가스터빈 엔진 제어기는 과거의 유압기계식 조절기에서 유래하였고 1970년대의 DEEC를 거쳐 현대의 중앙집중식 FADEC에 이르고 있다. 제어성능의 향상, PHM 기술의 접목, 무게 절감의 목표를 달성하기 위해서는 분산엔진제어 시스템으로의 이행이 필요하다. 본 논문에서는 분산제어시스템의 개념 및 기술 발전 동향, 시스템의 성공적인 개발을 위한 정부-기업 간의 노력, 그리고 향후 극복해야 할 과제에 대하여 기술하였다.
가스터빈 엔진 제어기는 과거의 유압기계식 조절기에서 유래하였고 1970년대의 DEEC를 거쳐 현대의 중앙집중식 FADEC에 이르고 있다. 제어성능의 향상, PHM 기술의 접목, 무게 절감의 목표를 달성하기 위해서는 분산엔진제어 시스템으로의 이행이 필요하다. 본 논문에서는 분산제어시스템의 개념 및 기술 발전 동향, 시스템의 성공적인 개발을 위한 정부-기업 간의 노력, 그리고 향후 극복해야 할 과제에 대하여 기술하였다.
Gas turbine engine control was originated from a single hydro-mechanical governor for fuel metering and changed to 1970s' DEEC and then today's centralized FADEC. In order to attain the goal of improvement of control performance, application of PHM technology, and reduction of system weight, it is n...
Gas turbine engine control was originated from a single hydro-mechanical governor for fuel metering and changed to 1970s' DEEC and then today's centralized FADEC. In order to attain the goal of improvement of control performance, application of PHM technology, and reduction of system weight, it is necessary to make a transition to distributed engine control. This paper describes the concept and roadmap of distributed control, collaborative efforts of government and industry for successful development of the system, and technical challenges for the system.
Gas turbine engine control was originated from a single hydro-mechanical governor for fuel metering and changed to 1970s' DEEC and then today's centralized FADEC. In order to attain the goal of improvement of control performance, application of PHM technology, and reduction of system weight, it is necessary to make a transition to distributed engine control. This paper describes the concept and roadmap of distributed control, collaborative efforts of government and industry for successful development of the system, and technical challenges for the system.
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문제 정의
본 논문에서는 항공용 가스터빈 엔진의 분산 제어기술의 개념 및 기술 발전 동향을 기술하였으며, 시스템의 성공적인 개발을 위한 정부-기업 간의 노력, 그리고 향후 극복해야 할 과제에 대하여 다루었다.
본 프로젝트는 하향공(Downhole) 원유 및 가스 업계의 소요제기를 통해 시작되었으며, 주 목적은 > 20,000 ft 깊이에서의 에너지 자원 개발을 위해 필수적으로 요구되는 HTE 기술의 개발 및 제품의 상용화였다[9].
제안 방법
이후 GE와 BAE Systems는 AFRL(Air Force Research Laboratory)의 후원에 힘입어 재사용 가능한 표준형 모듈인 ‘Flexible FADEC’을 개발하였고, Honeywell는 Dual-Use Science and Technology 프로그램의 지원으로 기존의 bulk-silicon 소자를 적용한 1세대 분산엔진제어 시스템인 ‘MAC(Modular Aerospace Control) FADEC’을 제작완료하였으며, 또한 Hamilton Sundstrand와 Pratt&Whitney는 ‘Common FADEC’ 연구를 통해 교체가능한 제어기 부품을 개발하였다.
후속연구
이는 추가적인 무게 절감이 가능하다는 것을 의미한다. 또한 무선 통신이 적용된 유비쿼터스 시스템이 구축됨으로써 케이블이 차지하는 무게와 부피를 상당부분 감소시킬 수 있게 될 것이고, 최대 500 ℃에서 작동가능한 HTE 및 고속 통신모듈이 개발적용 될 것으로 예상된다.
제어성능의 향상, PHM 기술의 접목, 무게 절감의 목표를 달성하기 위해서는 분산엔진제어 시스템으로의 이행이 필요하며, 이는 상당한 수준의 기술과 투자를 요하는 과제이므로 Core I/O 단계 -> Networked 제어 단계 -> 완전 분산형 단계로 순차적 개발 적용해 나가는 것이 바람직할 것이다. 또한 분산제어시스템의 구축은 개개인의 독단적인 노력이 아닌 정부-기업 간 공동출자와 협동연구를 통해 이루어져야 한다. 시스템의 성공적인 구축을 위해 풀어야할 최우선 과제는 상용 디지털 통신 프로토콜 및 HTE의 개발이며, DECWG는 이를 구성원간의 선-경쟁적 연구를 통해 수행해나가고 있다.
