KR101865364B1 - 항공기 전자식 비행제어시스템 시험장치 - Google Patents

항공기 전자식 비행제어시스템 시험장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 항공기 모사기체, 실제 항공기의 조종면을 모사하여 구비되는 조종면모사부, 모사기체에 구비되며 조종면모사부를 구동하도록 구성된 조종면구동시스템, 실제 항공기의 기동시 발생하는 외력을 모사하여 조종면구동시스템에 인가할 수 있도록 구성되는 부하시스템 및 부하시스템을 제어하는 통합제어스테이션을 포함하는 전자식 비행제어시스템 시험장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 항공기의 전자식 비행제어시스템의 시험장치는 초도 비행 전 항공기 비행안전성을 입증하고 체계/부체계 간의 연동 및 호환성을 검증하여 개발의 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

항공기 전자식 비행제어시스템 시험장치{THE APPARATUS OF TESTING FOR FLY-BY-WIRE FLIGHT CONTROL SYSTEM OF AIRCRAFT}
본 발명은 전자식 비행제어시스템 시험장치에 관한 것이며, 보다 상세하게는 초도 비행 전 비행제어시스템의 감항기준 입증 및 초도비행 검증을 위한 시험장치에 관한 것이다.
현대의 항공기는 과거의 기계식 항공기에서 볼 수 없는 고성능 기동 및 정밀제어가 이루어지고 있으며, 지속적으로 발전하고 있다. 이러한 발전은 디지털 전자식 비행제어의 적용으로 가능하게 되었으며, 디지털 전자식 비행제어의 구현은 비행제어계통, 유압계통 및 전기계통의 통합으로 가능하게 되었다. 특히 비행제어계통은 항공기의 두뇌라 할 수 있는 비행제어 컴퓨터를 중심으로 항공기의 손과 발에 해당하는 조종면을 구동하여 원하는 항공기의 기동을 만들어내는 항공기의 핵심 시스템이다.
디지털 전자식 비행제어로 구현된 비행제어계통은 항공기 계통 중에서 비행 안전에 직결된 매우 중요한 분야로서 항공기의 가용성, 임무수행 가능성 등을 결정한다. 따라서 항공기의 초도 비행 전 비행안전 보장을 위한 비행안전항목을 확인하고 검증하며, 실제 항공기 탑재장비와 비행운용프로그램을 적용하여 시스템, 서브시스템간의 연동 및 보완성을 검증하기 위한 시험장치가 필요하다. 한편, 초도 비행 전 적용되는 검사와 관련하여 미국 등록특허 US8,392,046호가 개시되어 있다.
미국 등록특허 제8,392,046호
본 발명은 항공기의 전자식 비행제어시스템을 통합 검증할 수 있는 시험장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
상기 과제의 해결 수단으로서, 항공기 모사기체, 실제 항공기의 조종면을 모사하여 구비되는 조종면모사부, 모사기체에 구비되며 조종면모사부를 구동하도록 구성된 조종면구동시스템, 실제 항공기의 기동시 발생하는 외력을 모사하여 조종면구동시스템에 인가할 수 있도록 구성되는 부하시스템 및 부하시스템을 제어하는 통합제어스테이션을 포함하는 전자식 비행제어시스템 시험장치가 제공될 수 있다.
여기서, 부하시스템은 조종면구동시스템의 외측에서 외력을 인가할 수 있도록 복수의 부하구동부를 포함할 수 있다.
한편, 조종석을 모사한 조종석 스테이션을 더 포함하여 구비되며, 통합제어스테이션은, 조종석에서 발생된 조종입력에 따라 조종면구동시스템을 제어하며, 조종입력에 따른 실제 항공기의 기동시 발생하는 외력을 모사하여 부하시스템을 제어하는 조종면구동제어부를 포함할 수 있다.
나아가, 조종석스테이션은, 조종입력에 따른 항공기의 기동에 대한 공력해석을 수행하는 공력해석부를 더 포함하여 구성되며, 공력해석부의 공력해석결과 및 조종면모사부의 관성해석결과를 근거로 부하시스템을 제어할 수 있다.
