KR102165872B1 - 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템 및 그의 고장판단방법 - Google Patents

초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템 및 그의 고장판단방법 Download PDF

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박정우
김중회
박익수
기태석
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명은 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템 및 그의 고장판단방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진 흡입구 제어용 출력 신호를 생성하기 위한 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 및 그의 고장판단방법에 관한 것으로서, 엔진 흡입구에 마련되는 내피 구조체; 상기 내피 구조체를 감싸는 외피 구조체; 상기 내피 구조체와 상기 외피 구조체 사이에 마련되는 적어도 하나 이상의 압력 프로브;를 포함하는 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서를 제공하여, 초음속 엔진 흡입구의 정밀한 운용이 가능한 강점이 있다.

Description

초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템 및 그의 고장판단방법{Multi-sensor system and the failure decision method for control supersonic flight vehicle's engine intake}
본 발명은 초음속 엔진 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 및 그의 고장판단방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진 엔진 흡입구 제어용 출력 신호를 생성하기 위한 초음속 엔진 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 및 그의 고장판단방법에 관한 것이다.
초음속 비행에서는 엔진을 효과적으로 운용해야 할 필요가 있는데, 이를 위해서는 엔진 흡입구로 들어오는 초음속 유동을 능동적으로 제어하여야만 한다.
이는 흡입 공기가 연소실에 안정적으로 공급되도록 하는 것과 연관된다.
한편, 초음속 비행에서는 엔진 흡입구로 들어오는 공기의 유동이 매우 복잡하다.
흡입된 공기는 엔진 흡입구 내부에서 충격파 유동 구간을 지나면서 유속이 초음속에서 아음속으로 바뀌어 연소실로 제공된다.
이 때 공기의 유속이 초음속에서 아음속으로 변화되는 구간을 천이구간이라 한다.
초음속 비행에서는 천이구간에서의 유동 압축성능을 개선하고 흡입공기량을 안정적으로 유지하는 것은 중요하다.
이를 위해서는 엔진 흡입구 후단 디퓨저의 출구 마하수 혹은 전압력의 능동 제어가 필요하다.
그러나, 엔진 흡입구 유동장 환경은 비행 마하수, 고도 및 자세, 엔진 흡입구 형상 등에 따라서 매우 복잡하게 형성된다.
이처럼 복잡한 엔진 흡입구의 유동을 능동제어 하기 위해서는 엔진 흡입구 유동의 계측 및 대표값 산출알고리즘은 필수적이다.
또한, 엔진 흡입구 대표값 산출알고리즘은 유동장의 특성을 반영한 센서 계측정보를 활용하기 때문에 센서가 고장난 경우에는 매우 치명적일 수 있다.
따라서, 센서의 고장 유무를 식별하는 방법 및 그에 따른 대안적인 알고리즘 개발이 매우 중요하다.
하지만, 종래의 기술로는 이와 같은 요구를 만족시키는 데에 한계가 있었다.
JP 5156210 B2 JP 4134010 B2
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 초음속 흡입유동을 모의하는 지상시험환경 혹은 그에 준하는 비행환경에서의 제어용 엔진 흡입구 유동압력 계측 시 측정 압력센서들의 건정성을 판단하기 위한 알고리즘 및 장치 구성으로 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 운용방안 및 다중 측정센서 시스템의 고장판단방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
초음속 비행체의 엔진 흡입구에 마련되는 내피 구조체; 상기 내피 구조체를 감싸는 외피 구조체; 상기 내피 구조체와 상기 외피 구조체 사이에 마련되어 압력을 측정하는 적어도 하나 이상의 압력 프로브; 를 포함하는 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템을 포함한다.
또한, 상기 압력 프로브는 상기 내피 구조체의 외주면을 따라 등간격으로 복수개가 설치된 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템을 포함한다.
또한, 상기 압력 프로브는 상기 엔진 흡입구의 유로 중심과 동일한 거리의 원주상에 배치된 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템을 포함한다.
