비행 시험

비행 시험은 항공우주공학의 한 분야로, 비행 중인 항공기 또는 우주발사체 및 재사용 가능한 우주선의 대기 비행 단계에서 행동을 평가하는 데 필요한 기술과 장비를 개발한다. 비행 시험을 위한 계측 시스템은 특수 변환기와 데이터 수집 시스템을 사용하여 개발된다. 데이터는 항공기 비행 중 또는 우주선의 대기 시험 중에 샘플링된다. 이 데이터는 정확성을 위해 검증되고, 개발 중 차량 설계를 추가로 수정하거나 차량 설계를 검증하기 위해 분석된다.

비행 시험 단계는 두 가지 주요 작업을 수행한다. 1) 항공기 설계 문제를 찾아 해결한 다음 2) 차량 설계가 완료되었을 때 차량의 역량을 확인하고 문서화하거나 정부 인증 또는 고객 승인을 위한 최종 사양을 제공한다. 비행 시험 단계는 기존 차량의 단일 신규 시스템 시험부터 새로운 항공기, 우주발사체 또는 재사용 가능한 우주선의 완전한 개발 및 인증까지 다양할 수 있다. 따라서 특정 비행 시험 프로그램의 기간은 몇 주에서 몇 년까지 달라질 수 있다.

항공기 비행 시험

민간 항공기

비행 시험 프로그램은 일반적으로 상업용과 군용의 두 가지 범주로 나뉜다. 상업용 비행 시험은 항공기가 정부 인증 기관의 모든 해당 안전 및 성능 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해 수행된다. 미국에서는 연방 항공국 (FAA); 캐나다에서는 캐나다 교통부 (TC); 영국에서는 영국 민간항공국; 유럽 연합에서는 유럽 항공 안전청 (EASA)이 이에 해당한다. 상업용 항공기 개발은 일반적으로 항공기 제조업체 및 개인 투자자에 의해 자금 지원되므로, 인증 기관은 항공기의 상업적 성공에 이해관계가 없다. 이들 민간 기관은 항공기의 안전과 조종사 비행 설명서가 항공기의 성능을 정확하게 보고하는지에 관심을 둔다. 시장이 운영자에게 항공기의 적합성을 결정할 것이다. 일반적으로 민간 인증 기관은 제조업체가 개발 문제를 찾아 해결하고 인증을 추구할 준비가 될 때까지 비행 시험에 참여하지 않는다.

군용 항공기

군용 프로그램은 정부가 항공기 제조업체와 특정 임무 능력을 충족하는 항공기를 설계하고 제작하기 위해 계약한다는 점에서 상업용과 다르다. 이러한 성능 요구 사항은 항공기 사양에 제조업체에 문서화되며, 비행 시험 프로그램의 세부 사항(다른 많은 프로그램 요구 사항 중)은 작업 명세서에 명시되어 있다. 이 경우 정부는 고객이며 항공기가 임무를 수행하는 능력에 직접적인 이해관계가 있다. 정부가 프로그램에 자금을 지원하므로 초기부터 항공기 설계 및 시험에 더 많이 관여한다. 종종 군용 시험 조종사와 엔지니어는 초도 비행 전에도 제조업체의 비행 시험 팀의 일부로 통합된다. 군용 항공기 비행 시험의 최종 단계는 작전 시험(OT)이다. OT는 항공기가 의도된 임무를 수행하는 데 적합하고 효과적인지 인증하기 위한 정부 전용 시험 팀에 의해 수행된다.

군용 항공기의 비행 시험은 종종 군용 비행 시험 시설에서 수행된다. 미 해군은 패턱선트 리버 해군 항공 기지에서 항공기를 시험하고 미국 공군은 에드워즈 공군기지에서 시험한다. 미국 공군 시험 비행사 학교와 미국 해군 시험 비행사 학교는 군용 시험 인력을 교육하기 위해 고안된 프로그램이다. 영국에서는 대부분의 군용 비행 시험이 영국 왕립 공군, BAE 시스템스 및 QinetiQ의 세 조직에 의해 수행된다. 사소한 업그레이드의 경우 이러한 세 조직 중 하나가 단독으로 시험을 수행할 수 있지만, 주요 프로그램은 일반적으로 통합 프로젝트 팀(IPT) 비행 공간의 틀 아래에서 세 조직 모두가 협력하는 합동 시험 팀(JTT)에 의해 수행된다.

