수직이착륙(VTOL) 무인항공기 감항기준 개발에 대한 연구

길기남,유민영,박종성 항공우주시스템공학회 2020 항공우주시스템공학회지 Vol.14 No.1

무인항공기 산업은 인공지능, 빅데이터, 사물 인터넷 등의 4차 산업혁명 기술과 융합하여 새로운 패러다임으로 발전하고 있다. 미국과 같은 항공 선진국들은 비행안전성이 보장된 무인항공기 개발에 많은 역량을 집중하고 있다. 대한민국의 경우, 한국항공우주연구원에서 2011년 국가 R&D 사업의 일환으로 국내 최초 수직이착륙 무인항공기인 스마트무인기 개발에 성공하였고, 이를 통해 첨단 IT 기술이 접목된 수직이착륙 무인항공기 개발 기술을 보유하게 되었다. 이러한 국가차원의 노력에도 불구하고 아직까지 국내 수직이착륙 무인항공기의 개발과 시장 운용은 제한적이다. 국내 기술로 개발한 수직이착륙 무인항공기의 형식증명 절차는 국내 항공안전법에 명시되어 있으나 형식증명을 위한 감항기준은 아직 제정되어 있지 않다. 따라서 본 연구에서는 자체 중량 150 kg을 초과하는 수직이착륙 무인항공기의 국내외 개발 동향과 국가별 인증제도 및 절차에 대해 조사하고, 유럽항공안전청에서 2019년 7월 2일 제정 공포한 수직이착륙 항공기용 특별감항요건(special conditions)을 벤치마킹하여 국내 수직이착륙 무인항공기 형식증명을 위한 감항기준을 정립할 수 있는 방안에 대해 연구하였다. In conjunction with the Fourth Industrial Revolution, the unmanned aerial vehicle industry is being developed to a new paradigm by combining advanced technologies such as AI, Big Data and the IoT. Aeronautical developed countries such as the U.S. are focusing their efforts on the development of the safer unmanned aerial vehicles. The Korea Aerospace Research Institute, as part of the national R&D project in 2011, had succeeded in developing the first vertical takeoff and landing (VTOL) UAS, called Smart-UAV. However, although the development technology of the VTOL UAS is possessed, developing and operating of the VTOL UAS for commercial or military use are limited. The type certification procedure of the VTOL UAS developed by domestic technology is stipulated in the Korean Aviation Safety Act, but the Korean VTOL UAS airworthiness standards (KAS) hsve not been established. Thus, this study investigated the development trends of the VTOL UAS in Korea and abroad and national certification systems and procedures, and benchmarked the special conditions for the VTOL aircraft, announced by the EASA on July 2, 2019, to establish standards for type certificate of the VTOL UAS in Korea.

수직 이착륙기의 자동 함상 이착륙 알고리듬과 다양한 기체의 착륙 특성

신희민,유동일,심현철 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.11

수직 이착륙기는 수직 이착륙과 제자리 비행 등 다양한 기동이 가능하다. 산악 지형이 많고 바다로 둘러 쌓인 우리나라의 경우 무인 수직 이착륙기에 대한 잠재적인 수요가 상당할 것으로 예상 된다. 무인 수직 이착륙기의 해상 및 해안 운용을 위해 자동 함상 이착륙 기술이 필수적이다. 자동 함상 이착륙 단계는 가장 사고 위험이 높은 비행 구간으로, 기체의 모델 불확실성, 해상 운용에 따른 측풍과 외란, 파도의 영향과 함상의 움직임 등 다양한 요소의 영향을 받는다. 본 논문에서는 모델 불확실성에 강건한 시간 지연 제어기를 바탕으로, 수직 이착륙기에 적용 가능한 함상 이착륙 알고리듬을 구현한다. X-plane 기반 시뮬레이션을 통해 알고리듬을 검증하고, 동축 반전, 싱글로터, 그리고 틸트 로터의 3 가지 수직 이착륙기의 착륙 특성을 비교한다. Unmanned aerial vehicles (UAVs) with vertical take-off/landing(VTOL) capability is highly attractive for mountain or maritime applications as they can be operated in small areas without runways. Especially, automatic landing is mandatory for safe ship-bound operations. Ship deck landing is one of the most accident-prone stage of entire ship-bound operation of UAVs due to many factors including model uncertainties, lateral wind and disturbance on the sea, and ship motion due to constantly changing sea states. In this paper, we propose an automatic ship-deck landing algorithm applicable to VTOL UAVs using time delay control theory, which is known to be robust to model uncertainty. For a comparative study, the proposed algorithm is implemented on VTOL UAVs with coaxial, main/tail rotor, and tilt-rotor configurations running on X-Plane simulator, which provides realistic ship-deck operation conditions.