통합제어스테이션은, 감항인증 및 비행성능 기준 데이터를 포함하며, 조종면구동시스템 및 부하시스템의 자체진단시험을 수행가능하도록 구성될 수 있다.
한편, 조종면구동시스템 및 부하시스템의 작동과 관련된 실시간 데이터를 획득가능하도록 구성되는 데이터 획득부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 항공기의 전자식 비행제어시스템의 시험장치는 초도 비행 전 항공기 비행안전성을 입증하고 체계/부체계 간의 연동 및 호환성을 검증하여 개발의 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시험장치의 구성에 대한 블록도이다.
도 2는 제1 실험예의 개념도이다.
도 3은 모사기체의 개념도이다.
도 4는 부하시스템 및 조종면구동시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 항공기의 전자식 비행제어시스템의 시험장치에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 이하의 실시예의 설명에서 각각의 구성요소의 명칭은 당업계에서 다른 명칭으로 호칭될 수 있다. 그러나 이들의 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 변형된 실시예를 채용하더라도 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 각각의 구성요소에 부가된 부호는 설명의 편의를 위하여 기재된다. 그러나 이들 부호가 기재된 도면상의 도시 내용이 각각의 구성요소를 도면내의 범위로 한정하지 않는다. 마찬가지로 도면상의 구성을 일부 변형한 실시예가 채용되더라도 기능적 유사성 및 동일성이 있다면 균등한 구성으로 볼 수 있다. 또한 당해 기술분야의 일반적인 기술자 수준에 비추어 보아, 당연히 포함되어야 할 구성요소로 인정되는 경우, 이에 대하여는 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 전자식 비행제어 시스템 시험장치의 구성에 대한 블록도이고, 도 2는 제1 실험예의 개념도이고, 도 3은 모사기체의 개념도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 전자식 비행제어시스템(150) 시험장치는 모사기체(100), 부하시스템(130), 조종석 스테이션(300), 유압시스템(200), 통합제어스테이션(400) 및 데이터 획득부(440)를 포함하여 구성될 수 있다. 도시된 바와 같이 구성되어 비행제어, 유압, 전기계통의 통합환경에서 비행제어계통 성능 및 기능을 확인하거나 검증을 수행할 수 있으며, 단일 또는 복합결함 조건에서 비행제어계통의 강건성을 확인하거나 검증할 수 있다. 이러한 시험장치는 아이언버드라고 칭할 수 있다.
모사기체(100)는 항공기의 설계단계에서 선정된 기체 형상을 모사하여 구성될 수 있다. 모사기체(100)는 실체 항공기와 동일하거나 유사한 철골구조로 구성될 수 있다. 모사기체(100)에는 항공기의 개발단계에서 실제항공기에 적용될 서브시스템의 일부가 동일하게 구비되는 공간을 제공한다. 구체적으로, 비행제어계통, 유틸리티계통, 유압라인, 조종면모사부(110)를 포함하여 구성되며, 전기시스템(140), 조종면 구동시스템, 비행제어시스템(150)이 구비될 수 있다.
모사기체(100)는 복수의 조종면모사부(110) 및 기타 구성품을 구동하기 위한 유압라인이 실제 항공기에 적용되는 구성과 동일하게 구성될 수 있다. 복수의 조종면모사부(110)를 구동하기 위하여 유압배관, 유압배관 지지대 및 받침대 등이 구비될 수 있으며, 유압라인이 동일하게 라우팅 가능하도록 설계된다. 또한 실제 항공기에 적용될 유압라인을 모사하여 탑재용 장착마운트와 함께 장착한다.