우주발사체 및 재사용 가능 우주선의 대기 비행 시험

2014년 9월 21일 팰컨 9에서 단 분리부터 하강 시험의 열화상 영상. 1단계가 2단계 배기 가스 밖으로 기동하는 영상, 약 140 km (87 mi)의 최고 고도 근처에서 활공하는 영상, 하강 범위를 제한하기 위한 부스트백 연소, 재진입 연소 준비, 그리고 약 70km에서 40km 고도까지의 재진입 연소 영상이 포함된다. 저고도에서 구름이 적외선 영상을 가렸기 때문에 해수면 근처의 착륙 연소는 포함되지 않는다.

모든 우주발사체와 일부 재사용 가능한 우주선은 대기를 통과하는 동안 공기역학적 비행 하중을 처리하도록 설계되어야 한다.

많은 우주발사체는 비행 시험을 거치며, 특정 우주발사체 설계의 초기 궤도 발사에서는 상당히 광범위한 데이터 수집 및 분석이 이루어진다. 재사용 가능한 우주선 또는 재사용 가능한 부스터 시험 프로그램은 훨씬 더 복잡하며 일반적으로 전통적인 항공기 시험의 완전한 포락선 확장 패러다임을 따른다. 이전 및 현재 시험 프로그램에는 우주왕복선의 초기 낙하 시험, X-24B, 스페이스십투, 드림 체이서,^[1] 팰컨 9 시제품,^[2]^[3] OK-GLI, 그리고 SpaceX 스타십 시제품이 포함된다.

비행 시험 절차

비행 시험은 일반적으로 비수익성 비행의 한 종류로 분류되지만, SpaceX는 수익성 발사에서도 귀환하는 부스터 비행의 임무 후 단계에 대한 광범위한 비행 시험을 수행했으며, 이는 통계적으로 사고 또는 심각한 사고의 위험이 더 높은 경향이 있다. 이는 주로 새로운 항공기 또는 우주발사체의 조종 특성에 대한 미지수와 확립된 운영 절차의 부족 때문이며, 시험 조종사의 훈련이나 비행 승무원의 경험이 부족할 경우 악화될 수 있다.^[4] 이러한 이유로 비행 시험은 준비, 실행, 분석 및 보고의 세 단계로 신중하게 계획된다.

준비

상업용 및 군용 항공기, 우주발사체 모두 비행 시험 준비는 시험 차량이 비행할 준비가 되기 훨씬 전에 시작된다. 처음에는 시험해야 할 내용이 정의되고, 그에 따라 비행 시험 엔지니어가 시험 계획을 준비한다. 이는 기본적으로 비행할 특정 기동(또는 작동할 시스템)이다. 단일 시험은 시험점(Test Point)으로 알려져 있다. 새로운 항공기에 대한 완전한 인증/자격 비행 시험 프로그램은 많은 항공기 시스템 및 비행 조건에 대한 시험을 필요로 하며, 각 시험은 일반적으로 별도의 시험 계획에 문서화된다. 총체적으로 인증 비행 시험 프로그램은 약 10,000개의 시험점으로 구성될 것이다.

항공기의 단일 시험 비행을 준비하는 데 사용되는 문서는 시험 카드(Test Card)라고 한다. 여기에는 비행할 시험점에 대한 설명이 포함된다. 비행 시험 엔지니어는 가능한 경우 모든 시험 계획의 유사한 시험점을 동일한 비행에서 비행하려고 한다. 이를 통해 최소한의 비행 시간으로 필요한 데이터를 얻을 수 있다. 비행 시험 과정을 제어하는 데 사용되는 소프트웨어는 비행 시험 관리 소프트웨어(Flight Test Management Software)로 알려져 있으며, 비행 시험 엔지니어가 비행할 시험점을 계획하고 필요한 문서를 생성하는 데 도움을 준다.

비행 시험 데이터 요구 사항이 확정되면, 항공기 또는 우주발사체에는 분석을 위해 데이터를 기록하기 위한 데이터 수집 시스템 (DAS) 또는 데이터 수집 장치 (DAU) 및 센서가 장착된다. 대형 항공기의 비행 시험 중 기록되는 일반적인 계측 매개변수는 다음과 같다.

대기(정압) 압력 및 온도;
동압("총압") 압력 및 온도, 동체 주변의 다양한 위치에서 측정됨;
날개 및 동체의 구조적 하중, 진동 수준 포함;
항공기 자세, 받음각, 및 미끄럼각;
6자유도 모두의 가속도, 항공기 내 여러 위치에 있는 가속도계로 측정됨;
소음 수준 (내부 및 외부);
내부 온도 (객실 및 화물칸);
항공기 조종 편향 (조종간/요크, 방향타 페달, 스로틀 위치);
엔진 성능 매개변수 (다양한 단계에서의 압력 및 온도, 추력, 연료 소모율).