고정익/회전익 인증기준 및 수직이착륙 특수기술기준 분석 기반의 수직이착륙 무인항공기 인증기준 개발 방안

유민영,김수호,진경훈,오연경,이환,김우겸,공병호 항공우주시스템공학회 2021 항공우주시스템공학회지 Vol.15 No.5

Domestic and foreign manufacturers are developing VTOL UASs in various shapes in line with demand for future technologies. UASs have been developed in a shape classified as fixed/rotary wing, and verified by appropriate certification standards. However, airworthiness certification of recent VTOL UASs is strict with the absence of VTOL-specific certification standards. In this paper, criteria applicable to VTOL UAS were presented through analysis of STANAG-4671 and STANAG-4702, which are certification standards for fixed/rotary wing UAS of the North Atlantic Treaty Organization (NATO) and the Special Condition for VTOL Aircraft (SC-VTOL) of European Aviation Safety Agency (EASA). For this, the categorization criteria of general/fixed-wing/VTOL characteristics were established for each standard item and utilized for analysis. 국내외 제조업체들은 미래 기술 수요에 발맞춰 여러 형상의 수직이착륙(VTOL) 무인항공기를 개발하 고 있다. 그동안 무인항공기는 고정익/회전익으로 분류 가능한 형상으로 개발되고 그에 맞는 인증기준 으로 검증이 이루어졌다. 하지만 현재 VTOL 무인항공기는 VTOL에 특화된 인증기준의 부재로 인해 감 항성 검증이 제한적이다. 본 논문에서는 북대서양조약기구(NATO)의 고정익/회전익 무인항공기 인증기준 STANAG-4671 및 STANAG-4702와 유럽항공안전청(EASA)의 수직이착륙 특수기술기준(SC-VTOL)을 분석 하여 VTOL 무인항공기에 적용 가능한 인증기준을 제시하였다. 이를 위해 기준 항목별로 일반/고정익 /VTOL 특성 분류기준을 수립하여 분석에 활용하였다.

수직이착륙 무인기 함상이착륙을 위한 RTK-GNSS 기반 상대항법시스템 구현

조암,유창선,임철순,박병운 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

수직이착륙 무인기의 함상이착륙 기술은 어군탐지, 불법어업 감시 등 수직이착륙 무인기의 운용성을 크게 확장시킬 수 있다. 본 논문은 고속 비행 및 수직이착륙이 가능한 200 kg 틸트로터 무인기의 함상이착륙을 위해 구현된 정밀상대항법시스템에 대해 기술한다. 유/무인기의 함상이착륙을 위해 사용되고 있는 상대항법 시스템의 사례를 조사하고, 이를 바탕으로 RTK-GNSS 기반의 정밀상대항법시스템을 구성하였다. 구성된 상대항법시스템을 검증하기 위해 차량 시험을 수행하였다. 상대항법 시스템의 정확도를 향상시키기 위해 시스템 통합 과정에서 유발된 오차 요인을 제거하기 위한 칼만 필터를 구성하였다. Shipboard takeoff and landing of a VTOL UAV is a very important for oceanic missions such as fish detection and illegal fisheries surveillance. This paper describes relative navigation system implemented for shipboard takeoff and landing of a 200 kg class tiltrotor UAV. Through case studies for manned and unmanned VTOL aircraft, RTK-GNSS based precise relative navigation is selected and implemented. Road test were performed in order to verify the performance of the implemented system. Also, Kalman filter was designed to increases the accuracy of relative navigation solution by complementing data-link time delay.

수직이착륙 무인기 함상이착륙을 위한 파고 및 함정운동 모사

조암,유창선,강영신,박범진 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

수직이착륙 항공기의 함상운용 제한조건(SHOL: Ship Helicopter Operating Limit)은 함상이착륙 단계에서 결정된다. 함상이착륙은 수직이착륙 항공기의 해상에서의 활용성을 높이기 위한 가장 중요한 요소이다. 수직이착륙 항공기의 함상이착륙은 파도에 의한 함정의 운동, 바람에 의한 착륙장 주위의 와류, 함정의 배기가스 등 많은 외부 요인에 의해 영향을 받는다. 해상에서의 실측값을 바탕으로 함상이착륙 환경을 모사하는 방법은 함정 속도, 파도 입사각, 바람 방향 등에 따른 매우 큰 데이터베이스를 필요로 한다. 본 논문에서는 함상이착륙 환경을 모사하기 위해, 수학적 모델을 이용하여 다양한 해상 상태에서 파도에 의한 함정의 운동을 모사하는 방법에 대해 기술하고, 이를 제원이 공개된 4000톤급의 미 해군함에 적용하였다. The ship helicopter operating limit (SHOL) of a vertical takeoff and landing (VTOL) aircraft depends on shipboard landing phase. The shipboard landing is an essential element to make the best use of a VTOL aircraft at sea. The shipboard landing is affected by many external factors such as the ship movement due to sea wave, the gust and vortex around the structures on the ship, and the exhaust gas of a ship. To simulate the shipboard landing environment, this paper describes how to generate the ship motion by sea wave at various sea state using a mathematical model. In addition, it is applied to a 4000 ton class, US destroyer.

