스마트무인기 통제에 최적화된 지상관제장비 개발 및 발전방향

박정식,배진근,노재상,김중욱 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

지난 2002년 21세기프로티어 연구개발사업단의 하나로 스마트무인기 기술개발 사업단이 개시되어, 작년 2012년까지 3단계에 거쳐 10년 동안 수직이착륙 및 고속비행이 가능한 무인항공기 시스템 개발을 수행하여 비행 시연을 성공적으로 수행했다. 특히 관제장비 F2과제를 수행한 유콘시스템(주)은 10년간의 ‘틸트로터형‘ 신개념 무인항공기 개발 사업에 참여하며 스마트무인기의 통제에 최적화된 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한 비행통제 통합솔루션을 개발하였다. 그동안 축적된 기술과 인력자원을 기본으로 향후 급속한 시장 확대가 예상되는 무인항공기 관제장비 분야의 확고한 입지를 구축했다는 평가를 할 수 있다. Being one of the 21th Century Frontier R&D Agencies, a Smart UAV Technology Development Agency has been established in last 2002. Going through 3 steps for 10 years to 2012, they have successfully carried out VTOL and high speed operatable UAV system development and demo flight. Especially UCONSYSTEM CO. LTD, a company accomplished the F2 control system project, had been participating the ‘Tilt-Rotor Type’ new concept UAV development project for 10 years developing the Flight Control Total Solution including optimized hardware and software for controlling smart UAVs. It could be assessed that based on the accumulated technology and manpower resources we have established a solid foothold in the UAV control equipment area, a market expected to grow rapidly over the next decades.

스마트 무인기의 지상시험을 통한 비행제어 성능분석

강영신(Young-Shin Kang),박범진(Bum-Jin Park),유창선(Chang-Sun Yoo),김유신(Yu-shin Kim),구삼옥(Sam-Ok Koo) 한국항공우주연구원 2010 항공우주기술 Vol.9 No.1

스마트무인기의 비행시험에 앞서 비행제어시스템을 포함한 전체 무인기 체계의 건전성을 검증하기위한 지상통합시험을 수행하였다. 지상통합시험은 비행체 인터페이스 시험, 비행체 HILS시험, 지상파워시험, 4자유도 치구시험, 안전줄 호버시험 순서로 진행되었으며, 각각의 시험을 통해 전체 무인기 시스템의 안전성을 입증하였다. 본 논문에서는 국내 최초로 개발된 틸트로터인 스마트무인기의 지상시험 절차와 각 시험에서 획득한 데이터 분석결과를 제시하였다. 지상시험 결과 비행제어시스템의 안전성이 충분히 입증되었으며, 비행시험이 수행가능하다고 판단되었다. The tilt-rotor Smart UAV(Unmanned Air Vehicle) has been developed by KARI(Korea Aerospace Research Institute) for civil purposes. In order to prove the reliabilities of total system of Smart UAV, the series of ground tests were performed including system interface test, aircraft HILS(Hardware In the Loop Simulation) Test, ground power test, 4-DOF (Degrees of Freedom) rig test, and tethered hover test. Many unexpected problems occurred at each ground test. With clearing these problems, the total Smart UAV systems were matured and the airworthiness was proven enough. After complete of additional ground test proposed by FRRB(Flight Readiness Review Board), the first flight test will be performed in this year. This paper presents the procedures and the analysis results of the ground tests for the tilt-rotor Smart UAV.

ARGON을 이용한 스마트 무인기 비행하중해석

신정우(Jeong Woo Shin),김성찬(Sung Chan Kim),황인희(In Hee Hwang) 한국항공우주학회 2005 韓國航空宇宙學會誌 Vol.33 No.7