이전 시험에서 행동이 결정된 특정 교정 장비는 항공기에 내장된 프로브를 보완하기 위해 탑재될 수 있다.

비행 중에는 이러한 매개변수가 속도, 고도, 중량, 무게 중심 위치와 같은 관련 항공기 성능 매개변수를 계산하는 데 사용된다.

비행 시험의 특정 단계, 특히 새로운 항공기 개발 초기 단계에서는 많은 매개변수가 비행 중에 지상으로 전송되어 비행 시험 엔지니어 및 시험 지원 엔지니어에 의해 모니터링되거나 후속 데이터 분석을 위해 저장된다. 이는 안전 모니터링을 제공하고 획득되는 데이터의 실시간 및 전체 시뮬레이션 분석을 가능하게 한다.

실행

항공기 또는 우주발사체가 완전히 조립되고 계측되면, 수많은 시간 동안 지상 시험이 수행된다. 이를 통해 기본 항공기 운용, 비행 제어, 엔진 성능, 동적 시스템 안정성 평가 등 다양한 측면을 탐색할 수 있으며, 구조적 하중을 처음으로 확인할 수 있다. 그런 다음 차량은 처녀 비행을 진행할 수 있는데, 이는 모든 항공기 또는 우주발사체 개발 프로그램의 주요 이정표이다.

비행 시험 프로그램에는 여러 측면이 있다. 그 중에는 다음이 포함된다.

조종 특성, 이는 비행 범위 전체에 걸쳐 항공기의 조종성 및 조종사 입력에 대한 반응을 평가한다.
성능 시험은 속도, 범위, 사용 가능한 동력, 항력, 기류 특성 등 예상되는 능력과 관련하여 항공기를 평가한다.
공탄성/플러터 안정성은 항공기 제어 및 구조의 공기역학적(즉, 공기 유발) 하중에 대한 동적 반응을 평가한다.
항공전자/시스템 시험은 모든 전자 시스템(항법, 통신, 레이더, 센서 등)이 설계대로 작동하는지 확인한다.
구조적 하중은 비행체, 동적 부품 및 제어 장치에 가해지는 응력을 측정하여 모든 비행 영역에서 구조적 무결성을 확인한다.

군용 항공기에 특화된 시험은 다음과 같다.

무기 투하, 이는 기내 시스템을 사용하여 조종사가 목표를 획득하고 무장을 목표에 정확하게 투하하는 능력을 평가한다.
무장이 항공기를 떠날 때의 분리를 평가하여 안전 문제가 없는지 확인한다.
공중 급유;
레이더/적외선 신호 측정;
항공모함 작전.

비상 상황은 모든 비행 시험 프로그램의 정상적인 부분으로 평가된다. 예를 들어, 다양한 비행 단계(이륙, 순항, 착륙) 중 엔진 고장, 시스템 고장, 제어 장치 성능 저하 등이 있다. 전체 운용 포락선(허용 총 중량, 무게 중심, 고도, 최대/최소 속도, 기동 등)은 비행 시험 중에 설정되고 검증된다. 항공기는 항상 비행 매뉴얼에 허용된 정상 운용 한계를 넘어 안전한 것으로 입증된다.

비행 시험 프로그램의 주요 목표는 정확한 엔지니어링 데이터를 수집하는 것이며, 종종 완전히 입증되지 않은 설계에 대한 데이터이기 때문에 비행 시험 항공기를 조종하려면 높은 수준의 훈련과 기술이 필요하다. 따라서 이러한 프로그램은 일반적으로 특별히 훈련된 테스트 파일럿에 의해 비행되며, 데이터는 비행 시험 엔지니어에 의해 수집되고, 종종 비행 시험 계측기를 사용하여 테스트 파일럿 및 비행 시험 엔지니어에게 시각적으로 표시된다.

분석 및 보고

여기에는 인증을 위한 비행 분석이 포함된다. 비행의 모든 미세한 부분을 확인하여 비행의 내부 및 외부 부분을 분석한다. 보고는 분석된 데이터 결과를 포함한다.

서론 항공기 성능은 이륙, 상승, 순항, 가속도, 감속, 하강, 착륙 및 기타 기본 전투 기동 등 다양한 임무를 수행한다.

비행 시험 후, 항공기는 FAA의 FAR, 유럽 항공 안전청의 인증 사양(CS) 및 인도의 항공 직원 준수 및 요구 사항과 같은 규정에 따라 인증되어야 한다.

