회전익 항공기 감항인증을 위한 category A 적합성 입증용 M&S에 대한 연구 = A study on modeling and simulation as a means of compliance for category A rotorcraft type certification

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 수송급 회전익 항공기의 감항인증 카테고리 A 적합성 입증과 관련된 연구를 수행하고자 한다. 카테고리 A의 적합성 입증을 위한 기준으로는 미국 FAA의 감항인증 요구조건인 파트29[19]가 존재한다. 국내의 경우도 이와 유사한 기준을 제시하고 있다. 카테고리 A 적합성 입증을 위해서는 실제 비행시험을 통해서 주요 요구성능을 충족시킬 것을 요구하고 있다.
그러나 Advisory Circular[18]등 인증기준에서 요구하는 다양한 조건에 대한 적합성을 비행시험만으로 보여주는 것은 인증 프로그램의 시간 및 비용의 증가로 이어질 수 있다. 하지만 파트29에서는 내삽 및 외삽, 그리고 시뮬레이션 기법등을 통해서 비행시험의 일부를 대체할 수 있다고 명시하고 있다. 단, 이 경우에는 감항당국 등의 승인을 받은 방법을 사용해야 하는데, 구체적인 승인의 기준을 확인할 수 없다.
따라서 본 연구에서는 기존에 국방용 분야에서 널리 적용중이던 M&S(Modeling & Simulation)의 VV&A(Verification, Validation, and Accreditation)를 물리법칙 기반의 카테고리 A 적합성 입증용 M&S에 적용하여 감항당국이 M&S를 실무적인 차원에서 적용하기 위한 방법을 제시하였다.
이를 위해서 본 연구에서는 실제 카테고리 A 적합성 입증을 위한 비행동역학 해석용 M&S를 개발하는 과정을 수행하고, 수행하는 과정동안 기존에 항공우주시스템 개발용 M&S VV&A 패러다임[7]을 적용하여 물리법칙 기반 M&S의 VV&A를 수행하였다. VV&A를 수행하며 필요한 내용은 방위사업청의 M&S 적용 매뉴얼[4]을 참고하여 식별하였다. 그리고 식별된 내용을 작성하기 위하여 Osman Balci의 사용의도 및 적용사례 문서 템플릿[73]을 적용하여 M&S의 요구 스팩을 설정하였다.
식별된 스팩을 바탕으로 본 연구에서는 카테고리 A 성능해석을 위해서 Padfield[39]의 구분법에 따른 레벨1에서 레벨2 수준의 비행동역학 모델이 필요함을 식별하고, Chen[33]에 의해 제안된 비행동역학 모델에 BO-105항공기의 데이터를 적용하여 구현하였다. 또한, 카테고리 A 이착륙 형태를 고려하여 비선형최적제어 기법이 해석에 필요함을 확인하고, 이를 위해서 Pseudo-Spectral기법과 Robust SQP[8]을 결합하여 구현하였다.
이와 같이 구현된 M&S에 대한 V&V 방법으로는 비행동역학 모델은 BO-105의 트림해석 결과와 고충실도 비행동역학 모델인 HETLAS[12]을 이용한 트림해석 및 시뮬레이션 결과를 교차 비교하는 방식으로 확인하였고, 비선형 최적제어 기법은 개별 기법을 예제문제의 이론해와 비교하는 방법을 활용하였다. 최종적인 M&S는 비행시험 데이터를 구할수 없는 한계를 고려하여 비행교범에 제시된 비행절차 및 파트29의 요구조건을 만족하는지 여부를 통해서 정성적인 분석으로 간략히 수행하였다.
본 연구를 통해서 카테고리 A 적합성 입증을 해석적인 방법으로 수행할 수 있음을 확인하였고, 감항당국이 M&S를 통한 공학적 해석이 필요한 상황에서 M&S를 승인하기 위한 방법을 제시하였다. 이를 통해서 향후 카테고리 A 적합성 입증에 M&S를 보조적인 수단으로 적용할 수 있을 것으로 판단되며, 감항당국 및 개발자가 M&S의 적합성 인정 범위를 판단하는 기준을 수립하는데 도움이 될 것으로 판단하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this research, study about the identifying Category A of transport rotorcraft. Regulation about Category A can be found at FAA regulation Part 29[1]. In Korea, similar regulation exists which reguires actual flight test programs to proof Category A takeoff and landing performance.