전기추진 수직이착륙 항공기 인증제도에 대한 고찰

임대진,이관중 항공우주시스템공학회 2021 항공우주시스템공학회지 Vol.15 No.3

As the feasibility of urban air mobility (UAM) service using electric vertical take-off and landing (eVTOL) aircraft increases due to aircraft electrification, distributed propulsion, and artificial intelligence technologies, the U.S. and European aeronautical societies have been improving their certification system and regulations for the type certification of eVTOL. The improved certification system is expected to be ready in the near future, after the European Union Aviation Safety Agency (EASA) proposed the VTOL Special Condition, SC-VTOL in 2019. However, the current domestic certification system is still insufficient to properly respond to eVTOL. This study investigated the development trends of foreign eVTOL and certification systems, identified considerations to improve the domestic certification system, and proposed the measures for type certificates and type certificates validation of eVTOL based on the comparison between SC-VTOL and Korea airworthiness standards (KAS). 항공기 추진시스템 전동화, 분산추진기술, 자율지능기술의 발달로 전기추진 수직이착륙 항공기(eVTOL: Electric Vertical Take-off and Landing)를 활용한 도심항공교통서비스 구현 가능성이 높아짐에 따라 미국, 유럽 등 항공선진국들에서 전기추진 수직이착륙 항공기에 대한 인증제도 연구가 활발히 진행되고 있다. 2019년 유럽항공안전청이 수직이착륙 항공기를 위한 새로운 기술기준 SC-VTOL을 고시하는 등 근시일 내 인증제도 마련이 예상되나 국내 인증제도는 eVTOL 항공기의 개발과 시장 운용에 대비가 미비하다. 본 연구에서는 해외 eVTOL 개발과 인증제도 마련 동향을 조사하고, 미국/유럽의 제도개선 방향을 분석하여 국내에 관련 인증제도 마련을 위한 고려사항을 분석하였다. 이 후 SC-VTOL과 현행 국내 항공기기술기준을 비교분석하고 국내 eVTOL 항공기 형식증명/형식증명승인을 위한 방안을 제시하였다.

비행로봇 용 200W급 발전기 설계

장은영,장성호 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

본 논문에서는 수직이착륙 비행로봇의 전원계통을 구성하고 시험을 통하여 전원시스템을 재설계하였다. 기존 제작된 수직이착륙 비행로봇 발전기의 시험이 수행되었고, 발전기의 출력 증대를 위한 요구도에 대한 분석이 이루어졌다. 전자기장해석을 통한 수직이착륙 비행로봇의 필요전력 200W에 따른 발전기를 재설계하였다. 추후, 설계 값을 통하여 발전기를 제작하고, 무부하 및 부하시험을 통한 성능을 파악할 예정이다. In this paper, tested the power system of the VTOL Aerial Robot and redesigned the generator of the VTOL Aerial Robot. The basic requirement to increase output of the generator was analyzed and tested the 140W generator of the VTOL Aerial Robot. The electromagnetic field analysis was used for the redesign of the 200W generator. The generator will be producted as a design value and the operational test will be conducted for the performance evaluation of the generator.

