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인태 강
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1 항공우주공학개론 Spring 09 비행성능, 안정성, 조종원리및제어 김현진서울대학교항공우주공학전공 2009 년 4 월 7 일 REF) Pictures from Nasa.gov, 제 4 판항공우주학개론

2 Clip 모음 추락사고뉴스들 Clip 1

3 공군전투기충돌사례 = 전남해남군화원면마산리월산마을인근상공에서훈련비행중이던공군제1전투비행단소속 F-5B 전투기 2 대가충돌, 조종사 1 명사망 = 경남하동군금남면덕천리금호산중턱에훈련비행중이던공군 5 718부대소속 T-59 호크훈련전투기 2대가충돌, 조종사 4명사망 = 강원도춘천시북산면물로2리인근야산에공군곡예비행팀블랙이글소속 A-37 전투기 2 대가공중에서서로날개가부딪히면서 1대가추락, 조종사 1명사망 = 공군제 10 전투비행단소속 F-5E 전투기 2 대가서해상에서충돌, 조종사 2 명사망. 2

4 강의내용 힘과좌표계비행성능비행안정성조종원리제어및무인기 3

5 비행기에작용하는네가지힘 4

6 비행기죄표축, 롤 - 피치 - 요 종운동 (Longitudinal Motion) : 전진및수직방향의속도, 피치운동 횡운동 (Lateral & Directional Motion) : 옆미끄럼, 롤및요운동 5

7 Airplane Parts 6

8 Angle of Attack, Flight Path Angle 7

9 비행성능 8

10 비행성능 : 등속수평비행 필요추력 (Thrust Required) 어떤속도를유지하기위해필요한추력 필요마력 (Power Required) 필요추력 X 전진속도 이용마력 (Power Available) 동력장치의출력중추진력으로서비행에이용될수있는동력 잉여마력 (Excess Power) 또는여유마력 특정비행속도에서필요마력 이용마력 필요마력곡선과이용마력곡선이만나는속도 : 수평최대속도 Fig 3-3 9

11 비행성능 : 상승비행 상승률 (Rate of Climb) 여유마력이있을때상승비행가능 상승비행시속도의수직성분 : 보통분당상승거리로표현 (ft/min) 최대상승속도 여유마력이최대가되는비행속도에서의상승속도 ( 수직속도 ) 동력장치의출력중추진력으로서비행에이용될수있는동력 상승각 수평속도성분과수직속도성분이이루는각 상승한도 절대상승한도 (Absolute Ceiling) : 고도가높아지면서여유마력이 0이되어상승율이 0이되는고도. 실제측정불가. 실용상승한도 (Service Ceiling) : 상승률이 100 ft/min이되는고도 운용상승한도 (Operating Ceiling) : 상승률이 500 ft/min 이되는고도 10

12 비행성능 : 하강비행 무동력하강비행또는활공 (Gliding) 기관을작동하지않고고도를낮추는상태 (ex. 활주로에착륙또는불시착 ) 일반적으로하강속도가작은것이바람직 비행경로방향의힘이항력과같아짐 항력이크면경사가심해야비행경로방향힘이평형을이룸 하강속도커짐 양항비 하강속도 날개의가로세로비 양항비 11

13 비행성능 : 항속성능 항속거리 (Range) 적재한연료를사용하여비행할수있는거리 항속시간 (Endurance) 한번의연료로비행할수있는시간 12

14 비행성능 : 선회비행 수평선회 (Level Turn) 고도를일정하게유지하면서지속적으로방향을바꾸는비행 정상선회 (Coordinated Turn) 옆으로미끄러지지않고무게중심에작용하는힘이평형을이루고비행속도에변화가없는상태 원심력 = 구심력 ( 양력의수평성분 ) 13

15 비행성능 : 선회비행 선회시 원심력 > 구심력 --> skid 원심력 < 구심력 --> slip 선회반경을최소로하기위해서는 비행속도을최소로 : 그러나실속속도로제한됨 경사각을최대로 : 그러나중량에대한양력의비율 (load factor) 이커져좋지않음 14

16 안정성 15

17 비행안정성 트림상태 : 비행기의역학적인평형상태 항공기에작용하는공기력의수직성분 = 중력, 수평성분 = 추진력 일정한고도와속도를유지하며각운동없이날고있는상태 트림조절장치 : 어떤속도에서든항공기가평형상태에있으면조종간에힘이걸리지않도록만들어주는장치 ( 조종사입장 ) 안정성 평형상태를유지하고있다가어떤교란을받아평형상태에서약간벗어난경우원래의평형상태로되돌아가려는경향성 정안정성 (Static Stability) : 시간개념없이평형상태에서벗어난직후초기경향만고려 동안정성 (Dynamic Stability) : 시간개념포함 16