스마트 무인기 비행하중해석을 위해서는 규정과 하중조건을 준비하고, 공기력, 중량 및 구조 모델링을 수행해야 한다. 항공기 비행하중 해석시 공기력은 일반적으로 패널방법을 이용하여 산출하게 된다. 본 연구에서는 하중해석을 위해 In-house 프로그램인 ARGON을 사용하였다. ARGON은 KARl와 TsAGI가 공동 개발한 고정익 항공기 설계 프로그램으로서 비행하중, 지상하중, 플러터 및 응력해석을 지원한다. 본 논문에서는 FAR 23급 항공기인 스마트 무인기의 비행하중해석을 ARGON을 이용하여 수행하였고 그 결과를 제시하였다. For flight loads analysis of Smart UAV, applicable regulations and loads conditions should be prepared in advance, and modeling for aerodynamics, weight, and structure should be performed. Panel method is usually adopted for aircraft loads analysis to obtain aerodynamic loads. In this study, ARGON which is a multidisciplinary fixed wing aircraft design software co-developed by KARl and TsAGI was used for loads analysis. ARGON can be utilized for flutter and stress analysis as well as for flight and ground loads analysis. In this paper, flight loads analysis of Smart UAV which is a FAR 23 category airplane was performed with ARGON and the results were presented.

비행시험 데이터를 활용한 스마트 무인기 엔진의 비선형 특성 분석

이창호 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

한국항공우주연구원에서 개발 중인 스마트 무인기는 Pratt&Whitney Canada 사의 PW206C 터보 축 엔진을 주 추진기관으로 사용한다. 엔진의 전자식 제어기 개발을 위해서는 비선형 특성 분석이 중요하며 이를 위해 천이해석 프로그램을 통해 다양한 운용환경에서의 동적 거동 특성을 분석해야 한다. 본 연구에서는 엔진 제작사에서 제공한 천이해석 프로그램을 분석하고 스마트 무인기용 터보 축 엔진의 비행시험 데이터와 비교하였다. 비행시험 데이터 분석을 통한 스마트 무인기 엔진의 특성을 프로그램에 반영하고, 프로그램의 신뢰도를 검증하기 위해 비행시험 데이터 및 정상상태 성능예측프로그램 결과와 비교하였다. Korea Aerospace Research Institute has been developing the Smart UAV which adopts PW206C turboshaft engine as a propulsion system. The analysis of nonlinear characteristics of engine is important for the development of electronic engine control unit, and the dynamic response of engine should be analyzed at various operational environments using the transient performance analysis program. In this paper, the transient performance analysis program provided by engine manufacturer is used for the comparison of transient performance data with flight test data. The accumulated flight test data is reflected for tuning the transient performance analysis program. To verify the reliability of the program, the results of the transient performance analysis program are compared with flight test data and the results of steady state performance analysis program.

스마트무인기의 비행제어 성능관련 비행시험 결과분석

강영신(Young-Shin Kang),박범진(Bun-Jin Park),조암(Am Cho),유창선(Chang-Sun Yoo),구삼옥(Sam-Ok Koo) 한국항공우주연구원 2013 항공우주기술 Vol.12 No.1

틸트로터 항공기인 스마트무인기의 회전익모드, 천이모드, 고정익 모드 비행시험을 수행하여 전체 비행영역에 대한 비행제어법칙 검증을 완료하였다. 회전익모드에서는 자동이륙과 자동착륙, 자동호버 비행 및 자동회귀모드 비행을 수행하였다. 천이모드에서는 틸트각 10도 간격으로 속도, 고도, 롤/방위 유지명령을 이용하여 상승, 하강, 좌선회 및 우선회 비행을 수행하고, 자율천이비행을 수행하였다. 회전익모드와 천이모드에서의 로터속도는 98%를 유지하였고, 고정익 모드 비행은 260 km/h 속도에서 로터 회전수를 82%로 감속하여 최대속도까지 점진적으로 영역확장비행을 수행하였다. 최종적으로 대기고도 3 km에서 최고속도 440 km/h까지 도달하였다. 본 논문에서는 스마트무인기의 전체 비행영역에 대해 비행영역 확장시험을 수행하는 동안 획득된 데이터의 분석결과를 제시하고, 규격서의 비행제어 요구조건과 비교하여 비행성이 요구성능을 만족함을 검증하였다. Flight tests on flight control performance of helicopter, conversion and airplane mode for the Smart UAV were completed. Automatic take-off and landing, automatic return home as well as automatic approach to hover were performed in helicopter mode. Climb/descent, left/right turn using speed and altitude hold mode were performed in each 10˚ tilt angle in conversion mode. The rotor speed in airplane mode was reduced to 82% from 98% RPM in order to increase rotor efficiency with reducing Mach number at tip of rotors. It reached to the designed maximum speed, VTAS=440 km/h at 3 km altitude. This paper presents the flight test result on full envelopment of Smart UAV. Detailed test plan and test data on control performance were also presented to prove that all data meets the flying qualities requirement.