수직 이착륙 직렬 하이브리드 무인기용 영구자석 발전기 전자계 설계

정태철,조수영,원성홍,박정규,조진수,이주 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

수직 이착륙 무인 항공기 시스템은 이착륙시 큰 에너지를 필요로 한다. 따라서 기존의 엔진 무인기에서는 비효율적인 큰 엔진이 필요하게 되기 때문에 같은 기체 대비 유상하중이 줄어들어 임무에 제약이 따를 수 있다. 이 논문에서 제안하는 직렬 하이브리드 무인기는 수직 이착륙시 배터리와 전동기를 이용하여 이착륙을 수행하고 항속 운항시에는 직렬 하이브리드 시스템을 적용하여 작은 엔진과 발전기 조합으로 운항시간을 대폭 증가 시킬 수 있는 차세대 무인기 시스템이라고 할 수 있다. 이러한 직렬 하이브리드 무인기는 발전기의 효율을 극대화 시킬 필요가 있으며 부하 조건 및 엔진의 요구사양에 맞춰 최적의 발전기를 설계할 수 있는 기술이 필요하다. 본 논문에서는 출력밀도 및 효율이 가장 높은 영구자석 발전기의 전자계 설계 방법 및 설계 결과 시뮬레이션을 수행하였다. VTOL UAV systems require a large energy during take-off and landing. Therefore, the existing engine UAV can follow this restriction on the mission payload is reduced compared to the same gas because it needs inefficiently large engines. Series hybrid UAV that is proposed in this paper performs vertical take-offs and landing using the battery and motor, and it applies the serial hybrid system with combination of the small engine and generator when cruising flight. The system can be described as the next-generation system that can dramatically increase the UAV flight times. The series hybrid UAV may need to maximize the efficiency of the generator and needs a technique capable of designing optimum generator according to the requirements of the engine load. This paper suggests the electromagnetic design methods of the permanent magnet synchronous generator (PMSG) having the highest power density and efficiency and then performed the simulation of the design result.

e-VTOL 항공기의 감항기술기준 적용 연구

최주원(Joo-Won Choi),황창전(Chang-Jeon Hwang),석진영(Jin-Young Suk) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.7

e-VTOL 항공기는 전기동력으로 인한 운용유지비의 절감, 친환경성, 수직이착륙으로 인한 도심운용, 자동화로 인한 조종의 편리성 등 미래 교통수단으로 향후 수요가 급증할 것으로 예상된다. 이에 전 세계적으로 활발한 연구 개발이 진행 중에 있으나 상용화를 위해서 필수적으로 요구되는 안전성 확보와 인증에 있어 기술적으로 해결해야 할 문제점들이 상존한다. 이러한 어려움으로 운송사업용 형식증명 및 표준감항증명을 받은 e-VTOL 항공기는 아직까지 전 세계적으로 없는 상태이다. 현행 항공기 감항기술기준에서 요구되는 안전도 수준은 상당히 높고 이를 입증하는 과정도 상당히 까다롭다. e-VTOL 항공기 인증도 현행 감항기술기준에서 요구하는 안전도 수준을 만족해야 하나 현행 기준의 적용성과 동등한 안전성 확보에 필요한 기술적인 한계와 문제점이 존재한다. 본 연구에서는 이러한 기술적 한계와 문제점들을 e-VTOL 항공기의 특징과 함께 제시하고자 한다. The demand for e-VTOL aircraft is expected to be increased rapidly in the future as a means of urban transportation due to operating cost reduction, eco-friendliness and convenience of vertical take-off and landing using pilot-aids automation system. However, there are many technical hurdles to be solved in securing safety and certification which are essential for commercialization and urban operation. So far, there is no e-VTOL aircraft that has received type certificate and standard airworthiness certificate due to the technical problems and safety requirement differences with conventional aircraft. The e-VTOL aircraft certification should also meet the equivalent level of safety required by the current airworthiness standards, but there are existing problems in securing safety and meeting current standards. In this study, the e-VTOL’s certification problems and technical limitations in satisfying the current standards are presented.

틸트-덕트 수직이착륙 비행로봇 개발

최성욱,김유신,이치훈 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

임무반경 10km이내의 근거리 영역에서 영상획득을 비롯한 다양한 임무를 수행할 수 있고, 지상의 도킹 장치에 도킹 착륙할 수 있는 다목적 수직이착륙 비행로봇 시스템에 대한 개발이 2012년 6월 지식경제부 지원 사업으로 착수되었다. 본 연구에서는 비행로봇 시스템의 비행 플랫폼으로서 수직이착륙과 고속비행이 가능한 틸트-덕트형 비행체 개념을 채택하고 형상 설계를 수행하였다. 제작된 비행체에 대한 지상 시험을 수행하여 동력계통에 대한 성능 및 내구성 시험을 수행하고, 비행시험을 통한 비행성능 검증 및 제어 능력을 평가할 예정이다. The multi-purpose VTOL aerial robot development program supported by Korean government was launched at June 2012. The main mission of the aerial robot is the surveillance for local area within 10km radius. The aerial robot requires VTOL, high speed and landing capability on the docking station which is one of a sub-system of the aerial robot system. The tilt-duct air vehicle was selected for the aerial platform. The conceptual and preliminary design have been conducted and a prototype vehicle has been fabricated. The ground test for measuring various performance of vehicle and evaluating the endurance of power train will be conducted. The flying characteristics and controllability are going to evaluated by flight test.