KR101374356B1 - 항공기 공기흡입구의 왜곡 제어방법 - Google Patents

항공기 공기흡입구의 왜곡 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기흡입구에 설치되어 있는 압력센서, 온도센서, 속도센서, 가속도센서, 및 자세센서를 포함하여 이루어지는 센서부를 통하여 입구왜곡을 감시하며, 감시되는 정보를 정상등급, 경고등급, 위험등급으로 나누어 조종석의 출력부를 통하여 제공하며, 입구왜곡률이 압축기 설계마진 그래프의 제한값에 도달하면 강제 제어를 통하여 입구왜곡률을 감소시키는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법이다.

Description

항공기 공기흡입구의 왜곡 제어방법{Method for aircraft inlet distortion control}
현대에 주로 쓰이고 있는 터보제트, 터보팬 엔진은 압축기, 연소기, 터빈의 구조를 갖는다. 이러한 구조는 공기를 압축시키고 압축된 공기를 이용하여 연료를 연소하여 발생하는 에너지를 이용하여 추력을 발생시키게 된다. 이때 중요한 것은 공기흡입구이다. 이러한 항공기에서 공기 흡입구는 엔진이 요구하는 유량의 공기를 충분히 공급해 주어야 하며, 항공기가 급격한 기동을 하는 동안에도 안정적으로 공기를 공급할 수 있도록 설계되어야 한다. 더불어 현대의 전투기는 높은 생존성을 위해 매우 향상된 성능과 급격한 기동을 요구하기 때문에 전투기의 성능 요구 조건에 부합하는 공기 흡입구 시스템이 필수적이다. 1960년대 후반부터 엔진 제조사 기술진들은 입구 압력과 온도의 공간적 변화로 인해 입구 왜곡이 발생됨을 발견하였다. 이러한 입구 왜곡은 횡풍이나 고받음각 조건에서 입구 유동이 원주방향으로 왜곡되어 입구 압력이 상당히 낮은 구간이 나타나게 된다. 입구 왜곡은 압축기 서지를 발생시키며 엔진 전체의 성능 곡선에 중대한 영향을 끼치게 된다는 점을 발견하게 되었다. 더불어 팬 블레이드의 부하를 증가시켜, 기존 설계의 허용한계를 초과하여 엔진 문제를 야기할 수 있다는 점을 발견하였다.
이러한 공기흡입구의 입구 왜곡을 해결하기 위한 방법이 미국등록특허US005448881A(1995.09.12.)로 개시된 바 있다. 이와 같은 종래의 기술은 공기흡입구의 각 부분의 압력을 측정하여 입구 왜곡으로 발생될 수 있는 실속(STALL) 상태를 감지하여 실속 상태가 감지될 경우, 자동으로 제어하여 실속 상태를 벗어나게 해주는 방법이다. 따라서 종래 기술은 항공기가 실속에 빠져 제어불능 상태가 되는 것을 미연에 방지하려는 방법이라고 할 수 있다. 그러나 종래기술은 공기흡입구 각 부분의 압력수치만을 측정하여 입구왜곡을 확인하였기 때문에, 다른 수치들을 통한 입구왜곡 측정은 불가능했다. 따라서 다른 수치들과의 비교 연산을 통한 좀 더 정확한 수치계산을 하는 데에 한계를 가지고 있었다. 또한 입구왜곡으로 인하여 발생되는 실속상태를 벗어나기 위한 제어 방법만 제공하기 때문에 조종석에서 항공기 성능을 제대로 모니터링 할 수 없었다. 따라서 항공기의 상태 확인을 통한 조종사의 적절한 개입이 불가능하며 실속과 같은 위험상황에 근접 또는 진입해서 인지할 수 있었다. 즉, 항공기의 상태정보를 적절하게 인지할 수 없어 적절한 제어 또는 안전한 제어를 위하여 항공기의 설계성능 이하의 기동 또는 운항을 해야 하는 단점을 가지고 있었다.
미국등록특허US005448881A(1995.09.12.)
