Pseudo flight environment using magnetic levitation for the design and evaluation of aircraft flight control systems

Abstract

비행체가 주어진 임무를 성공적으로 수행하기 위해서는 비행체의 안정성을 확보해주는 제어시스템의 탑재가 필수적이며, 이러한 비행체 제어시스템의 성능 평가는 많은 부분이 비행시험을 통해 이루어진다. 크기가 큰 비행체의 경우, 실물 크기의 비행체 비행시험에 소요되는 시간과 비용을 절약하기 위해, 축소된 크기의 무인비행체 모델을 이용하여 비행시험을 충분히 수행함으로써 비행체의 비행동역학적 특성에 관한 다양한 정보를 획득한다. 하지만 비행시험은 비행체 제어시스템이 불안정할 경우 추락의 위험이 있으며, 날씨와 장소 등 주변환경에 의한 제약을 많이 받는다. 불안정한 비행체의 자유비행시험 도중 발생할 수 있는 추락의 위험을 줄이기 위해서는 비행체의 상태변수가 불안정해지는 순간에 기계적 접촉 없이 비행체를 공중에 부양시키는 것이 가능해야 할 것이다. 제안된 아이디어를 구현하기 위해, 자기력 및 자기모멘트를 이용하여 기계적 지지장치 없이 영구자석이 내장된 실험 대상체를 풍동 시험부 내에 부양시키는 것이 가능한 자기부상풍동을 개발하였다. 개발된 자기부상풍동의 주요 특징 중 하나는 생성되는 자기력 및 자기모멘트의 크기를 자유자재로 조절할 수 있다는 것이다. 이러한 장점을 활용하여 시험부 내에서 안전이 보장된 상태로 비행체를 자유비행 조건에 노출시키는 것이 가능한 “유사비행환경”을 구현하였다. 한편 자유자재로 조절되는 자기력 및 자기모멘트는 비행체의 추락 방지를 위한 구속력으로 작용할 수 있을 뿐만 아니라 비행체 제어시스템의 성능 평가를 위한 정량적인 외력으로 작용할 수 있는데 이는, 기존의 기계적 지지장치를 활용한 풍동시험 혹은 비행시험을 통해서는 구현하기 어려운, 유사비행환경의 특별한 기능 중 하나이다. 본 연구에서는 구현된 유사비행환경의 장점을 효과적으로 검증하기 위해, 유사비행환경 안에서 본질적으로 불안정한 무인비행체 모델의 제어시스템에 다양한 제어 알고리즘을 적용해 보고 각각의 경우에 대한 제어 성능을 정량적으로 측정하였다. 안전이 보장된 비행시험을 통해 무인비행체의 파손 위험을 줄이고 조종면 고장, 외부 교란 작용과 같은 불안정한 상황에서의 비행체 제어시스템 성능평가를 반복적으로 수행할 수 있었다.