조종면모사부(110)는 항공기의 설계로 결정된 조종면을 모사하여 구비되며 실제 항공기에 구비되는 위치에 복수로 구비될 수 있다. 조종면모사부(110)는 힌지(123), 관성모사부, 연결부를 포함하여 구성될 수 있다. 실제 항공기에서 조종면은 힌지(123)를 중심으로 회전운동을 하게 되며, 이를 모사하기 위하여 체결된 힌지(123)축을 중심으로 동일한 관성으로 모사된다. 각 조종면모사부(110)는 실 항공기와 동일한 강성을 가지는 링크와 토션바를 이용하여 후술할 조종면구동시스템(120)과 연결된다. 조종면모사부(110)는 회전(rotational) 강성, 지지 강성(back-up stiffness), 장착(attachment) 요구사항을 만족하도록 구성된다. 관성모사부는 항공기 조종면의 설계 변경이 이루어지는 경우 이에 따라 조종면모사부(110)의 관성 및 지지강성이 조절가능하도록 구성되며, 구체적으로 힌지(123)의 회전중심을 동축으로 한 디스크 형상으로 구성될 수 있다.
전기시스템(140)은 모사기체(100)에 구비될 수 있으며, 전기 배선의 사이즈, 길이, 라우팅 등의 구성요소를 실제 항공기제 적용되는 구성과 동일하게 구비된다. 이때, 전기시스템(140)은 비행제어 시스템과 전원의 연동만이 필요하므로, 외부와 연결되는 전기 리그를 독립적으로 구성하여 시험 중 비행제어컴퓨터로 전원을 공급할 수 있도록 구현된다.
조종면구동시스템(120)은 조종면모사부(110)를 구동할 수 있도록 구성되며, 실제 항공기제 적용되는 구성과 동일하게 구성될 수 있다. 조종면구동시스템(120)은 조종입력 또는 비행제어시 적용되는 실제 조종면의 구동이 이루어질 수 있도록 조종면구동부(121)가 구비될 수 있으며, 유압 액추에이터로 구성될 수 있다. 이때, 실제 항공기와 동일한 유압라인이 구비되어 이로부터 유압을 전달받을 수 있다. 조종면 구동시스템은 복수의 조종면모사부(110) 각각에 구비되어 비행제어시스템(150)의 검증시 입력에 따라 실제 조종면이 구동되며 요구성능을 만족하는지 확인할 수 있게 된다.
비행제어시스템(150)은 실제 항공기에 적용되는 시스템과 동일하게 구성될 수 있다. 비행제어시스템(150)은 다양한 조종입력에 따른 기동이 이루어질 수 있도록 복수의 조종면모사부(110)를 개별적으로 제어하며, 또한 항공기의 성능과 관련된 다양한 요소에 대한 제어가 이루어지는지 그 성능을 검증하도록 구성된다. 설계단계에서 개발된 시스템이 구비되어 성능시험을 수행할 수 있게 된다. 다만, 이러한 비행제어 시스템은 모사기체(100) 내부에 구비된 예를 들어 설명하였으나, 모사기체(100) 외부에 구비되어 모사기체(100) 내부의 구성요소와 전기적으로 연결되어 성능시험이 수행되도록 변형되어 적용될 수 있다.
이상에서는 모사기체(100) 내부에 구비되는 시스템에 대하여 설명하였으며, 이하에서는 모사기체(100)의 외부에 구비된 구성에 대하여 설명하도록 한다.
부하시스템(130)은 실제 항공기의 기동시 발생하는 외력을 모사하여 조종면구동부(121)에 인가할 수 있도록 구성된다. 즉 조종입력에 의해 항공기의 기동이 이루어질 때 기체주변의 공력해석을 통하여 각각의 조종면모사부(110)에 작용하는 외력을 모사하여 적용시킬 수 있도록 구성된다. 부하시스템(130)은 별도의 유압시스템으로부터 유압을 공급받고 모사된 외력을 인가할 수 있도록 부하구동부(131)를 포함하여 구성될 수 있다. 한편, 이러한 부하구동부(131)의 구성은 차후 도 4를 참조하여 설명하도록 한다.
조종석 스테이션(300)은 조종석을 모사하여 구비되며, 모사기체(100) 외부에 구비되어 파일럿이 조종입력을 발생시킬 수 있도록 구성될 수 있다. 조종석 스테이션(300)은 호스트 컴퓨터, 시뮬레이터 조종석, 시각시스템 및 신호 인터페이스 장치(Signal Interface Unit)로 구성될 수 있다. 조종사의 입력에 따라 발생되는 조종입력을 신호연동장비를 통해 서버에 전달하고, 시뮬레이션 소프트웨어에 적용한 후 그에 따른 영상 및 조종실 계기를 통하여 조종사에게 피드백 할 수 있게 된다.
