 긴 시험 시간을 설정하는 것이 좋다.

성능/효과

이는 Overlap 구간의 유량을 지배하는 식에서 유량이 MCV 슬롯의 너비와 스풀-슬리브 간 틈새가 클수록, Overlap 구간 길이가 작을수록 유량이 증가한다는 점에서 분명하게 확인된다. 결론적으로, 제4-5장의 과정을 통해 MCV를 설계한 결과 제3장에서 명시된 엄격한 MCV 요구도를 모두 만족시키며, 가공공차에 의한 성능저하를 고려하더라도, 성능 여유를 확보 할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
이는 가공공차 발생 값이 1 um ~2 um 안에 있는 것을 고려하였을 때, 매우 극적인 것으로 보여진다. 또한 성능 4), 6)은 요구도가 범위로 주어지지 않았고, 각각 하한선, 상한선으로 주어졌음에도 불구하 고, 가공공차에 의한 성능 변화가 30% 이상인 것으로 확인된다. MCV 설계 변수들의 1-6) 성능에의 영향성이 서로 다른 것을 고려하였을 때, 위의 결과는 반응성이 빠름에도 불구하고 상대적으로 성능 여유가 적은 언더 랩(underlap) 설계를 선택하지 않는 이유가 된다.
실제 시제품(prototype) 이나 요구도에 의존하여 설계 하기보다 개발 과정에서 활용이 가능한 초기 모델을 기반으로 설계하며, 해석 모델은 시스템 및 구성 부품의 설계 및 시뮬레이션, 실제 시험을 지원한다[4, 5]. 모델을 중심으로 설계를 진행하면, 비용이 너무 많이 들거나, 시간이 많이 걸리거나, 위험한 상황에서 효율 적으로 시스템 성능을 분석할 수 있다. 또한 Fig.
항공기에 적용되는 플랩제어시스템의 제어 모듈 부분 모델을 활용하여 핵심 부품인 MCV의 요구도 만족을 확인하였다. 본 논문의 설계 과정 및 결과는 항공기 플랩제어시스템의 주제어밸브 설계 시 기존의 경험에 근거한 반복-오차 방식과는 별개로 모델에 기반한 알려진 설계 결과가 없다는 점에서 의의가 있다. 해석 결과, 허용된 가공공차 적용 시에도 성능 여유를 확보하면서 요구도를 여전히 만족함을 확인함으로써, MCV 설계를 선제적으로 완료할 수 있었다.
여기서 성능 6)은 오버랩 설계 적용 시 𝑊_{𝑎,𝑑} , 𝑊_{𝑏,𝑐} ,𝑂_{𝑎,𝑑} ,𝑂_{𝑏,𝑐} , 𝑟𝑐 가 각각 최대, 최대, 최소, 최소, 최대 값이 될 때 최대 누유가 발생한다. 이는 Overlap 구간의 유량을 지배하는 식에서 유량이 MCV 슬롯의 너비와 스풀-슬리브 간 틈새가 클수록, Overlap 구간 길이가 작을수록 유량이 증가한다는 점에서 분명하게 확인된다. 결론적으로, 제4-5장의 과정을 통해 MCV를 설계한 결과 제3장에서 명시된 엄격한 MCV 요구도를 모두 만족시키며, 가공공차에 의한 성능저하를 고려하더라도, 성능 여유를 확보 할 수 있는 것을 확인할 수 있다.
항공기에 적용되는 플랩제어시스템의 제어 모듈 부분 모델을 활용하여 핵심 부품인 MCV의 요구도 만족을 확인하였다. 본 논문의 설계 과정 및 결과는 항공기 플랩제어시스템의 주제어밸브 설계 시 기존의 경험에 근거한 반복-오차 방식과는 별개로 모델에 기반한 알려진 설계 결과가 없다는 점에서 의의가 있다.
본 논문의 설계 과정 및 결과는 항공기 플랩제어시스템의 주제어밸브 설계 시 기존의 경험에 근거한 반복-오차 방식과는 별개로 모델에 기반한 알려진 설계 결과가 없다는 점에서 의의가 있다. 해석 결과, 허용된 가공공차 적용 시에도 성능 여유를 확보하면서 요구도를 여전히 만족함을 확인함으로써, MCV 설계를 선제적으로 완료할 수 있었다. 앞으로의 과제는 다음과 같다.
즉, MCV 변위를 직접 입력으로 하였으며, 추후에 진행할 실제 시험 입력과 입력의 시간 및 형태를 동일하게 적용하였다. 해석을 통해서 과도 상태 결과가 나타남에도 불구하고, 실제 시험 시 전 스트로크 X에 이르는 총 입력 시간은 과도 상태의 유량 또는 압력 결과 값이 추출되는 것을 되도록 피하기 위하여 짧은 변위라도 충분히 긴 시험 시간을 설정하는 것이 좋다.