따라서 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공기흡입구에 설치되어 있는 압력센서, 온도센서, 속도센서, 가속도센서, 및 자세센서를 포함하여 이루어지는 센서부를 통하여 입구왜곡을 감시하며, 감시되는 정보를 정상등급, 경고등급, 위험등급으로 나누어 조종석의 출력부를 통하여 제공하며, 입구왜곡률이 압축기 설계마진 그래프의 제한값에 도달하면 강제 제어를 통하여 입구왜곡률을 감소시키는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 공기흡입구 왜곡 제어방법은 항공기의 공기흡입구를 제어하는 방법에 있어서,
압력센서, 온도센서, 속도센서, 가속도센서, 및 자세센서를 포함하여 이루어지는 센서부(110)를 이용하여 항공기의 상태정보가 계측되는 계측단계(S01), 상기 계측단계(S01)에서 계측된 상태정보를 미리 입력된 왜곡모델에 맞추어 입구왜곡률을 연산하는 연산단계(S02), 상기 연산단계(S02)에서 연산된 왜곡률과 압축기 설계마진 그래프를 이용하여 입구왜곡의 정도를 판단하는 입구왜곡판단단계(S03), 입구왜곡률의 조절 범위를 연산하는 조절범위연산단계(S04), 상기 조절범위연산단계(S04)에서 연산된 값을 이용하여 공기흡입구제어장치를 구동하는 공기흡입구제어단계(S05)를 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 입구왜곡판단단계(S03)는 입구왜곡의 정도를 정상등급, 경고등급, 위험등급으로 판단할 수 있다.
또한, 상기 입구왜곡판단단계(S03) 이후 조절범위연산단계(S04) 이전에는 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 정상등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 정상이라는 메시지를 출력하는 제1출력단계(S03a)를 수행하고 상기 계측단계부터(S01) 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행될 수 있다.
더불어, 상기 입구왜곡판단단계(S03) 이후 조절범위연산단계(S04) 이전에는 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 경고등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 경고라는 메시지를 출력하는 제2출력단계(S03b)를 수행하고 상기 계측단계(S01)부터 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행될 수 있다.
그리고, 상기 입구왜곡판단단계(S03) 이후 조절범위연산단계(S04) 이전에는 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 위험등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 위험 메시지를 출력하는 제3출력단계(S03c)를 수행하고 상기 조절범위연산단계(S04)로 넘어갈 수 있다.
이때, 상기 공기흡입구제어단계(S05) 이후에는 상기 계측단계(S01)부터 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행될 수 있다.
본 발명의 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법은 압력센서, 온도센서, 속도센서, 가속도센서, 및 자세센서를 포함하여 이루어지는 센서부를 통하여 입구왜곡을 감시하게 된다. 따라서 하나의 수치에 제한되지 않고 다양한 수치를 종합적으로 분석하여 보다 정확한 항공기 상태파악이 가능하다는 장점을 갖는다. 또한 입구왜곡률와 압축기 설계마진 그래프를 이용하여 입구왜곡을 감시하며, 감시되는 정보를 정상등급, 경고등급, 위험등급으로 나누어 조종석의 출력부를 통하여 실시간으로 제공하여 조종사가 항공기의 상태를 적절히 인지할 수 있도록 한다. 더불어 입구왜곡률이 압축기 설계마진 그래프의 제한값에 도달하면 강제 제어를 통하여 입구왜곡률을 감소시킨다. 따라서 조종사가 항공기의 설계된 성능을 최대한 사용할 수 있도록 보조하며 필요시 안전을 위한 조치를 적절하게 취하여 항공기의 이용 효율을 높일 수 있는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법 흐름도
도 2는 본 발명 실시예의 압축기 설계 마진 그래프
도 3은 본 발명의 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법의 실시예
이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법을 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법 흐름도이고, 도 2는 본 발명 실시예의 압축기 설계 마진 그래프이며, 그리고 도 3은 본 발명의 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법의 실시예이다.