조종석 스테이션(300)은 공력해석부(320) 및 관성해석부(310)를 포함하여 구성될 수 있다.
공력해석부(320)는 항공기의 기동에 따른 항공기 주변의 상태의 실시간 시뮬레이션을 수행하고 항공기 조종면의 조작에 따라 각각의 조종면에 작용하는 외력을 계산할 수 있도록 구성된다. 이러한 외력은 부하시스템(130)의 기준입력으로 적용될 수 있다. 또한 공력해석부(320)의 해석 및 모사된 형상에 따른 관성해석을 수행하여 이를 반영하여 부하시스템(130)을 제어할 수 있다.
관성해석부(310)는 설계되어 있는 조종면모사부(110) 및 기체의 관성을 해석하고 이를 반영할 수 있도록 구성된다. 모사기체(100)에 구비된 조종면모사부(110)가 실제 항공기의 조종면을 모사하여 구비되므로 이러한 형상이 변하는 경우 변화된 관성을 해석하고 시험에 반영할 수 있도록 구성된다.
유압시스템(200)은 전술한 조종면구동시스템(120)에 적용되는 유압을 발생시킬 수 있도록 구성된다. 유압시스템(200)은 조종면구동시스템(120)에 연결되어 유압을 전달하며, 조종면구동시스템(120)은 각각의 유압구동부에 유압을 분배하고 제어하여 조종면모사부(110)를 제어하도록 구성된다. 유압시스템(200)은 유압파워유닛, 유압펌프, 유압탱크, 유압제어부를 포함하여 구성될 수 있다. 다만 이러한 유압시스템(200)의 구성은 널리 쓰이고 있는 구성이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하도록 한다.
통합제어스테이션(400)은 항공기의 비행제어 시스템, 조종면구동시스템(120), 전기시스템(140)을 포함한 서브 시스템을 통합하여 시험을 수행할 수 있도록 구성된다. 통합제어시스템은 모사된 각각의 시스템 및 서브시스템을 제어하고 모니터링할 수 있도록 구성된다. 또한 통합제어스테이션(400)은 조종입력, 외부환경 등에 의한 영향을 구현하고 이를 반영하여 각각의 시스템 및 서브시스템을 시험하도록 구성된다. 구체적으로 통합제어스테이션(400)은 모사기체(100)의 조종면구동시스템(120)에 구비된 기계적인 연결, 유압연결, 비행제어시스템(150) 및 전기 시스템에 구비되는 전기적 연결 및 각각의 제어에 대한 모니터링 및 검증을 수행할 수 있도록 구성된다.
한편 통합제어스테이션(400)은 획득된 데이터를 근거로 감항성능기준에 부합하는지 여부를 판단할 수 있으며, 감항인증기준문서의 인증요건이 입력될 수 있다. 구체적으로 감항인증 기준문서는 MIL-HDBK-516C 가 될 수 있다.
통합제어스테이션(400)은 통합제어부(410) 및 데이터 획득부(420)를 포함하여 구성될 수 있다.
통합제어부(410)는 각각의 시스템 및 서브시스템의 자체진단시험, 측정기반 실시간 데이터 획득, 전체적인 시험장치의 작동을 관리한다. 이때 모사기체(100) 및 서브 시스템에 구비되어 있는 복수의 센서로부터 감항성능 요구도 만족을 판단하기 위한 상태값을 센싱하여 이용할 수 있다.
