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MARC
자료명/저자사항
신개념 비행체 설계종합 기술개발 / 지식경제부 [편] 인기도
발행사항
[과천] : 지식경제부, 2009
형태사항
207 p. : 삽화, 도표, 사진 ; 30 cm
제어번호
MONO1201009207
주기사항
스마트무인기기술개발사업 2단계 최종보고서
주관연구기관: 한국항공우주연구원
주관연구책임자: 김재무
원문
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표제지

2단계 최종보고서의 구성 및 내용

제출문

보고서 초록

요약문

SUMMARY

CONTENTS

목차

제1장 연구개발과제의 개요 19

제2장 국내외 기술개발 현황 21

제1절 해외 기술개발 동향 21

제2절 국내 기술개발 동향 32

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 36

제1절 신개념 비행체 통합설계/형상관리 36

제2절 스마트무인기 공력/성능 해석 및 시험 44

제3절 기체구조 설계종합 51

제4절 로터/드라이브 시스템 개발 87

제5절 자동비행시스템 개발 93

제6절 추진시스템 개발 155

제7절 착륙장치 개발 160

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 165

제1절 2단계 연구개발목표 및 달성도 165

제2절 연차별 연구개발목표 및 달성도 170

제3절 최종목표 대비 2단계 주요성과의 기여도 191

제4절 2단계 주요 기술개발 성과 192

제5장 연구개발결과의 활용계획 201

제1절 기술개발 시 예상되는 파급효과 및 활용방안 201

제2절 과학기술적 응용 잠재력 205

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 208

제7장 참고문헌 209

초록보기 더보기

I. 제목

신개념 비행체 설계종합 기술개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

무인기 기술을 단순히 전통적 개념의 고정익 혹은 회전익 항공기에 적용하는 것만으로는 세계 시장의 진입이나 이를 위한 기술적 도약을 이루기 어려우며, 다양한 수요를 만족시킬 수 있는 신개념 비행체를 개발함으로써 폭 넓은 시장의 요구에 부응할 수 있을 것이다. 특히 고정익 항공기의 넓은 임무 범위와 긴 체공 시간 특성을 그대로 유지하면서도 수직 이착륙이 가능한 비행체를 개발함으로써 무인기의 임무 범위를 극대화하고 지상, 함상, 산악 등 다양한 환경에서의 운용을 가능케 할 수 있을 것이다.

본 연구에서는 고정익 항공기의 장점을 그대로 유지하면서도 수직 이착륙 기능을 갖춘 신개념 비행체를 설계/개발/시험하고자 하며, 이를 위하여 틸트로터 형태의 비행체를 신개념 비행체의 기본 플랫폼으로 채택하였다. 따라서 개발과정에서 기존의 고정익 혹은 회전익 항공기 개발과는 다른 수많은 기술적 어려움을 예상할 수 있으며, 체계 종합, 최적 형상 설계, 각종 해석 및 시험에 있어서도 새로운 기술의 개발을 필요로 한다.

이를 위해 기존의 항공기 체계, 공력, 구조, 추진, 제어, 회전익 및 세부계통 분야의 기반 기술을 효율적으로 활용하는 것은 물론이며, 다분야간 혹은 다학제간 설계/해석/시험 기술의 개발을 통하여 신개념 비행체의 성공적 개발을 달성할 수 있을 것이다. 이러한 신개념 비행체에 스마트 무인 기술을 적용함으로써 다양한 임무와 운용 범위를 가진 스마트 무인기의 개발이 가능하며, 이를 통하여 급성장하는 국내외 무인기 수요에 대처할 수 있을 것이다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

신개념 비행체 통합설계/형상관리

- 설계목표 및 예산, 일정 관리

- 비행체 통합설계 및 형상설계완료 (외형 및 내부배치 완료)

- 형상정보의 일치성 확보 및 관리 (ICD, 3D모델, 도면, BOM)

