비행동역학 및 제어 2장: 기본 비행역학 이론 정리

2023. 7. 4. 20:18

아래 내용은 <비행동역학 및 제어> 서적을 기반으로 작성되었습니다.

1.1 비행동역학 (Flight Dynamics)

비행동역학이란?

- 배경: 1903년 12월 라이트형제의 인류 최초 동력비행

- 개념: 대기를 비행하는 물체의 동적특성을 해석하는 학문

- 필요성: 좋은 성능의 비행제어시스템 설계를 위해

- 연관학문: 공기역학, 동역학, 구조역학, 수치해석학 등

1.2 비행제어: 유도항법제어

제어시스템 관련 요소

- 항법(Navigation): 비행체의 위치를 알아내는 것

- 유도(Guidance): 임무수행을 위한 위치이동을 위한 힘을 계산하는 것

- 제어(Control): 계산된 유도명령을 따르기 위해 비행체를 조절하는 것

2.1 비행동역학개론

- 항공기의 동적특성은 주로 안정성(Stability)과 조종성(Control)에 의해 규정됨

- 항공기의 동적특성에 직접적인 영향을 주는 것은 공력계수며 이를 이해하려면 에어포일과 날개의 기하학적, 공기역학적 특성을 살펴봐야함

- 시스템을 해석에는 주파수영역 해석기법이 있고 시간영역 해석기법이 있음

2.2 항공기의 기하학적, 공기역학적 특성

- 에어포일: 항공기 날개의 2차원 단면

- 날개: 2차원 모양의 에어포일을 날개 길이 방향으로 유한한 길이를 갖도록 포개서 만든 3차원 모형

- 양력발생원리: 에어포일 주변에 받음각으로 인해 에어포일 윗면과 아랫면의 유속차의 발생에 따라 압력분포가 달리 작용해 양력을 얻음

- 압력중심: 압력분포에 의한 모멘트 합이 0이 되는 점. 특징으론 받음각이 변하면 압력분포가 달라지므로 압력중심 위치도 변함

- 공력중심: 항공기 무게 중심에 대한 힘과 모멘트 계산에 있어 압력중심을 기준으로 사용하면 받음각의 변화로 압력중심이 달라지는 문제를 해결하기 위해 받음각에 따라 위치가 변하지 않는 점인 공력중심을 사용.

- 피칭 모멘트(pitching moment): 모멘트가 Y축으로 작용(회전)하려는 힘

모멘트(Moment): 물체의 회전운동에 대한 양을 나타내는 개념이다. 즉 물체가 회전력을 받는 정도를 뜻한다. 모멘트는 어떤 물리량과 어떤 기준점 사이의 거리를 곱한 형태로 정의된다. 예를 들어 물리량은 질량, 힘, 길이 등이 될 수 있고 (질량 x 거리), (힘 x 거리), (길이 x 거리) 등으로 표현할 수 있다. 실제로 관성 모멘트는 질량과 거리제곱의 곱으로 표현되고 힘의 모멘트(토크)는 힘과 거리의 곱으로 표현된다. 모멘트는 어떤 물리량의 분포에 따라 물리적 특성이 달라질 때 사용한다.

2.4 비행안전성 개요

- 항공기 운동은 크게 병진운동과 회전운동으로 구분되며 이 둘은 서로 독립이라 가정해 별도의 해석이 필요함.

- 병진운동: 물체를 하나의 질점으로 간주해 질점계의 모든 질점이 평행이동 즉 모든 지점이 똑같이 이동하는 운동.

- 회전운동: 물체가 한 점을 축으로 회전하는 운동. 주로 자세안정성해석이나 제어시스템 설계에 이용됨. 정적안정성과 동적안정성으로 구분됨. 정적안정성이란 크게 3가지로 정의됨. 한 물체가 초기에 평형상태에 있다고 가정했을 때 외력이 발생했지만 평형상태로 되돌아 가려는 1. 정적 안정, 외력이 발생해서 평형상태에서 멀어지는 2. 정적불안정, 평형이 유지되는 3. 정적중립. 동적안정성은 시간에 대한 변화를 염두에 두고 정의되는 특성으로 평형상태를 벗어난 뒤 어느 정도의 시간이 경과한 후 다시 평형상태로 되돌아오는 경향으로 정의