1. 비행 성능 평가 및 문서화

비행 데이터 처리에는 필터링, 바이어스 보정 및 비행 경로를 따른 해상도(궤적)가 포함된다.
비행 시험 데이터에서 임무 구간 분석.
성능 사이클 덱(PCD)을 사용한 추력 추정.
비행 중 추력 덱(IFTD)을 사용한 비행 중 추력 계산.
표준 절차에 따른 비행 성능 문서화.
항공기 성능 모델 검증 및 업데이트.

2. 표준 조건으로의 비행 성능 감소

국제 표준 대기 조건(ISA)을 사용한 항공기 성능 모델 추정.
표준 질량, 고도, 속도, 스로틀 설정 등을 개별적으로 통합하여 비표준(시험된) 조건을 연구한다.
개별 효과는 시험된(비표준) 조건에 추가되어 인증을 위한 국제 표준 대기 조건에서의 성능을 얻는다.
이륙 및 착륙의 경우 바람의 영향도 고려된다.

3. 운용 데이터 매뉴얼(ODM)을 위한 성능 차트 준비 및 검증

성능 차트는 조종사가 항공기의 이륙, 상승, 순항 및 착륙 성능을 예측할 수 있도록 한다. 제조업체에서 제공하는 이 차트는 항공기 비행 매뉴얼/POH에 포함되어 있다. 제조업체가 이 차트에 제공하는 정보는 새로운 항공기에서 평균 조종 기술을 사용하고 항공기 및 엔진이 양호한 작동 상태일 때 정상 작동 조건에서 수행된 시험 비행에서 수집되었다. 엔지니어는 비행 데이터를 기록하고 시험 비행 중 항공기의 행동을 기반으로 성능 차트를 생성한다. 이 성능 차트를 사용하면 조종사는 이륙 및 착륙에 필요한 활주로 길이, 비행 중 사용할 연료량 및 목적지에 도착하는 데 필요한 시간을 결정할 수 있다. 항공기가 양호한 작동 상태가 아니거나 불리한 조건에서 작동할 경우 차트의 데이터는 정확하지 않을 것이다. 항공기가 양호한 작동 상태가 아니거나 조종 기술이 평균 이하인 경우 성능 수치를 보상해야 할 필요성을 항상 고려해야 한다. 각 항공기는 다르게 작동하므로 다른 성능 수치를 가진다. 모든 비행이 다르므로 모든 비행 전에 항공기의 성능을 계산해야 한다.

모든 차트는 특정 조건을 기반으로 하며 비행 조건에 맞게 정보를 조정하는 방법에 대한 메모를 포함한다. 모든 차트를 읽고 사용하는 방법을 이해하는 것이 중요하다. 제조업체에서 제공하는 지침을 읽으십시오. 차트 사용 방법에 대한 설명은 제조업체에서 해당 특정 차트에 대해 제공하는 예제를 참조하십시오.

제조업체가 제공하는 정보는 표준화되어 있지 않다. 정보는 표 형식으로 포함될 수도 있고 그래프 형식으로 포함될 수도 있다. 때로는 결합된 그래프가 두 개 이상의 그래프를 하나의 차트에 통합하여 여러 비행 조건을 보상하기도 한다. 결합된 그래프는 조종사가 밀도 고도, 중량 및 바람의 변화에 대한 항공기 성능을 하나의 차트에서 예측할 수 있도록 한다. 이 유형의 차트에서 추출할 수 있는 방대한 정보 때문에 차트를 읽는 데 매우 정확해야 한다. 처음의 작은 오류가 결국 큰 오류로 이어질 수 있다.

이 섹션의 나머지 부분에서는 일반적인 항공기 성능 정보에 대해 다루고, 차트가 어떤 정보를 포함하고 직접 읽기 및 보간 방법을 통해 차트에서 정보를 추출하는 방법을 설명한다. 모든 차트는 비행 계획을 세울 때 사용해야 할 풍부한 정보를 포함한다. 비행의 모든 측면에 대한 표, 그래프 및 결합된 그래프 형식의 예제가 논의될 것이다.

보간 차트의 모든 정보를 쉽게 추출할 수 있는 것은 아니다. 일부 차트는 특정 비행 조건에 대한 정보를 찾기 위해 보간이 필요하다. 정보를 보간한다는 것은 조종사가 알려진 정보를 통해 중간 정보를 계산할 수 있다는 것을 의미한다. 그러나 조종사는 때때로 차트의 값을 더 보수적인 수치로 반올림한다. 약간 더 불리한 조건을 반영하는 값을 사용하면 성능 정보에 대한 합리적인 추정치를 제공하고 약간의 안전 여유를 준다. 다음 그림은 이륙 거리 차트에서 정보를 보간하는 예시이다.