- 비행체 상세설계 결과종합 및 물리적/전기적 인터페이스 종합관리

- 시험평가단계의 다양한 기술이슈/위험항목 발굴 및 관리

- 비행체 지상통합시험 및 비행시험 절차 수립

- 3단계 형상 개발을 위한 외형 및 탑재장비의 설계개선사항 종합/형상개정

공력/성능 해석 및 시험

- 비행체 풍동시험 및 공력DB 구축

- 비행체 상세 공력해석 및 성능분석

- 축소기 지상 및 비행시험 지원

- 비행체 지상 및 비행시험 준비

기체구조 설계종합

- 구조 및 진동시험 검토 및 승인

- 구조설계/해석/시험 평가 종합 분석

- 설계 최적화(작업성, 유지보수성) 및 경량화

- 구조시제기 1대 및 비행시제기 2대 제작

로터/드라이브 시스템 개발

- 로터/드라이브 장치 상세 설계

- 로터/드라이브 장치 제작

- 아이언버드를 이용한 로터/드라이브 시스템 성능 및 내구성 시험

- 타시스템과의 연동 및 지상시험

- 비행시험 준비

자동비행시스템 개발

- 자동비행 시스템 개발 및 시험

- 자동비행 시스템 통합 및 지상시험

- 자동비행 시스템 성능분석 및 개선

추진시스템 개발

- 추진시스템 성능시험

- 추진시스템 통합 및 지상시험

- 추진시스템 성능분석

착륙장치 개발

- 착륙장치 상세설계 완료

- 착륙장치 제작 완료

- 착륙장치 낙하시험 수행 및 ADAMS 해석과의 보정 수행

IV. 연구개발결과

신개념 비행체 비행체 통합설계/형상관리 분야에서는 1단계에서 선정된 틸트로터형 신개념 비행체의 핵심기술개발과 상세설계완료 및 제작/통합 시험의 성공적 수행을 위해, 기술적 위험 및 비행성능과 관계된 주요 성능지수 (TPM : Technical Performance Parameter)로 정의하여 주기적으로 그 변동추이를 관리하였다. 2단계 4개년동안 매년 각 하부과제와의 과제협약 및 평가 관련하여 예산/업무목표/일정 조정과 관계된 기술관리적 업무를 수행하였고, 매년 계획대비 줄어드는 예산대비 실제 소요비용의 증가문제를 해결하기 위해 다각도로 설계최적화와 비용절감을 위한 설계대안 및 설계수행 주체 변경 등의 의사결정을 담당하였다.

또한, 2단계 신개념 비행체의 설계통합 및 비행체 개발총괄로서 각 하부체계의 개발단계별 성숙된 설계-해석 결과의 검토 및 설계진도회의 등을 통하여, 설계변경 이슈의 발굴과 설계 최적화의 기회를 적기에 파악하고 제시-조정함으로써 신개념 비행체의 효과적 설계종합을 함으로써, 성공적인 신개념 비행체 형상개발을 이뤄내었다. 설계통합은 3차원 디지털 목업을 이용한 가상공간의 설계통합-점검 기술을 적용하여, 시험제작 단계를 거치지 않고도 성공적으로 제작형상 승인이 가능하도록 하여 일정과 예산을 절감하였고, 조립절차 및 장-탈착성 검토에도 이를 활용하여, 초도개발 비행체에 필연적으로 따르는 제작-정비성의 문제를 최소화하였다.

이뿐 아니라, 형상정보의 일치성 확보 및 관리를 위해 CDR 이후의 설계변경은 설계변경통제회의를 통하도록 함으로써, 보다 체계적인 설계변동 관리 및 통합이 가능하도록 하였다. 또한 설계정의에 관계된 물리적 ICD-3D모델-도면-BOM의 성숙도와 연동성을 주기적으로 점검 관리하였고 그 일치성을 점검하였다.

또한, 시험평가단계의 다양한 기술이슈/위험항목 발굴 및 관리하여, 비행체 지상통합시험 및 비행시험 절차 수립하였고, 3단계 형상 개발을 위한 외형 및 탑재장비의 설계개선사항 도출을 위한 TFT를 운영하여 총 100여 가지의 3단계 형상설계 개선안을 도출하여 3단계 형상개발 업무가 효과적으로 이어지도록 하였다.

공력/성능 해석 및 시험 분야에서는 40% 축소형 모델에 대해서 프롭로터 지상 및 풍동시험, 전기체 파워 및 무파워 풍동시험이 수행되었으며, 비행성능 해석 및 비행시뮬레이션을 위한 공력 데이터베이스가 구축되었다. 또한, 파워 동안정 풍동시험을 수행하여 비행체의 동안정 특성도 분석되었다. 공력 및 성능해석 분야에서는 전기체 형상에 대한 파워 유동해석을 수행하여 프롭로터에 의한 비행체의 공력특성 변화를 분석하였으며, 틸트로터 성능해석코드를 개발하여 비행체의 임무별 상세 성능해석을 수행하였다.