또한, 초음속 비행체의 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단방법에 있어서, 압력 프로브를 통해 전압력을 측정하는 압력측정단계; 상기 측정된 압력이 센서시스템을 통해 압력값 또는 디퓨져 마하수 정보로 출력되어 주처리기로 전달되는 주처리기 전달단계; 비행조건 정보를 이용하여 해당 조건에서의 측정 정확도 정보를 호출하는 측정 정확도 정보 호출 단계; 상기 호출된 정보를 이용하여 상기 압력 프로브의 고장을 판단하는 고장판단단계; 상기 고장판단단계에서 고장으로 판단되는 센서 측정정보는 주변 측정부 압력값을 이용하여 보정처리하는 보정단계; 압력 프로브별 가중치를 부가한 대표값을 산출하여 엔진 흡입구 유동 제어장치로 전송하는 가중치 부가단계;를 포함하고, 상기 측정 정확도 정보는 데이터로 기 탑재된 상기 압력 프로브의 측정값들의 평균 대비 최대 분포범위와 표준 편차(
Figure 112020085865110-pat00007
) 중의 적어도 하나를 포함하는 통계정보이고, 상기 고장판단 단계는 상기 압력 프로브가 측정한 센서 측정정보를 상기 측정 정확도 정보와 비교하여, 상기 센서 측정정보가 설정된 통계적 한계를 초과하면 해당 압력 프로브를 고장으로 판단 하고, 상기 보정단계에서 해당 압력 프로브의 센서 측정정보를 보정처리하게 하는 것을 특징으로 하는 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단방법을 포함한다.
또한, 상기 고장판단 단계의 설정된 통계적 한계는, 상기 센서 측정정보가 평균 대비 최대 분포범위를 벗어나는지 또는 표준편차의 몇 배를 초과하였는지를 확인하는 것을 특징으로 하는 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템의 고장판단방법을 포함한다.
또한, 상기 비행조건 정보는 마하수, 고도, 자세정보 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템의 고장판단방법을 포함한다.
위와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 초음속 엔진 흡입구의 정밀한 운용이 가능한 강점이 있다.
둘째, 보다 다양한 비행(모의)조건에서 일관적으로 적용될 수 있으므로 넓은 초음속/고도 비행(모의)영역으로의 확장이 가능한 장점이 있다.
셋째, 안정적인 엔진 흡입구 제어성능으로 전체 시험결과의 정확도가 개선되는 효과가 있다.
넷째, 다양한 시험평가 등의 응용분야에서 각 기술별 보완/수정이 용이하여 활용성이 높은 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 정면 투시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 측면 투시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단을 위한 센서 측정정보의 평균 대비 최대 분포범위에 관한 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 정면 투시도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 측면 투시도이다.
내피 구조체(200)와 외피 구조체(300)는 전체적으로 단면의 형상이 원형일 수 있다.
내피 구조체(200)는 엔진 흡입구에 마련된다.
외피 구조체(300)는 내피 구조체(200)를 감싸도록 형성된다.
압력 프로브(100)는 내피 구조체(200)와 외피 구조체(300) 사이에 적어도 하나 이상이 마련될 수 있다.
압력 프로브(100)는 내피 구조체(200)의 외주면을 따라 등간격으로 복수개가 설치될 수 있다.
압력 프로브(100)들은 유동 측정 정확도를 위해 전압력 측정이 가능한 조립체로 구성되는 것이 바람직할 수 있다.
보다 상세하게는, 적어도 한 쌍의 압력 프로브(100)는 내피 구조체(200)의 외주면에서 서로 대향되도록 마련될 수 있다.
한편, 압력 프로브(100)는 엔진 흡입구의 동일한 횡단면 상에 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
보다 상세하게는, 복수개의 압력 프로브들은 엔진 흡입구의 유로 중심과 동일한 거리의 원주상에 배치될 수 있다.
다시 말해서, 압력 프로브(100)가 흡입유동 유로 방향의 동일한 위치에 포진하도록 배치될 수 있는 것이다.
즉, 도 2와 같이 압력 프로브(100)는 내피 구조체(200)와 외피 구조체(300) 사이에서 동일한 횡단면 상에 배치될 수 있는 것이다.
이와 같이 배치되는 압력 프로브(100)의 수는 유동측정 정밀도를 고려하여 선정될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서는 원형 엔진 흡입구를 개시하고 있지만, 다른 실시 예에서는 다양한 엔진 흡입구 형상에 따라 센서 프로브들의 배치 구조 및 위치가 상이할 수 있음을 일러둔다.
한편, 압력 프로브(100) 선정은 다양한 비행모의 조건의 유동시험 결과들을 통해 측정된 정보의 유효성 및 대표성을 고려하여 필요 선택적으로 활용될 수 있다.