18 정적세로안정성 받음각안정성 의도하지않았던받음각증가에의해서기수내림피칭모멘트가발생되는경향 받음각에따른피칭모멘트계수의기울기가 일때 수평꼬리날개 항공기의받음각이증가하면수평꼬리날개의받음각이증가하여기수내림모멘트생성 안정성 면적이넓을수록, 무게중심에서멀수록효과 (Horizontal Stabilizer) 무게중심의위치 무게중심이뒤에가면수평꼬리날개의역할 안정성 ( 후방한계 ) 무게중심이앞으로가면안정성너무 원하는자세어려움 ( 전방한계 ) 날개의공력중심의위치 : 공력중심이무게중심보다앞에있으면받음각이커졌을때양력증가, 받음각이커지는방향으로피칭모멘트생김 불안정 동체 : 항상불안정한요소로작용 17

19 정적방향안정성 옆미끄럼각 수직꼬리날개 : 방향안정성에서가장중요한역할 (Vertical Stabilizer) 양의옆미끄럼각 ( 조종사오른쪽에서바람불어옴 ) 수직꼬리날개받음각 왼쪽으로양력 옆미끄럼각줄이는방향으로요잉모멘트 18

20 동적세로안정성 단주기운동 (Short-period Motion) 장주기운동 (Phugoid Motion) 기수가들리면서고도상승하며속도감소 속도감소하면서양력이중력보다작아지고고도하강 고도감소하면서위치에너지가운동에너지로바뀌어속도증가 속도증가하면서다시양력이회복되고고도상승하면서운동에너지가위치에너지로바뀜 시간에따른감쇠필요 : 비행성요구사항항목 19

21 동적가로안정성 더치롤 (Dutch roll) 측풍으로기수가돌아간경우측풍이사라지면원래상태를지나쳐반대방향으로기수가돌아갔다가다시원상으로동아오는운동이반복됨 이와더불어기수가좌우로흔들리는요잉운동이일어남 진동주기 3-8 초정도의더치롤 20

22 동적가로안정성 상반각효과 (Dihedral Effect) 그림 (a) : 상반각을준경우 외란에의해그림 (b) 처럼한날개가내려가면양력방향이회전하고중력성분이옆미끄럼각이생김 상반각을준경우, 바람을향하고있는아래쪽날개의받음각이다른날개보다더커짐 L1 > L2 경사각을줄이는방향의롤모멘트생성 ( 그림 (c)) 하반각 (Anhedral) 의경우반대효과 21

23 조종원리 22

24 1891 Otto Lilienthal ( ) The first person to design a glider that could fly a person and was able to fly long distances. - the first safe, multiple gliding flights in history. His gliders were controlled by changing the centre of gravity by shifting his body, much like modern hang gliders. 23

The Wright Brothers : Wilbur (1967-1912) Orville (1871-1948) In 1896, Langley successfully flew an unmanned steam-powered

Chanute brought together several men who tested various types of gliders over the sand dunes along the shore of Lake

Thought a reliable method of pilot control was the key to successful and safe flight Based on observation, Wilbur concluded

25 The Wright Brothers : Wilbur ( ) Orville ( ) In 1896, Langley successfully flew an unmanned steam-powered model aircraft. Chanute brought together several men who tested various types of gliders over the sand dunes along the shore of Lake Michigan. Lilienthal was killed in the plunge of his glider. Thought a reliable method of pilot control was the key to successful and safe flight Based on observation, Wilbur concluded that birds changed the angle of the ends of their wings to make their bodies roll right or left. The brothers decided this would also be a good way for a flying machine to turn. Equally important, they hoped this method would enable recovery when the wind tilted the machine to one side (lateral balance). 24

26 Gliders The Wrights performed basic wind tunnel tests on 200 wings of many shapes and airfoil curves, followed by detailed tests on 38 of them. An important discovery was the benefit of longer narrower wings: wings with a larger aspect ratio (wingspan divided by chord the wing's front-to-back dimension). 25

27 1902 Glider They hinged the rudder and connected it to the pilot's warping "cradle", so a single movement by the pilot simultaneously l controlled wing-warping and rudder deflection During September and October they made between 700 and 1,000 glides, the longest lasting 26 seconds and covering feet (189.7 m). 26

28 Three-axis control wing-warping for roll (lateral motion), forward elevator for pitch (up and down) and rear rudder for yaw (side to side). In March 1903, the Wrights applied for the patent for a "Flying Machine", based on their successful 1902 glider. Some believe that applying the system of three-axis flight control on the 1902 glider was even more significant, than the addition of power to the 1903 Flyer. 27

29 피치조종 (Elevator) 롤조종 (Aileron) 28

30 Aileron, adverse yaw & rudder 선회시역요를없애기위해에일러론대신스포일러를사용하기도함 29

31 무인비행로봇과제어 30

사람에게위험하거나비효율적인일, 단조롭거나사람이기피하는업무를수행할수있도록고정익, 헬리콥터등의다양한형태와크기의 UAV 들이개발되고있다.