제어성능의 향상, PHM 기술의 접목, 무게 절감의 목표를 달성하기 위해서는 분산엔진제어 시스템으로의 이행이 필요하며, 이는 상당한 수준의 기술과 투자를 요하는 과제이므로 Core I/O 단계 -> Networked 제어 단계 -> 완전 분산형 단계로 순차적 개발 적용해 나가는 것이 바람직할 것이다.
이후 Yedavalli는 안전우선 기능에 초점을 맞추어 6개의 프로토콜을 후보로 제시하였으며, 이들 중 시간트리거(Time-triggered) 방식인 TTP/C 및 TTEthernet이 가장 이상적인 프로토콜이라고 주장한 바 있다[7]. 한편, 최근 자동차 업계에서 분산제어 목적으로 개발적용한 Flexray가 매력적인 프로토콜로서 각광받고 있으나, 아직까지 항공우주 분야에 적용된 사례가 없으므로 추후 심도 있는 적합성 연구가 필요할 것으로 판단된다.
앞서 언급한 바와 같이 분산엔진제어 시스템의 성공적인 구현을 위해서 반드시 극복해야 할 난관들이 존재하며, 이는 정부나 기업의 독단적인 노력이 아닌 구성원들 간의 공동연구/투자로 풀어나가는 것이 바람직하다. 향후 기술적 극복분야 중 최우선으로 해결되어야 할 과제는 상용 통신 프로토콜 및 HTE의 개발이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가스터빈 엔진 제어기는 무엇으로부터 유래하였나?
가스터빈 엔진 제어기는 과거의 유압기계식 조절기에서 유래하였고 1970년대의 DEEC를 거쳐 현대의 중앙집중식 FADEC에 이르고 있다. 제어성능의 향상, PHM 기술의 접목, 무게 절감의 목표를 달성하기 위해서는 분산엔진제어 시스템으로의 이행이 필요하다.
DEEC의 강점은?
하지만 엔진 기술이 진보하고 시스템 복잡도가 증가함에 따라 구동기와 같은 추가적인 제어요소가 발생하였고, 이는 제어기가 비대해지고 생산비용이 고가로 치솟는 등 부정적인 결과들을 초래하였다. 1970년대에 반도체 공학의 진보에 힘입어 탄생한 디지털 전자식 제어기(Digital Electronic Engine Control, DEEC)는 부피/무게의 측면에서 상당한 이점을 지니고 있었으며, 엔진 제어 성능 또한 비약적으로 향상시킴으로써 점차 유압식 제어기를 대체해갔다. 이러한 전자식 제어기는 1980년대 이후 작동 변수 전체를 제어하는 FADEC(Full Authority Digital Engine Control)으로 발전하여 엔진의 작동을 완전히 자동화하기에 이르게 된다.
중앙집중식 제어의 한계는?
한편, FADEC은 프로세서, 신호처리기, 파워서플라이 등 핵심 전자부품을 모두 포함하고 있으므로 특수제작된 외함에 탑재하여 고온/고진동의 환경으로부터 격리시켜야 했다. 이러한 중앙집중식(Centralized) 엔진 제어는 현재에 이르러서도 계속 사용되고 있는 방식이나, 최근 들어서는 엔진 성능 향상을 위한 적응제어(Adaptive control) 기법의 확산, PHM(Prognosis and Health Management) 기술의 적용 및 센서/구동기의 증가 등으로 인해 FADEC의 부담이 크게 늘어난 상황이다. 이는 결국 FADEC의 무게 및 제작비용 증가로 이어졌고, 고도의 커스터마이즈(Customize) 설계방식은 시스템 유지보수(Maintenance)와 구식화(Obsolescence)에 따른 추가적인 관리비용을 발생시키고 있다. 이러한 중앙집중식 제어의 한계를 극복하기 위한 방안으로 최근 분산엔진제어(Distributed Engine Control) 방식이 각광받고 있으며, 엔진 무게 및 획득/관리 비용 감소, 첨단 기술 적용을 통한 엔진 성능 향상 등의 긍정적 효과가 기대되고 있다[1].
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