즉, 흡입 유동면의 기울어짐이나 유동 박리 현상에 따른 측정의 불확실성이 크게 예상되는 경우에는 이를 제외시킴으로써 사전적으로 측정 정확도를 개선할 수 있다.
예를 들어, 유동이 엔진 흡입구 입구 평면에 수직하지 않고 기울어져 들어올 경우나 특정 비행 마하수 조건에서 유동 불균일성이 커짐에 따라 일부 측정정보의 유효성을 보장할 수 없는 경우 관련 측정정보를 배제해야 보다 정밀한 결과를 계측할 수 있게 된다.
압력 프로브(100)를 통해 전달된 압력은 센서 시스템에서 압력 값 또는 디퓨져 마하수 정보로서 출력되어 주 처리기로 전달된다.
다음으로 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단방법을 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단을 위한 센서 측정정보의 평균 대비 최대 분포범위에 관한 것이다.
압력측정단계는 압력 프로브(100)를 통해 전압력을 측정한다.
다음으로, 주처리기 전달단계에서는 측정된 압력이 센서시스템(410, 420)을 통해 압력값 또는 디퓨져 마하수 정보로 출력되어 전달된다.
다음으로 측정 정확도 정보 호출 단계는 비행조건 정보를 이용하여 해당 조건에서의 측정 정확도 정보를 호출한다.
측정 정확도 정보는 데이터로 기 탑재된 측정값들의 평균 대비 최대 분포범위와 표준편차(
Figure 112019042854210-pat00001
) 등의 통계정보를 말한다.
다시 말해서, 측정 정확도 정보는 기 탑재된 측정값들의 평균 대비 최대 분포범위와 표준편차 통계정보 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있는 것이다.
예를 들어 각각의 압력 프로브(100)가 측정한 센서 측정정보가 평균 대비 최대 분포범위를 벗어나는지와 표준편차의 몇 배를 초과하였는지를 확인하는 것이다.
다음으로 고장판단단계는 호출된 정보를 이용하여 압력 프로브의 고장을 판단한다.
만약 복수의 압력 프로브(100) 중 어느 하나가 측정한 센서 측정정보가 설정된 통계적 한계를 넘어선 경우 해당 압력 프로브(100)를 고장으로 판단하게 되는 것이다.
다음으로 보정단계에서는 고장판단단계에서 고장으로 판단된 센서 측정정보가 주변 측정부 압력값을 이용하여 보정된다.
즉, 고장으로 판정된 압력 프로브(100)의 센서 측정정보는 주변 측정부 압력값을 이용하여 보정처리 된다.
다음으로 가중치 부가단계에서는 압력 프로브별 가중치를 부가한 대표신호를 엔진 흡입구 유동 제어장치로 전송한다.
여기서 센서 측정정보별 가중치는 센서군 선정 시 부가적으로 인가되어 최종 출력 시 활용될 수 있다.
또한, 비행조건 정보는 마하수, 고도, 자세정보 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단 흐름을 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 3에서 표시되는 H는 고도정보, P는 압력정보, M은 마하수 정보, 그리고 α는 받음각 자세정보를 각각 의미한다.
한편, 시험에서 획득 혹은 설정되는 비행정보 데이터는 M0, H0, α0로 표현되고 있으며, 각각의 압력 프로브(100)들이 센싱한 압력값들은 P1, P2 등으로 표현하였고, 그에 따른 마하수 정보들도 각각 M1, M2 등으로 표기하였음을 일러둔다.
센서시스템(Sensor system)은 측정된 압력값(410)을 전달받은 센서 측정정보부(420)을 포함할 수 있다.
주처리기(Main processor)는 센서 선택부(510), 센서 고장 판단부(520), 출력부(530)를 포함할 수 있다.
측정된 압력값(410)은 센서 측정정보부(420)에 전달된다.
센서 측정정보부(420)는 센서 선택부(510)에 압력정보 또는 마하수 정보를 전달한다.
센서 선택부(510)는 센서 고장 판단부(520)에 연결되며 각각의 압력 프로브(100) 중 어느 하나를 선택한다.
보다 상세하게는 센서 선택부(510)는 센서 선택부(510)로부터 입력받은 압력정보들 또는 마하수 정보들 중 특정 압력 프로브에 대한 것을 선택할 수 있다.
비행조건정보 제공부(540)는 센서 선택부(510)와 센서 고장 판단부(520)에 연결되며, 센서 고장 판단부(520)는 해당 비행 조건에서의 측정 정확도 정보를 계산할 수 있다.