기체구조 설계종합 분야에서는 1단계에서 기본설계 결과를 바탕으로 상세 설계를 수행하여 기체 제작 공정 및 설계의 안전성 확인을 위해 시험용 기체를 제작하여 11가지 조건의 임계하중조건에서 극한하중까지 구조시험을 수행한 결과 극한하중의 110% 하중에서 기체의 파손이 시작되어 기체의 건전성을 확인하였다. 구조시험 결과를 반영한 기체의 경량화 및 최적화 설계 변경을 통하여 기체의 중량을 186kg에서 171kg로 경감하였으며, 비행용 기체를 2대를 제작하였다.

로터/드라이브 시스템 분야에서는 스마트무인기 비행체를 구성하는 핵심시스템 중의 하나인 로터/드라이브시스템의 상세설계, 제작 및 조립을 완료하였으며, 아이언버드 지상시험을 통하여 로터/드라이브 작동성 및 기본성능을 확인하였다. 또한 설계된 로터시스템은 40% 축소기에 적용되어 비행시험이 성공적으로 완료됨에 따라 설계 적합성을 간접적으로 확인하였다.

자동비행시스템 분야에서는 1단계에 개발된 비선형 시뮬레이션 프로그램에서 풍동시험 및 수평꼬리날개 형상 변경에 따른 비행운동 모델 개선하고 자동조종시스템으로 조종믹서 및 자동조종시스템 모듈별 구성도(Function Block Diagram)를 작성하여 고정익/천이/회전익 모드에 대한 SAS, 천이비행을 위한 천이 스케쥴러, 자세/속도/ 고도유지, 점항법/사전프로그램 모드에 대한 유도제어법칙을 설계하고 관련 인터페이스 통제문서, 상세설계 명세서, 상세설계보고서를 작성한 후 상세설계검토회의(CDR)를 수행하였다. 설계된 자동비행시스템을 검증하기 위해 실물기와 동일한 알고리듬을 갖도록 축소형 모델의 제어법칙을 개발하고 축소형 비행제어컴퓨터(FCC)에 탑재하여 HILS(Hardware-In-the-Loop Simulation)시험을 수행한 후 40%축소기의 비행시험을 수행하여 천이비행(90°↔0°)을 달성하고 제어로직과 비행운용프로그램(OFP) 소프트웨어의 성능과 절차를 검증하였다. 축소기 비행시험을 통해 검증된 결과를 전기체에 반영하였으며 전기체에 대한 자동비행 제어로직, 임무제어 로직, 고장진단 로직을 각각 OFP 소프트웨어로 디지털 비행제어 컴퓨터(DFCC)에 구현함으로 전기체 지상 통합시험을 수행할 수 있는 자동비행시스템을 개발하였다.

추진시스템 분야에서는 비행체 요구조건에 부합되도록 선정한 최대이륙동력 550마력의 PW206C 터보축엔진 3기를 구매 완료하였다. 엔진을 기체에 장착하기 위한 흡입구/배기노즐/배기이젝터를 설계하였고, 엔진의 신호/전기계통, 시동 및 발전계통, 오일냉각계통, Power Lever 조절 및 링키지 계통 상세설계를 수행하였다. 설계가 완료된 추진시스템 부품 및 보기류는 국내에서 제작하거나 OTS 제품은 국외에서 구매하여 비행체 1,2호기에 장착조립을 완료하였다. 추진장치와 비행체의 전기/신호 인터페이스 시험을 통해 추진장치의 통신 및 전원 계통이 ICD에서 규정한 대로 정상 작동함을 확인하였다. 추진장치 지상시험에서는 비행체에 조립된 엔진 및 구성품, 연료계통 등 추진장치가 관제장비에 명령에 의해 정상 작동되고 수동모드의 엔진시동 및 엔진 출력조절이 정상 작동함을 확인할 수 있었다.