스마트무인기 사업 10년간의 주요 고비와 의사결정에 대한 고찰

구삼옥 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

스마트무인기 기술개발사업은 산학연이 공동으로 참여하여 수직이착륙과 고속비행이 가능한 신개념 비행체를 중심으로 항공전자, 통신, 지상관제 및 지원장비를 망라하는 시스템 개발 과정을 통하여 국내 무인항공기 기술의 자생력을 발전시켜온 사업이었다. 주어진 자원의 범위 내에서 사업을 성공적으로 수행하기 위해서는 늘 사업적, 기술적 고비와 의사결정의 순간들을 마주하게 된다. 본 논문에서는 스마트 무인기 기술개발사업 기간 10년 동안에 있었던 주요 기술적 고비와 이를 극복하기 위한 의사결정에 대하여 고찰해 본다. For the last 10 years the Smart UAV Development Program had played an important role in developing indigenous technology on unmanned aircraft systems by developing a new concept air vehicle with vertical take-off and landing capability and higher cruise speed, avionics system, data link system, ground control system, and support systems, by gathering nation-wide group of industries, academia, and research institutes. There had been many programmatic and technical challenges to overcome and hard decisions to resolve them. Major technical challenges and decisions are described and discussed.

스마트무인기 드라이브 시스템 설계 및 제작

최명욱,김환수,오철성,최성욱 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

국내 자동차/건설기계 분야에서의 동력 전달 장치인 드라이브 시스템은 널리 알려진 기술이지만, 국내 항공 분야에서는 경험이 전혀 없는 기술 분야 중의 하나이다. 엔진으로부터 로터 시스템까지 동력을 전달하는 드라이브 시스템은 매우 정밀한 기술을 요구하는 고 난이도의 시스템이다. 본 논문에서는 스마트무인기 기술개발사업단에서 개발 중인 틸트로터 스마트무인기 드라이브 시스템 개발과 관련하여, 정밀 가공 기술을 요구하는 드라이브 시스템 주요 구성부품의 설계와 제작을 중심으로 결과를 기술한다. The power transmission device of cars/construction machinery parts in the Korea, the drive system is a widely known technology. But the applied technologies for development of the system had not ever experienced in the Korea aerospace parts. The drive system of SUAV transmitting power from Engine to rotor system that require very precise and advanced equipments. In this technical paper, summarization of development results for the tilt-rotor SUAV Drive System being developed in the Smart UAV Development Center is carried out in view of design and manufacture for the major components required the precision machining technology.

200kg급 틸트로터무인기 (TR60) 비행시험

최성욱,강영신,박범진,장성호,김유신,조암,이명규,이치훈,송복섭,장은영 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

스마트무인기의 60% 스케일, 최대이륙중량 200kg급 틸트로터 무인기 (TR60)에 대한 비행시험을 수행하였다. 비행시험은 틸트로터 항공기의 모든 비행영역을 포함하는 회전익, 천이, 그리고 고정익 모드까지 이루어 졌다. 회전익 모드 비행에서는 자동이착륙을 비롯한 기본 비행성능 시험이 이루어 졌으며, 고정익 모드에서는 로터 회전수 감속 비행, 연료량 측정을 위한 체공비행, 그리고 최대속도 비행이 수행되었다. 비행시험 과정에서 엔진 냉각을 위한 측면 베인 효과를 비롯한 여러 가지 비행체 및 성능 관련 개선점이 파악되었으며, 최대이륙중량에서의 호버 성능 확인을 위한 안전줄 시험도 수행되었다. 본 비행시험을 통해 TR60 틸트로터 무인기의 비행특성 및 성능이 파악되었으며, 향후 점진적인 성능개선을 통해 실용급 틸트로터 무인기로서의 활용성을 기대할 수 있게 되었다. This paper describes on the flight test for the MTOW 200kg-class tiltrotor UAV (TR60) which is about 60% scale of Smart UAV. The flight test has been conducted for all flight modes of tiltrotor: helicopter, conversion, and airplane modes. At the helicopter mode flight, auto take-off and landing as well as basic flight pattern were tested. The rotor rpm reduction, the fuel consumption measurement for long endurance flight, and the speed increasing to the maximum speed were conducted during the airplane mode flight. In the flight test, various aircraft and control issues such as side vane effect for engine cooling were identified and the hovering characteristics for the MTOW were evaluated. The operational extendibility and efficiency of the 200kg-class tiltrotor UAV are anticipated from the result of this flight.