32 무인비행로봇이란 Unmanned Aerial Vehicle (UAV), Unmanned Aircraft System (UAS), Unmanned Aircraft Vehicle System (UAVS) 인간조종사가탑승하지않고원격조종 (RC) 되거나, 또는자율적으로비행하면서다양한임무를수행한다. 사람에게위험하거나비효율적인일, 단조롭거나사람이기피하는업무를수행할수있도록고정익, 헬리콥터등의다양한형태와크기의 UAV 들이개발되고있다. 미공군에서사용하는 Global Hawk Northrop Grumman 개발, 날개폭 35.4 m 총중량 10,400 kg 대당 US$ million 터보엔진추력 31.4 kn, 하루에 100,000 km 2 까지정찰가능 체공시간 : 36 시간 항속 650km/h 고도 20 km 31

33 UAV 의종류와역할 역할, 비행고도, 체공시간, 크기등의다양한기준에의해분류됨. 활용 사격훈련용목표물이나미사일대용 정찰 Honeywell Kestrel 전투방어및공격 물자수송 Honeywell OAV 원격탐사 연구개발 민간이용 Micro Mechanical Flying Insect Global l Hawk Fire Scout Predator 32

34 UAV 의활용분야 Civil & Commercial Target Research & Development UAVs Reconnaissance Logistics Combat 33

35 무인비행기제어시스템의구성 작전계획 상황분석 통신망 추론 Reasoning 임무분석 궤도계산 임무분석및궤도제어 센서정보융합 동작 Action 감지 Sensing 제어 제어입력 센서 1 센서 2 센서 3 센서 4 센서 5 UAV 34

36 항법, 유도, 제어 (GNC) 항법 (Navigation) 1. To accurately determine position and velocity relative to a known reference 2. To plan execute the maneuvers necessary to move between desired locations ( 넓은의미 ) 유도 (Guidance) To directing the motion of something or the course of a projectile 제어 (Control) To exercise restraining or directing influence Navigation Sensor outputs Position, velocity, attitude Actuators Plant Sensors High-level commands Planning Commanded Maneuver Guidance Control Actuator Excitation Desired Trajectory Farrell & Barth 35

37 항법에사용되는센서들 위성항법장치 (GPS:Global Positioning System) 위성으로부터오는신호를수신, 판독하여위치, 속도, 시간정보제공 장점 : 운용함에따라오차가증가하는 INS와는달리오차가일정함. 비교적소형, 저가. 관성항법장치 (INS:Inertial I Navigation System) 자이로스코프는기준좌표를설정, 본체진행방향을계측 가속도계는진행방향으로의가속도를감지 내장된컴퓨터는자이로스코프와가속도계에서감지한각가속도 가속도등을종합계산, 차체의위치 속도 자세정보를제공 장점 : 외부도움없이자신의위치를결정할수있는특성으로지형 기상등에영향을받지않으며 GPS로구현이곤란한자세정보까지얻을수있음. 전파방해 (Jamming) 를받지않음. 각각의단점을최소화하기위해최근에는 GPS 와 INS 를연동시켜위치를보정하는형태로발전 그외초음파센서, 레이저, 고도계, 나침반, 영상센서등 36

38 제어기가완성되기까지 1. 물리법칙, 측정실험등을통한인식 (identification) 2. 제어법칙설계 (control law design) 3. 예비실험 (simulation) 37

39 비행제어예제 1. Identification Newton-Euler 운동방정식작성 조종사의입력과센서데이터측정기록활용 2. Control law design 모델에적합한다양한제어기법적용 비선형제어, 인공지능등다양한이론 3. Simulation Matlab plots 지상 Hardware tests 4. Flight tests t! 38

40 Air traffic control NATCA snapshot 39

41 한강대교 by 이득영 Any Questions? 40

4-Ç×°ø¿ìÁÖÀÌ¾ß±â¨ç(30-39)

4-Ç×°ø¿ìÁÖÀÌ¾ß±â¨ç(30-39) 항공우주 이야기 항공기에 숨어 있는 과학 및 비밀장치 항공기에는 비행 중에 발생하는 현상을 효율적으로 이용하기 위해 과 학이 스며들어 있다. 특별히 관심을 갖고 관찰하지 않으면 쉽게 발견할 수 없지만, 유심히 살펴보면 객실 창문에 아주 작은 구멍이 있고, 주 날 개를 보면 뒷전(trailing edge) 부분이 꺾어져 있다. 또 비행기 전체 형 상을 보면 수직꼬리날개가