스크랩 KFX체계 개발을 위해 확보해야 하는 핵심 비행제어기술

[복사기맨]

KFX체계 개발을 위해 확보해야 하는 핵심 비행제어기술

이 논문은 KAI에서 낸 것으로서 해외의 항공기 개발 사례를 분석하여 전투기 개발에서 필요한 비행제어 기술을 정리하고 이를 근거로 개발이 시급한 핵심기술은 사전에 개발하여 체계개발에 활용이 가능하도록 하기 위한 개발 방안을 제시하여 체계개발 위험을 최소화시키는 방안을 제안한 내용입니다.

제가 이제까지 본 논문중 우리가 현재 보유하고 있는 항공제어기술과 세부적 내용이 잘 정리되어 있어 리뷰해봅니다. 그리고 논문이 실린 시점이 13년도 여름이라 가장 최근의 수준을 알 수 있어 유용한 자료라 여겨집니다.

리뷰하기 전 말씀드릴 것은 전 항공분야를 전공하지 않았고 관련업계에 종사하지도 않기 때문에 리뷰내용에서 그리 대단한 전문성을 기대하지 마시기 바랍니다.

KAI는 현 T/FA-50 개발경험을 기반으로 TRL 6 이상의 핵심기술을 획득하였습니다. 한편으로는 몇가지 핵심기술은 TRL 6 이하에 해당하고 있어 TRL 6이상의 수준으로 향상시켜야 한다는 과제가 있습니다. 이 기술들은 KFX개발에 반드시 필수적인 기술로서 하기의 표로 나타낼 수 있습니다.

이중 1~4번은 이미 TRL 6에 도달하여 KFX개발을 위한 기술을 확보하였지만 5~7번은 아직 TRL 5정도로 아직 6에 도달하지 못한 상태입니다.

여기서 TRL 5와 6을 가르는 차이가 뭘까요?

바로 체계에 직접 적용해서 기술을 검증했느냐 하지 못했느냐의 차이입니다.

바로 1~4번은 T/FA-50등에 적용하여 검증을 마쳤으나 후자의 기술등은 HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)를 이용한 모의실험정도로 검증한게 현재의 수준이라고 할 수 있겠습니다.

그럼 아직 미확보된 기술의 현재의 연구수준에 대해서 말해볼까요?

전제하지만 이 기술들은 모두 모의실험만 거쳤을 뿐 아직 체계에 적용되는 검증단계는 거치지 못했습니다.

가. 자동회복시스템

비행 중에 중력가속도로 인한 의식상실 등과 같은 다양한 인적요인(human factor)에 의해 조종사가 항공기의 제어를 적절하게 수행하지 못할 경우, 비행제어시스템에서 이를 감지하고 비행체를 자동으로 회복시켜주는 자동회복시스템의 설계가 필요합니다.

이를 위해 다음과 같은 세부적인 기술이 들어갑니다.

1.    조종사 의식 상실 감지

높은 중력가속도로 인한 조종사 의식 상실(GLOC: Gravity-Induced Loss Of Consciousness)을 방지하기 위한 기술로서 조종간의 힘을 분석하는 방법으로 GLOC을 감지하는 것은 종래에 AFTI/F-16에서 연구된 바 있으나, F-16에서 제시한 방법은 GLOC 상황에 대한 많은 시험데이터가 기반이 되어야 하는 단점이 있었습니다.

KAI 연구진은 조종간과 수직가속도 등과 같은 항공기 센서정보를 활용하였으며, 보편적으로 항공기에 적용할 수 있도록 일반적인 비행운용 방식, 높은 중력각속도를 요하는 기동 방식 및 의식상실 시의 조종사 성향 등의 정보를 활용하여 감지 알고리즘을 개발하였습니다. 하기의 그림(6)을 보시면 F-16(그림5)보다는 좀 더 많은 정보로 센싱하는 알고리즘을 만들었음을 알 수 있습니다.

2.    자세회복시스템

 야간비행 및 기상악화로 인해 시계가 확보되지 않는 비행 시에 각종 센서(sensor)및 계기시스템(display system)의 고장으로 인해 계기비행(blind flight)이 불가하거나, 과도한 비행조종에 따른 조종사의 주위 산만(distraction)으로 인해 항공기의 자세를 적절히 파악 할 수 없는 경우가 발생합니다. 따라서 상기와 같은 비정상적인 비행 상황에서 항공기의 자세, 속도 및 고도를 안전한 비행영역으로 회복시킬 수 있는 자세회복시스템의 설계가 필요합니다.

 자세회복 개념은 T-50 시험 조종사(test pilot)의 조언을 기반으로 회복명령을 생성하기 위해 작동영역을 3가지로 구분하였으며, 피치자세각뿐만 아니라 비행경로각 등 의 자세각 정보를 이용하여 최적의 회복조건을 생성하였다. 각 영역별로 회복 명령을 피치자세각(pitch attitude), 롤각(roll angle) 및 고도(altitude) 등에 따라 스케줄링하여 회복 특성을 향상시켰습니다. 그리고 자세를 회복하는 동안에 속도를 적절하게 유지하고, 자세회복 후에 안전한 속도 및 고도에서 수평비행을 유지할 수 있도록 하였습니다.