However, only proof Category A performance with flight test accordance with Advisory Circular [2] lead to increase time and cost.
Part 29 allow interpolation, extrapolation, and simulation methods to replace some of flight test. These methods require authorities from FAA/Authorithies, however, detail criteria for acceptance cannot be
found at any materials.
Therefore, in this research, VV&A (Verification, Validation, and Accreditaion) approach, broadly applied in defense M&S (Modeling and Simulation), is modified to computational physics/computational mechanic-based M&S and provide practical informations.
To this purpose, M&S for identifying Category A means of compliance is developed with VV&A paradigm [3] which is specialized for developing aerospace system M&S. Required informations for VV&A are from DAPA’s M&S manual [4]. And to define required specifications of M&S, Osman Balci’s Intended Use and Use Cases templates [5] is used.
With identified specifications, Level 1 or Level 2 model of flight dynamic model by classification method by Padfied [6] is determined and model suggested by Chen [7] is selected for research with data of Bo-105 rotorcraft. And, with consideration of Category A takeoff and landing procedures, Nonlinear Optimal Control Programming (NOCP) method is determined as simulation method. robust SQP(rSQP) method and Pseudo-Spectral method are selected as a numerical methods for simulation.
V&V methods for M&S described above are presented as following: For flight dynamic model, trim analysis results are compared with Bo-105 trim analysis results and results from high fidelity model HETLAS
[9]. For NOCP, each numerical method is proved with computed results and analytic solution of some example problems. M&S itself is simply validated with qualitative approach with procedures in rotorcraft flight
manual and check requirements from part 29 due to possible flight test data is not available.
From this research, Category A means of compliance can be identified with analytical method is shown and provide informations for accreditation to airworthiness authorities of M&S purposed to engineering problems. With this information, M&S could be used as subsidiary method to indentifing Category A means of compliance and could be helpful for airworthiness authorities and developer to establishing criteria for M&S VV&A.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 1
• 제2절 연구내용 2
• 제2장 M&S VV&A 패러다임 5
• 제1절 VV&A 패러다임의 필요성 5
• 1. Category A 적합성 입증을 위한 승인된 해석적 방법 5
• 2. M&S의 적합성을 판단하기 위한 VV&A 패러다임 8
• 제2절 방위사업청 VV&A 매뉴얼 주요내용 12
• 1. 방위사업청 M&S 적용 매뉴얼 주요내용 12
• 2. VV&A 참여자의 역할 (방위사업청M&S 적용 매뉴얼) 14