착륙장치 분야에서는 상세설계를 통하여 비행체와의 설계통합을 완성하였고, 착륙장치 제작 및 수락시험을 통해 초도품 인도와, 국내에 인도된 착륙장치를 이용하여 완충기 개발시험 및 최적화 업무를 수행하였다. 유공압 방식의 항공기용 완충기 개발을 위한 시험/해석/설계수정을 통한 최적화의 전과정을 국내 자체적으로 수행한 것은 금번이 최초로서, 성공적인 업무수행을 통해 향후 유공압방식 착륙장치의 국내개발 관련 핵심 설계/해석 기술과 시험기술 그리고 시험장치를 확보하게 되었다.

또한 전원분배기에 포함된 착륙장치 제어용 스위치를 별도로 분리해 내어, 착륙장치 제어기를 구성함으로써, 착륙장치 개발과 전원장치 개발의 연동에 따른 전기적 간섭의 위험을 제거하고, 독립적 개발에 따른 독립적 검증 및 현장점검이 가능하게 하였다. 비행제어 컴퓨터-제어기-착륙장치 제어용 스위치 및 모터의 인터페이스 정의와 설계반영, 운용로직 개발/ 수정을 완료하였으며 지상통합 시험을 통하여 그 기능과 운용성을 검증하였다.

V. 연구개발결과의 활용계획

본 과제의 1단계 개발성과는 시스템 수준에서 신개념 비행체 개발에 특화된 것인 동시에 이후 개발 단계를 목표로 얻어진 것이므로 원칙적으로 스마트 무인기 기술개발 사업의 2단계 및 3단계에 활용될 것이다. 1단계 연구 성과를 기반으로 2, 3단계 연구가 성공적으로 마무리됨으로써 얻어질 신개념 비행체는 현존하는 기술적 한계를 뛰어넘어 폭발적인 수요가 기대되는 무인 비행체로 거듭날 것이다.

- 개발된 비행체는 해양경찰청의 선박 감시 및 해안 경비, 국경 감시, 자원 탐사, 정찰비행 등 다양한 임무에 활용될 수 있음

- 개발의 성과로 축적된 비행체 형상설계 및 비행체 종합 기술은 향후 국내의 다른 비행체 개발 프로그램에 파급되어 체계적이고 최적화된 비행체 개발에 기여하게 될 것임

- 수직이륙 및 고속비행이 가능한 미래의 신개념 비행체 개발에 있어서 항공 선진국과의 경쟁에 활용될 것임

- 스마트무인기개발사업을 통해 구축된 공력형상설계 및 해석/시험기법은 스마트무인기의 실용화 단계에서 최적의 비행성능을 구현할 수 있는 비행체 형상을 개발할 수 있도록 하며, 향후 틸트로터형 유인기 개발 시 본 기술의 적극적 활용으로 개인용 항공기 개발사업과 같은 미래지향적 항공산업을 성공적으로 선도할 수 있는 초석을 마련함

- 스마트무인기의 양산 시, 기 확보된 로터/드라이브 시스템의 독자적인 해석, 설계 능력을 바탕으로 핵심 시스템에 대한 기술적 자립을 확보할 수 있으며, 현재 수요가 점점 창출되고 있는 수직이착륙 무인기 시장을 선점할 수 있는 기술적 바탕을 제공하고 차후 한국에서 개발될 회전익 유/무인기의 로터/드라이브 시스템 설계를 독자적으로 수행할 수 있는 기술 기반을 마련함

- 스트랩다운 항법기술은 러시아 바우만 공대와 기술협력을 통하여 무인기용 항법 알고리즘으로서 개발한 결과를 국내업체인 마이크로 인피니티에서 항법시스템 개발 시 활용할 수 있도록 기술이전을 하였으며, 틸트로터 시뮬레이션 프로그램은 국내 학계에서 제어기 설계시 활용할 수 있도록 배포를 하였음

- 향후 국내의 유인 헬리콥터 개발이나 틸트로터 항공기 개발 프로그램에 추진장치 설계사양 도출, 엔진선정, 기체장착설계 등의 기술 활용이 가능하며, 연료장치의 기본설계 결과를 2단계에서 시험을 통해 성능과 신뢰성 확인을 거쳐 사업화 활용 가능함

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이용현황 테이블로 등록번호, 청구기호, 권별정보, 자료실, 이용여부로 구성 되어있습니다.
등록번호 청구기호 권별정보 자료실 이용여부
T000031811 이용불가
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