CRM 개념을 적용한 스마트무인기 비행시험 절차 소개

김유신(Kim, Yushin),구삼옥(Koo, Samok) 한국항공우주연구원 2013 항공우주산업기술동향 Vol.11 No.2

틸트로터 형태의 스마트무인기 비행시험을 위하여 CRM(Crew Resource Management) 개념을 적용한 비행시험 절차를 구성하였다. CRM은 모든 사용가능한 자원을 최대한 활용하여 항공기 운항의 안전성과 효율성을 높이는 것을 의미한다. 비행시험 절차를 수립할 때 CRM 개념을 적용하여 Crew 별 역할과 책임을 명확히 하였으며 업무도 적절히 분배하였다. 모든 과정에서 가능한 한 상호 교차체크를 수행하도록 하여 인적오류를 줄이도록 노력하였다. 시험과정에서는 항상 절차를 준수하며 유기적으로 협업하며 비행시험을 수행하여, 최종적으로 무사고로 비행시험을 완료할 수 있었다. CRM concept was introduced in the flight test procedure of the newly developed Smart UAV. CRM can be defined as a management system which makes optimum use of all available resources to promote safety and enhance the efficiency of operations. By applying CRM concept to the test procedure, the role and responsibilities of each crew member are defined clearly and assigned evenly. The human error is minimized by performing the dual cross-check at almost every step. The flight test of Smart UAV was successfully fulfilled by observing the well-defined test procedure based on CRM.

보조날개를 이용한 스마트무인기 고정익모드 비행성능 향상 연구

이명규 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

항공우주연구원 스마트무인기 사업단은 틸트로터 고정익모드 비행성능(항속시간, 항속거리) 향상을 위하여 새로운 틸트 로터-날개 형상을 고안하여 제시한 바 있다. 새로운 형상은 좌/우 로터 기어박스에 추가의 보조날개를 고정시켜 비행모드에 따라 나셀과 같이 회전되며 고정익 비행모드에서 날개 공력면적을 증가시키는 개념이다. 본 논문에서는 보조날개 장착에 따른 성능향상 효과를 분석하기 위하여 고정익모드 수평비행에 대한 성능해석을 수행하였다. 보조날개 장착형 틸트로터 개념 형상은 항공우주연구원 스마트무인기를 기본모델로 하여 설계되었다. 전기체 트림해석은 강체 블레이드 가정 및 준정상 블레이드 깃요소 이론을 바탕으로 개발한 자체 해석코드를 적용하였다. 보조날개의 효과를 증가시키기 위한 추가적인 방안 또한 제시하였다. New tiltrotor-wing configuration for improving airplane-mode performance, endurance and range, had been invented and presented by Korea Aerospace Research Institute (KARI). The new configuration is to attach two auxiliary wings (extended-wings) to the left and right rotor gear boxes each for extending wing aerodynamic area during airplane mode flight. In this paper, the performance analysis of steady level flight in airplane mode was conducted to investigate the effects of extended wings on the performance enhancement. The conceptual configuration of extended-wing tiltrotor was designed using the KARI Smart Unmanned Aerial Vehicle (SUAV) as a baseline. For the full-aircraft trim analysis, simple in-house analysis code based on the assumption of rigid blade and quasi-steady blade element theory was used. Also, additional ideas for increasing the effectiveness of extended wing were suggested.