• 3. VV&A 산출문서 10종 (방위사업청M&S 적용 매뉴얼) 15
• 4. 인정계획 수립(방위사업청M&S 적용 매뉴얼) 17
• 제3장 M&S 요구조건 및 수락 기준 19
• 제1절 요구조건 및 수락기준 19
• 제2절 일반적인 M&S의 요구조건 및 수락기준 20
• 1. 요구조건의 일반적인 분류 20
• 2. M&S의 능력 요구조건 21
• 3. 정확도 요구조건 22
• 4. M&S의 요구조건과 수락기준 작성방안 23
• 5. Osman Balci의 프로세스 24
• 6. 요구조건에 대한 V&V 30
• 7. Category A 적합성 입증용 M&S의 요구조건 및 수락기준 도출 절차 30
• 제4장 Category A 적합성 입증용 M&S의 사용의도 및 요구조건 도출 33
• 제1절 FAR Part 29의 Categroy A 적합성 입증기준 34
• 1. FAR Part29 개요 34
• 2. 적용대상 회전익기 34
• 3. 적합성 입증 방법 35
• 4. Category A 이륙 성능 35
• 5. Category A 착륙 성능 36
• 제2절 Category A 요구조건(Conventional Takeoff) 38
• 1. Category A 성능시험을 위한 엔진 출력 38
• 2. Category A 이륙절차 38
• 3. 이륙 결심지점 (TDP: Takeoff Decision Point) 40
• 4. 엔진고장지점(EFP: Engine Failure Point) 41
• 5. Rejected Takeoff (RTO) 41
• 6. Continued Takeoff (CTO) 42
• 7. Abuse Testing 43
• 8. 엔진 출력 (Power) 44
• 9. 항공기의 하중 44
• 10. 외삽 (Extrapolation) 44
• 제3절 Category A 요구조건 (Vertical Takeoff) 45
• 1. 수직이착륙 절차 45
• 2. TDP 46
• 3. 비행시험 방법 47
• 제4절 Category A 요구조건 (Landing) 49
• 1. Category A 착륙절차 49
• 2. 착륙 결심지점 (LDP: Landing Decision Point) 50
• 3. 착륙 거리 51
• 4. Continued OEI Landing 51
• 5. Balked Landing 52
• 제5절 Category A 적합성 입증용 M&S의 사용의도(IU) 53
• 제6절 Category A 적합성 입증용 M&S의 사용예시(UC) 56
• 제7절 최종적인 Category A 적합성 입증용 M&S의 스펙 58
• 제5장 Category A 적합성 입증용 M&S의 개념모델, 수학적 모델, 데이터 60
• 제1절 개념모델 개발 절차 60
• 제2절 Category A 적합성 입증용 M&S의 개념모델 63
• 1. M&S의 개념모델: 항공기 모델 63
• 2. M&S의 개념모델: 시뮬레이션 모델 65
• 3. Category A 적합성 입증용 M&S의 형태 67
• 제6장 회전익항공기 비행동역학 모델 69
• 제1절 회전익 항공기 수학적 모델 69
• 1. 좌표계 및 개요 74
• 2. 메인로터 모델링 75
• 3. 테일로터 모델링 83
• 4. Downwash 모델링 84
• 5. 꼬리 동체 모델링 86
• 6. 수평 꼬리날개 87
• 7. 수직 꼬리날개 88
• 8. 동체 모델링 90
• 제2절 회전익 항공기 연산 모델 92
• 1. 회전익 항공기의 데이터 92
• 2. 연산모델 변환 확인 93
• 제7장 시뮬레이션 기법에 대한 수학적 모델 97
• 제1절 Category A 적합성 입증을 위한 최적제어기법 97
• 제2절 Pseudospectral 기법의 수학적 모델 97
• 1. 비선형 최적제어 문제 정식화 97
• 2. 비선형최적설계 이산화 98
• 3. Legendre 다항식 99
• 4. Pseudospectral 기법의 적용 102
• 제3절 Pseudo-spectral 기법의 연산 모델 104
• 1. 적절한 예제 문제의 선정 104
• 2. 연산모델의 검증 (Pseudo-Spectral) 105
• 제4절 Robust SQP기법의 수학적 모델 107
• 1. Inconsistant QP 문제 해결을 위한 Relaxed QP(QPR) 107
• 제5절 Robust SQP 기법의 연산 모델 117
• 1. 적절한 예제 문제의 선정 117
• 2. 연산모델의 검증 (Robust SQP) 118
• 제8장 Category A 적합성 입증용 M&S 121
• 제1절 회전익 항공기 Category A 성능해석 적용 121
• 1. Category A 성능 최적제어문제 정식화 121
• 2. Rejected Takeoff 124
• 3. Continued Takeoff 126
• 4. Balked Landing 128
• 5. Continued Landing 130
• 제2절 Pilot Delay Time 132
• 1. 조종사 반응시간 132
• 2. 엔진고장 모사를 위한 파워 모델 133
• 제3절 Category A 적합성 입증 해석 결과 141
• 1. Rejected Takeoff 141
• 2. Continued Takeoff 146
• 3. Balked Landing 151
• 4. Continued Landing 156
• 5. 해석결과 종합 비교 161
• 제9장 결론 162
• 참 고 문 헌 164
• 부록. 약어 및 기호 목록 173
• ABSTRACT 174