다시 말해서, 센서 고장 판단부(520)는 기 탑재된 측정값들의 평균 대비 최대 분포범위와 표준편차(
Figure 112019042854210-pat00002
) 등의 통계정보를 계산할 수 있다.
센서 선택부(510)는 선택된 특정 압력 프로브(100) 정보를 센서 고장 판단부(520)에 전달한다.
센서 고장 판단부(520)는 센서 선택부(510)로부터 전달된 특정 압력 프로브(100) 정보를 계산된 측정 정확도 정보와 비교 판단하고, 설정된 통계적 한계를 넘어선 조건이 성립할 경우 해당 센서를 고장으로 판단한다.
이 때, 고장으로 판정된 센서 측정정보는 주변 측정부 압력값을 이용하여 보정처리된다.
출력부(530)는 센서 고장 판단부(520)에 연결되어 출력값을 생성한다.
보다 상세하게는 출력부(530)는 센서 측정정보별 가중치를 부가한 대표값(P* 또는 M*)을 산출하고 산출된 대표값(P* 또는 M*)을 엔진 흡입구 유동 제어부(550)에 전송한다.
이와 같은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 초음속 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단방법에 따르면, 도 4에서와 같이 복수 개의 센서가 좌측에서 우측으로 순서대로 나열된 총 8개의 센서 중에서 7번째 센서가 설정된 통계적 한계인 2σ tolerance라인을 넘어선 조건이 성립한 경우를 나타내기 때문에 7번째 센서가 고장인 것으로 판단될 수 있는 것이다.
100 : 압력 프로브
200 : 내피 구조체
300 : 외피 구조체

Claims (6)

  1. 초음속 비행체의 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단방법에 있어서,
    압력 프로브를 통해 전압력을 측정하는 압력측정단계;
    상기 측정된 압력이 센서시스템을 통해 압력값 또는 디퓨져 마하수 정보로 출력되어 주처리기로 전달되는 주처리기 전달단계;
    비행조건 정보를 이용하여 해당 조건에서의 측정 정확도 정보를 호출하는 측정 정확도 정보 호출 단계;
    상기 호출된 정보를 이용하여 상기 압력 프로브의 고장을 판단하는 고장판단단계;
    상기 고장판단 단계에서 고장으로 판단되는 센서 측정정보는 주변 측정부 압력값을 이용하여 보정처리하는 보정단계;
    압력 프로브별 가중치를 부가한 대표값을 산출하여 엔진 흡입구 유동 제어장치로 전송하는 가중치 부가단계;를 포함하고,
    상기 측정 정확도 정보는 데이터로 기 탑재된 상기 압력 프로브의 측정값들의 평균 대비 최대 분포범위와 표준편차(
    Figure 112020085865110-pat00008
    ) 중의 적어도 하나를 포함하는 통계정보이고,
    상기 고장판단 단계는 상기 압력 프로브가 측정한 센서 측정정보를 계산된 상기 측정 정확도 정보와 비교하여, 상기 센서 측정정보가 설정된 통계적 한계를 초과하면 해당 압력 프로브를 고장으로 판단하고, 상기 보정단계에서 해당 압력 프로브의 상기 센서 측정정보를 보정처리하게 하는 것을 특징으로 하는, 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서의 고장판단방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고장판단 단계의 설정된 통계적 한계는, 상기 센서 측정정보가 평균 대비 최대 분포범위를 벗어나는지 또는 표준편차의 몇 배를 초과하였는지를 확인하는 것을 특징으로 하는, 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템의 고장판단방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 비행조건 정보는 마하수, 고도, 자세정보 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는, 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템의 고장판단방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 압력 프로브는 초음속 비행체의 엔진 흡입구에 마련되는 내피 구조체와 외피 구조체 사이에 장착되어 압력을 측정하는 것을 특징으로 하는, 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템의 고장판단방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압력 프로브는 상기 내피 구조체의 외주면을 따라 등간격으로 복수개로 설치된 것을 특징으로 하는, 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템의 고장판단방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 압력 프로브는 상기 엔진 흡입구의 유로 중심과 동일한 거리의 원주상에 배치된 것을 특징으로 하는, 초음속 비행체 엔진 흡입구 유동제어를 위한 다중 측정센서 시스템의 고장판단방법.
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