후속연구

5은 MCV의 AMESim 모델이다. MCV 실제 유로를 모델링 함으로써 MCV Spool 변위에 따른 각 포트에서의 압력 강하, 챔버(chamber) 압력 등이 MCV 설계에 반영될 수 있으며, 이를 통해 추후 MCV 세부 설계에 활용할 수 있는 의미있는데 이터를 추출하는 것이 가능하다.
현재의 MCV 모델을 수정, 발전시켜 제어 모듈 개발에 성공적으로 활용할 수 있으며, 개발 과정에서 필연적으로 발생하는 시간, 경제적 자원들을 단축시킬 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플랩은 무엇인가?	본 논문에서는 플랩제어시스템(flap control system) 의 유량을 제어하는 핵심 부품인 주제어밸브(MCV; main control valve)의 해석 모델을 통한 설계 결과를 제시한다. 플랩은 항공기의 이차 비행조종시스템 (secondary flight control system)으로서 항공기 플래 퍼론(flaperon) 외측에 각각 부착되어 항공기의 이착륙 시 날개에 작용하는 항력과 양력을 변화시키는 장치이다[1]. 전기를 동력원으로 활용하여 플랩 전체를 구동 시키는 응용이 존재함에도 불구하고[2, 3], 현실적인 이유로 현재까지 대부분의 항공기에서는 유압을 동력 원으로 활용하여 항공기 플랩을 구동시킨다[4].
	항공기 플랩 구동 동력원의 현황은?	플랩은 항공기의 이차 비행조종시스템 (secondary flight control system)으로서 항공기 플래 퍼론(flaperon) 외측에 각각 부착되어 항공기의 이착륙 시 날개에 작용하는 항력과 양력을 변화시키는 장치이다[1]. 전기를 동력원으로 활용하여 플랩 전체를 구동 시키는 응용이 존재함에도 불구하고[2, 3], 현실적인 이유로 현재까지 대부분의 항공기에서는 유압을 동력 원으로 활용하여 항공기 플랩을 구동시킨다[4]. 이 때 항공기 구동 시스템은 매우 정밀한 유량 제어를 필요로 하며, MCV는 그것을 정밀 제어하는 부품이다.
	모델 기반 설계 접근에 의한 설계 초기 접근이 중요한 이유는?	MCV 설계는 대부분 실제 제작하면서 얻은 시험 결 과 및 경험 데이터를 기반으로 기계가공(machining)작업 및 반복-오차(trial and error)에 의존하여 진행된다. 하지만 초정밀 유량 제어 밸브를 설계하는 경우 초기 설계 단계에서부터 해석에 기반한 설계로 초기 접근해야만 원하는 성능에 쉽게 접근할 수 있으며 비용 및 일정의 부담을 줄일 수 있다[5]. 따라서 모델 기반 설계(Model-based design)접근에 의한 설계 초기 접 근이 매우 중요하다[4, 6-8].

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].

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