데이터 획득부(420)는 각 시스템 및 서브시스템에서 측정되거나 계산된 값을 획득할 수 있도록 구성되며, 이를 이용하여 감항성능에 부합하는지 판한할 수 있도록 구성된다. 한편, 이러한 데이터 획득부(420)의 구성은 다양하게 구성될 수 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 4는 부하시스템(130) 및 조종면구동시스템(120)의 일 예를 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 조종면구동시스템(120)은 조종면구동부(121), 부하구동부(131), 힌지(123), 관성조절부(122)가 연결되어 구성될 수 있다. 조종면구동부(121)는 조종면모사부(110)에 직접연결되어 조절할 수 있도록 연결부가 구비되며, 연결부와 구동부의 구성은 실제 항공기와 동일하게 구성될 수 있다. 한편, 외력을 적용시킬 수 있도록 부하시스템(130)의 부하구동부(131)가 일측에 구비되어 시동에 따라 조종면모사부(110)에 작용하는 외력을 모사하여 적용할 수 있도록 구성된다. 즉 이러한 부하구동부(131)에서 적용시키는 힘은 조종면구동부(121)의 구동을 저항하는 힘이 된다. 관성조절부(122)는 조종면에 대한 설계변경시 이를 반영할 수 있도록 관성조절이 가능하도록 구성된다. 즉 회전에 대한 관성이 변화될 수 있도록 추가 중량을 설치하거나 다른 형상으로 교체할 수 있도록 구성된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 전자식 비행제어시스템(150) 시험장치는 설계과정에서 결정된 기체 형상에 따라 항공기에 구비되는 서브 시스템을 실제와 동일하게 장착하여 구동에 따른 비행성능 및 감항성능에 대하여 시험할 수 있다. 특히 초도비행에 필요한 필수적인 비행성능을 사전에 판단할 수 있다. 따라서 실제 항공기의 초도 비행 전 시스템의 안정성 및 결함여부를 판단할 수 있으며, 문제발생시 이를 반영한 설계변경이 이루어지더라도 용이하게 적용하여 시험할 수 있으므로 설계 소요시간 및 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
100: 모사기체
110: 조종면모사부
120: 조종면구동시스템
121: 조종면구동부
122: 관성조절부
123: 힌지
130: 부하시스템
131: 부하구동부
140: 전기시스템
150: 비행제어시스템
200:유압시스템
300: 조종석 스테이션
310: 관성해석부
320: 공력해석부
400: 통합제어스테이션
410: 통합제어부
420: 데이터 획득부

Claims (6)

  1. 항공기 모사기체;
    실제 항공기의 조종면을 모사하여 구비되는 조종면모사부;
    상기 모사기체에 구비되며 상기 조종면모사부를 구동하도록 구성된 조종면구동시스템;
    실제 항공기의 기동시 발생하는 외력을 모사하여 상기 모사기체에 인가할 수 있도록 구성되는 부하시스템; 및
    상기 조종면구동시스템 및 상기 부하시스템을 제어하는 통합제어스테이션을 포함하는 전자식 비행제어시스템 시험장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 부하시스템은 상기 조종면모사부의 외측에서 외력을 인가할 수 있도록 복수의 부하구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 비행제어시스템 시험장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    조종석을 모사한 조종석 스테이션을 더 포함하여 구비되며,
    상기 통합제어스테이션은,
    상기 조종석에서 발생된 조종입력에 따라 상기 조종면구동시스템을 제어하며,
    상기 조종입력에 따른 실제 항공기의 기동시 발생하는 외력을 모사하여 상기 부하시스템을 제어하는 통합제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 비행제어시스템 시험장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 조종석 스테이션은,
    상기 조종입력에 따른 상기 항공기의 기동에 대한 공력해석을 수행하는 공력해석부를 더 포함하여 구성되며,
    상기 공력해석부의 공력해석결과 및 상기 조종면모사부의 관성해석결과를 근거로 상기 부하시스템을 제어하는 통합제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자식 비행제어시스템 시험장치.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 통합제어스테이션은,
    감항인증 및 비행성능 기준 데이터를 포함하며,
    상기 조종면구동시스템 및 상기 부하시스템의 자체진단시험을 수행가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식 비행제어시스템 시험장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 조종면구동시스템 및 부하시스템의 작동과 관련된 실시간 데이터를 획득가능하도록 구성되는 데이터 획득부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자식 비행제어시스템 시험장치.

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