광범위한 대기 조건, 비행 및 엔진 매개변수에 대한 모델 추정.
항공기 성능을 예측하기 위한 모델 추정에서 차트 및 테이블 준비 및 검증.
이는 조종사가 효과적이고 안전하게 운항하고 성능 비교를 수행할 수 있도록 할 것이다.

비행 시험 팀

비행 시험 팀의 구성은 조직 및 비행 시험 프로그램의 복잡성에 따라 달라지겠지만, 일반적으로 모든 비행 시험 조직에 참여하는 몇 가지 주요 인력이 있다. 비행 시험 팀의 리더는 일반적으로 비행 시험 엔지니어(FTE) 또는 실험적인 테스트 파일럿이다. 다른 FTE 또는 조종사도 참여할 수 있다. 다른 팀원은 비행 시험 계측 엔지니어, 계측 시스템 기술자, 항공기 정비 부서(정비사, 전기 기술자, 항공전자 기술자 등), 품질/제품 보증 검사관, 지상 기반 컴퓨팅/데이터 센터 인력, 그리고 물류 및 행정 지원 인력이다. 다양한 다른 분야의 엔지니어는 특정 시스템의 시험을 지원하고 전문 분야에 대해 획득한 데이터를 분석할 것이다.

많은 항공기 개발 프로그램이 정부 군사 서비스에 의해 후원되므로, 군인 또는 정부 고용 민간 조종사 및 엔지니어가 종종 비행 시험 팀에 통합된다. 정부 대표는 프로그램 감독을 제공하고 데이터를 검토하고 승인한다. 정부 테스트 파일럿은 실제 시험 비행, 심지어는 첫 비행/처녀 비행에도 참여할 수 있다.

같이 보기

각주

↑ “Sierra Nevada's Dream Chaser spacecraft tested at Broomfield airport”. dailycamera.com. 2012년 5월 29일. 2012년 5월 31일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 5월 29일에 확인함.
↑ Lindsey, Clark (2013년 3월 28일). “SpaceX moving quickly towards fly-back first stage”. 《NewSpace Watch》. 2013년 4월 16일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2013년 3월 29일에 확인함.
↑ “Reusable rocket prototype almost ready for first liftoff”. Spaceflight Now. 2012년 7월 9일. 2012년 7월 15일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 7월 13일에 확인함.
↑ “Mitigating Risk for Non Standard Flights”. 2009년 5월 20일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 1월 31일에 확인함.
↑ AGARD-AG-160-VOL-2, AGARD flight test instrumentation series. Volume 2: In-flight temperature measurements, p.30

추가 자료

Stephen Corda: Introduction to Aerospace Engineering with a Flight Test Perspective. Wiley, 2017, ISBN 978-1-118-95336-5.

외부 링크

위키미디어 공용에 비행 시험 주제와 관련된 미디어 분류가 있습니다.

실험 테스트 파일럿 학회
비행 시험 엔지니어 학회
비행 시험 안전 위원회
호주 비행 시험 학회
비행기 안정성 및 제어
NASA 비행 시험 소개
크랜필드 대학교 비행 역학 주제 목록
CAFE 재단 일반 항공기 비행 시험 보관됨 24 1월 2001 - 웨이백 머신
(링크 수정됨) 현재 많은 비행 시험 프로그램 (독일어) 출처: FliegerWeb.com
비행 훈련 프로그램 모듈 보관됨 17 9월 2017 - 웨이백 머신

[bdc20120529-1] “Sierra Nevada's Dream Chaser spacecraft tested at Broomfield airport”. dailycamera.com. 2012년 5월 29일. 2012년 5월 31일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 5월 29일에 확인함.

[nsw20130328-2] Lindsey, Clark (2013년 3월 28일). “SpaceX moving quickly towards fly-back first stage”. 《NewSpace Watch》. 2013년 4월 16일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2013년 3월 29일에 확인함.

[sfn20120709-3] “Reusable rocket prototype almost ready for first liftoff”. Spaceflight Now. 2012년 7월 9일. 2012년 7월 15일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2012년 7월 13일에 확인함.

[4] “Mitigating Risk for Non Standard Flights”. 2009년 5월 20일에 원본 문서에서 보존된 문서. 2011년 1월 31일에 확인함.

[5] AGARD-AG-160-VOL-2, AGARD flight test instrumentation series. Volume 2: In-flight temperature measurements, p.30

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