3. 자동 실속 회복시스템

항공기는 조종사의 급격한 기동에 의해 고받음각으로 진입하여 깊은 실속(deep stall) 및 스핀(spin)에 진입할 수 있습니다. 특히, 기동성 향상을 위해 정안정성완화(RSS: Relaxed Static Stability)개념으로 설계된 고성능 전투기의 경우에는 실속에 진입 시, 비행제어법칙의 영향으로 실속회복이 어렵습니다. 따라서 항공기의 실속특성을 향상시키거나 실속에 진입하는 것을 방지하고, 실속에 진입할 경우에 회복할 수 있는 제어알고리즘을 말합니다.

KAI는 T-50 고둥훈련기 모델을 기반으로 자동실속회복시스템을 설계하였으며, 조종사가 실속을 인지하고 작동스위치를 누르면 비행제어법칙에서 자동으로 항공기 세로축 운동과 일치하는 피치진동(pitch rocking) 명령을 발생시켜 항공기를 실속에서 회복시킵니다. 그리고 실속 회복 조작을 위한 참조 값은 피치각속도로, 자동실속회복 시스템의 조종명령이 기수진동에 맞추어 기수 숙임 및 들기 명령을 생성하고, 항공기의 세로축 진동운동을 증폭시켜, 항공기 기수를 아래로 숙임으로써 실속에서 회복시킨다고 합니다. 하기의 그림이 항공기가 실속했을 때 실속에서 빠져나오는 것을 나타낸 개념도입니다. 파란색 글씨가 있는 부분이 실속회복 알고리즘이 개입하는 부분이죠.

나. 자동추력제어시스템

근래의 최첨단 항공기는 자동추력제어시스템을 채택하여 연료(fuel)를 절감함으로써 체공시간을 늘리고, 자동비행시스템(autopilot)과 연계함으로써 조종사의 조종부담을 경감시키고 있습니다. KAI 에서는 사내 연구개발 과제를 통해 T-50 고등훈련기 모델을 기반으로 자동추력제어시스템을 개발하였으며 자동추력제어시스템을 적용하기 위해서는 비행제어컴퓨터에서 항공기 속도/받음각과 같은 상태정보를 이용하여 자동추력 제어명령을 비행제어컴퓨터에서 생성하고, 생성된 추력정보를 FADEC에 전달하는 방식을 설계하였습니다. 이러한 방식은 FADEC을 수정하는 복잡한 과정을 거치지않고, 소프트웨어 수정만으로 자동추력제어시스템을 설계할 수 있는 이점이 있습니다.

설계개념은 UA(up and away) 형상에서는 속도를 유지하고, PA(power approach) 형상에서는 착륙/접근을 용이하게 하기 위해서 받음각을 유지하도록 설계하였고 빠른 응답특성에 대한 오버슈트(overshoot)를 제거하고, 정상상태(steady-state) 오차를 제거하기 위해 비례-미분-적분제어기를 적용하였으며, 설계 영역에서의 응답을 최적화하기 위하여 모델기반 설계 기법을 적용하여 제어이득(controlgain)을 설계하였다고 하네요.

다. 지형 추종 비행시스템

야간비행이나 시계가 확보되지 않은 비행 상황에서 지형을 기반으로 한 저고도 지형추종 비행은 전투기가 적진 깊숙한 곳으로 안전하게 침투하기 위한 포복비행을 위한 제어기술입니다. 크게 두가지가 있습니다.

1. 지상충돌회피

지상충돌을 회피하는 방법에는 레이더 방식과 디지털 지형 정보를 기반으로 한 방식 등이 있는데, KAI에서는 디지털 지형 정보와 데이터베이스를 기반으로한 항공기 응답모델 (response model)을 기반으로 지상충돌방지시스템의 일종인 AL(Altitude Low)을 설계했습니다. T-50 고등훈련기의 시뮬레이션 데이터베이스를 기반으로 항공기의 상태 정보에 따라 충돌시간 및 고도를 계산하여 미리 설정된 MSL(Minimum Sea Level) 이전에 항공기가 안전하게 회복할 수 있도록 하였습니다

2. 지형추종비행시스템

KAI에서는 T-50 고둥훈련기 모델을 기반으로 합성영상시스템(SVS: Synthetic Vision System)을 개발하였으며, 지형고도 데이터베이스를 활용한 지형추종 기동 을 위한 기준궤적의 효율적인 생성기법에 대하여 연구했습니다. 지형추종비행은 비행 전 과정을 자동화하는 방법과 지형영상과 항법을 통합하여 조종사에게 지형추종 항법정보를 제공하여 비행을 수행하는 방법이 있다. 최근의 추세는 합성영상 시스템을 개발하여 항공기에 장착하여 야간이나 시계가 확보되지 않는 상황에서 저고도 비행이 가능하도록 하고 있습니다.

결론

상기의 기술들은 모두 HILS를 통한 시뮬레이션으로 검증을 마쳤으나 아직 쳬계에 적용되어 시험하지는 못한 상태로서 TRL 5에 머물러 있는 형편입니다. 안정적인 KFX체계개발을 위해서는 반드시 기확보해야 하는 기술들입니다. 이러한 핵심 기술은 한국형 전투기 체계개발 단계의 상세설계(CDR: Critical Design Review) 이전에 T-50을 기반으로 개발이 완료되어야 합니다. 그래야만이 체계개발 위험을 최소화시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.

출처

항공산업연구 제78집, 2013.8, 13-31 (19 pages)

한국형 전투기 비행제어시스템 개발 전략에 관한 연구

A Study on Development Strategies of Flight Control System for Korean Fighter eXperimental

김종섭, 조인제, 송재일, 황병문

[HL-C124]

아직도 가야할 길은 멀고도 멉니다