본 발명의 항공기 흡입구 왜곡 제어방법은 도 1에서 도시한 바와 같이, 압력센서, 온도센서, 속도센서, 가속도센서, 및 자세센서를 포함하여 이루어지는 센서부(110)를 이용하여 항공기의 상태정보가 계측되는 계측단계(S01), 상기 계측단계(S01)에서 계측된 상태정보를 미리 입력된 왜곡모델에 맞추어 입구왜곡률을 연산하는 연산단계(S02), 상기 연산단계(S02)에서 연산된 왜곡률과 압축기 설계마진 그래프를 이용하여 입구왜곡의 정도를 판단하는 입구왜곡판단단계(S03), 입구왜곡률의 조절 범위를 연산하는 조절범위연산단계(S04), 상기 조절범위연산단계(S04)에서 연산된 값을 이용하여 공기흡입구제어장치를 구동하는 공기흡입구제어단계(S05)를 포함하여 구성될 수 있다. 위와 같은 구성을 통하여 본 발명의 공기흡입구 왜곡 제어방법은 상기 계측단계(S01)에서 상기 센서부의 압력센서, 온도센서, 속도센서를 통하여 공기흡입구에서 엔진의 압축기까지의 환경을 정확하게 확인할 수 있다. 또한 가속도센서, 자세센서를 이용하여 항공기의 운동 상태를 확인할 수 있게 된다. 상기 계측단계(S01)에서 계측된 정보들을 상기 연산단계(S02)에서 기존에 해당 항공기에 대한 시뮬레이션등을 통하여 구축되어 미리 입력되어 있는 왜곡모델에 맞추어 입구왜곡률을 연산하게 된다. 이때 상기 계측단계(S01)에서 센서부의 가속도센서 및 자세센서에서 계측된 항공기의 상태정보를 통하여 좀 더 세부적인 왜곡모델 적용이 가능하게 되어 정확한 입구왜곡률의 계산이 가능하다는 장점을 갖는다.
또한, 상기 연산단계(S02)에서 계산된 입구왜곡률을 항공기의 압축기 설계마진 그래프와 비교하여 입구왜곡의 정도를 판단하는 입구왜곡판단단계(S03)를 수행하게 된다. 이때 압축기 설계 마진 그래프는 아래 그림 1로 도시한 엔진 설계 시 압축기에 공급되는 공기의 압력에 따른 마진을 계산한 그래프이다.
상기 입구왜곡판단단계(S03)는 입구왜곡의 정도를 정상등급, 경고등급, 위험등급으로 판단할 수 있다. 3개의 등급으로 나누어 판단함에 따라 항공기의 조종사가 좀 더 세밀한 제어가 가능하게 되어 항공기를 설계성능에 가깝도록 사용할 수 있게되는 장점을 갖는다.
이때, 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 정상등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 정상이라는 메시지를 출력하는 제1출력단계(S03a)를 수행하고 상기 계측단계부터(S01) 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행될 수 있다. 즉, 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 정상등급으로 판단된 경우 항공기의 조종사에게 현재 상황을 알리고 감시만을 지속하게 된다.
또한, 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 경고등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 경고라는 메시지를 출력하는 제2출력단계(S03b)를 수행하고 상기 계측단계(S01)부터 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행될 수 있다. 이때, 경고등급은 압축기 설계마진 그래프에 있어서 마진 영역에 진입했다고 판단되었다는 것을 의미한다. 마진 영역이란 설계상에서 여유를 두고 제작된 영역으로 사용이 가능한 영역이다. 따라서 항공기 조종사에게 마진 영역에 진입했다는 것을 경고해주어 만약에 발생될 상황을 대비할 수 있게 해주며 위험등급에 도달하고 있다는 것을 인지할 수 있게 해준다.
그리고, 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 위험등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 위험 메시지를 출력하는 제3출력단계(S03c)를 수행하고 상기 조절범위연산단계(S04)로 넘어갈 수 있다. 즉, 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 위험등급으로 판단될 경우 본 발명의 공기흡입구 왜곡 제어방법이 항공기가 실속과 같은 더욱 위험한 상황에 빠지지 않도록 미리 제어를 시작하고 항공기 조종사에게 해당 사실을 알리게 되어 안전성을 보다 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 조절범위연산단계(S04)에서 입구왜곡률의 조절 범위를 연산함에 있어서, 상기 계측단계(S01)에서 속도센서, 가속도센서 및 자세센서를 통하여 확인된 항공기의 기동 패턴에 맞추어 보다 세밀한 입구왜곡률 조절 범위를 연산할 수 있다. 따라서 항공기의 기동에 미치는 영향을 최소화 하여 보다 효율적인 기동이 가능하게 된다는 장점을 갖는다.
상기 조절범위연산단계(S04)에서 연산된 값을 이용하여 공기흡입구제어장치를 구동하는 상기 공기흡입구제어단계(S05)는 공기흡입구에 장착되어 공기의 유동에 영향을 줄 수 있는 다양한 장치와 연결되어 이를 구동하여 공기흡입량을 조절하여 입구왜곡률을 조절할 수 있다.
더불어, 상기 공기흡입구제어단계(S05) 이후에는 상기 계측단계(S01)부터 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행될 수 있다. 따라서 지속적인 계측을 통하여 입구왜곡률의 변화를 실시간으로 감시할 수 있게 되며, 이를 항공기 조종사가 실시간으로 제공 받아 조종사가 항공기의 상태를 정확하게 파악할 수 있게 된다. 따라서 항공기를 조종함에 있어서 더욱 안전하면서 높은 효율로 조종할 수 있게 된다.
이와 같은 본 발명의 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법의 실시예를 도 3을 이용하여 아래에 설명하였다. 먼저 엔진의 공기흡입구에 설치되어 있는 압력센서, 온도센서, 속도센서, 가속도센서, 및 자세센서등을 포함하여 이루어지는 다수개의 센서부(S1,S2,S3)를 통하여 공기흡입구 내부의 상태를 측정한다. 이렇게 측정된 환경정보는 제어부(4)에서 수신(5)된다. 수신된 정보는 미리 입력되어 있는 입구왜곡 모델(6)과의 비교를 통하여 입구왜곡정도를 판단(7)하는 단계를 거치게 된다. 이때 입구왜곡의 정도가 정상범위 또는 경고범위일 경우 콕핏의 출력장치로 상태정보를 출력(8)하고 개입하지 않는다. 그러나 입구왜곡정도가 위험범위일 때에는 콕핏의 출력장치에 위험한 상태에 대한 정보를 출력(8)하고 직접 강제제어(9)에 돌입하게 된다. 이때, 강제제어(9)는 공기흡입구에 장착되어있는 작동기를 구동하여(10) 공기흡입량을 늘려 엔진을 안정시키며, 작동기 구동에 대한 정보를 콕핏으로 출력하게 된다.
더불어 본 발명의 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법은 콕핏에 정보를 출력한 이후에도 지속적으로 센서부(S1,S2,S3)의 정보를 수신하여 감시하도록 구성될 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
S01: 계측단계
S02: 연산단계
S03: 입구왜곡판단단계
S03a: 제1출력단계 S03b: 제2출력단계
S03c: 제3출력단계
S04: 조절범위연산단계
S05: 공기흡입구제어단계

Claims (7)

  1. 압력센서, 온도센서, 속도센서, 가속도센서, 및 자세센서를 포함하여 이루어지는 센서부를 이용하여 항공기의 상태정보를 계측하는 계측단계(S01);
    상기 계측단계(S01)에서 계측된 상태정보를 미리 입력된 왜곡모델에 맞추어 입구왜곡률을 연산하는 연산단계(S02);
    상기 연산단계(S02)에서 연산된 왜곡률과 압축기 설계마진 그래프를 이용하여 입구왜곡의 정도를 판단하는 입구왜곡판단단계(S03);
    입구왜곡률의 조절 범위를 연산하는 조절범위연산단계(S04);
    상기 조절범위연산단계(S04)에서 연산된 값을 이용하여 공기흡입구제어장치를 구동하는 공기흡입구제어단계(S05);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 입구왜곡판단단계(S03)는
    입구왜곡의 정도를 정상등급, 경고등급, 위험등급 중 어느 하나로 판단하는 것을 특징으로 하는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 정상등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 정상이라는 메시지를 출력하는 제1출력단계(S03a)를 수행하고 상기 계측단계부터(S01) 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행되는 것을 특징으로 하는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 경고등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 경고라는 메시지를 출력하는 제2출력단계(S03b)를 수행하고 상기 계측단계(S01)부터 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행되는 것을 특징으로 하는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 위험등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 위험 메시지를 출력하는 제3출력단계(S03c)를 수행하고 상기 조절범위연산단계(S04)로 넘어가는 것을 특징으로 하는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 공기흡입구제어단계(S05) 이후에는
    상기 계측단계(S01)부터 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행되는 것을 특징으로 하는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 정상등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 정상이라는 메시지를 출력하는 제1출력단계(S03a)를 수행하고 상기 계측단계(S01)부터 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행되고, 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 경고등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 경고라는 메시지를 출력하는 제2출력단계(S03b)를 수행하고 상기 계측단계(S01)부터 상기 입구왜곡판단단계(S03)까지 순차적으로 반복 진행되며, 상기 입구왜곡판단단계(S03)에서 입구왜곡의 정도가 위험등급으로 판단된 경우 조종석의 출력부에 위험 메시지를 출력하는 제3출력단계(S03c)를 수행하고 상기 조절범위연산단계(S04)로 넘어가는 것을 특징으로 하는 항공기 공기흡입구 왜곡 제어방법.
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