Korea Aerospace-Net 구축 기획 보고서

(1)

(2)

(3)

ii

-연구 범위 및 내용

▣

연구 환경의 변화와 항공우주 e-Science 적용 사례 분석 ○ 국내 우주항공분야의 기술현황 분석 ○ 구축 방안 도출 Korea-Aerospace-Net ○ 우주항공 비행체 항공기 위성 미사일 별로 개발단계를 분석 정립( , , ) , • 각 분야별로 개발 단계별(ex. 개념설계 기본설계, ...)로 기술, S/W, 장비, DB 등 필요 • 한 요소 도출 개발 단계별 S/W, 장비, DB등을 사용한 작업 산출물 정의 및 산출물 사이의 연관관 • 계 정리 분산된 컴퓨팅 자원을 초고속 네트워크로 연결하는 그리드 환경 조성 방안 수립 • ○ S/W 분류별 기 개발 S/W의 웹 서비스화 및 미개발 S/W 개발 및 웹 서비스화 방안 분석 의 활용방안 연구 Korea Aerospace-Net ○ 항공기 미사일 항공전자 위성체 그리고 설계분야별 활용 시나리오 작성, , , , •

국내 외 항공우주

,

e-Science

현황

▣

미국 NASA의 IPG(Information Power Grid) 연구

○ 발사체 및 항공기의 통합해석에 적용 • 영국 ○ 항공기 엔진들의 DAME(A Distributed Aircraft Engine Maintenance Environment):

•

원격 상태 모니터링 시스템을 구현

공학 GEODISE(Grid Enabled Optimisation and Design Search for Engineering): •

디자인 및 최적화의 해석 및 데이터 집약적 특성으로 인해 그리드를 활용환경 구축 유럽

○

SIMDAT(Data Grids for Process and Product Development using Numerical •

Simulation and Knowledge Discovery) 일본

○

차세대 항공기설계 등의 분야에서 공 ITBL (Information Technology Based Lab.):

• 동이용 가능한 그리드 기반의 가상 연구 환경 국내 ○ 환경에서의 분야 통합 연구 수치풍동 시스템 e-Science ST :e-AIRS, • 차세대 회전익항공기 통합개발 환경구현 e-Rotorcraft: •

항공우주 가상 항공우주 구조 기술 (Cyber Structures Technology) 개발

(4)

(5)

(6)

(7)

vi

-구성 및 추진

Aerospace-Net

▣

센터 Aerospace-Net ○ • Aerospace-Net의 서비스 환경 구축 핵심, S/W 개발 및 기술지원 • 그리드 컴퓨팅 환경 구축을 위한 슈퍼컴퓨터 및 초고속네트워크 지원 • 실험 및 해석 데이터의 DB화 • 통합적 설계 및 최적화 기술 제공 • IT 기반 통합시스템 개발 환경 구현 관리/ 시험평가 비행체 개발 센터/ : 연구소 및 산업체 ○ • 대규모 시험 장비 구축 및 운영 • 실험 데이터의 DB 구축 • 시험기술 개발 및 지원 • Aerospace-Net을 실제 비행체 개발에 적용하여 사용 전산해석 기술 센터 : 대학연구실 ○ • 비행체별 개발 방법론 정립 • 설계분야별 설계 해석 Tool 개발 정립 및 제공 • 실험DB, 설계 해석 DB를 이용한 전문분야별 설계해석 환경구현 및 제공

• 전산유체역학 (CFD), 전산구조해석(FEM), 추진해석 (Prop. & Comb.) 등의 고정확도

설계 해석 수행 및 서비스 제공 High Fidelity)

추진일정

▣

의 단계 년 연구로 진행 2+3 2 5 ☞ ○ 1단계 년(2 ) • 지역 거점 HUB 중심의 설계 및 해석 시험 기술의 분야별 개발 및 정립,

• CFD/FEM/Dynamics 등 고정도 (High Fidelity) 해석과 전산형상설계에 기반한 시스템

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

xiv

-표

목

차

표 주요 우주항공기 체계개발사업 기간 및 연구개발비 < 1-1> ··· 5 표 그리드의 구조와 내용 < 2-1> ··· 17 표 그리드 구축의 특징 < 2-2> ··· 18 표 국내 슈퍼컴퓨팅 및 고성능 클러스터 자원현황 < 2-3> ··· 24 표 국내 백본 구성 현황 < 2-4> ··· 26 표 의 사양 < 2-5> KISTI CAVE ··· 28 표 의 사양 < 2-6> KISTI Onyx3400 ··· 28 표 의 가시화 클러스터 사양 < 2-7> KISTI ··· 28 표 의 사양

< 2-8> KISTI Tiled Display ··· 29

표 국내 우주항공 비행체 개발의 어려움 및 문제점 < 4-1> ··· 47 표 자체 개발 해석자에 포함된 주요 수치 기법 < 4-2> Navier-Stokes ··· 54 표 국내 공력 연구를 위한 주요 풍동 현황 < 4-3> ··· 56 표 항공우주 구조 분야 시험장비 < 4-4> ··· 81 표 국내 항공전자장비 개발 현황 < 4-5> ··· 96 표 항공전자 분야의 국내 기술수준 < 4-6> ··· 96 표 항공우주연구원의 인공위성 시험장비 < 4-7> ··· 113 표 민수용 전환 개발이 필요한 군용기 개발 소프트웨어 < 5-1> ··· 135 표

< 5-2> Building Block Test ··· 154

표 항공우주 가상 구조 설계 개발 기술 분야

< 5-3> / ··· 158

표 우주 왕복선 표준 임무 프로파일

(16)

xv

-그

림

목

차

그림 국내 항공기 개발 발전 방향 < 1-1> ··· 4 그림 국내 위성개발 발전 방향 < 1-2> ··· 4 그림 초음속 고등훈련기 개발을 통한 항공기 개발기술 확보 수준 < 1-3> ··· 5 그림 < 1-4> Korea Aerospace-Net을 활용한 차세대 우주항공 비행체 설계 비전··· 8 그림 가상조직의 중심인 그리드 < 2-1> ··· 15 그림 그리드의 비전 < 2-2> ··· 16 그림 그리드의 일반적 구조 < 2-3> ··· 17 그림 인터넷의 진화 < 2-4> ··· 20 그림 웹서비스의 아키텍처 < 2-5> ··· 21 그림 웹서비스 프레임워크 < 2-6> ··· 21 그림 슈퍼컴퓨팅 활용 난류 경계층 유동과 벽면 마찰력 연구 < 2-7> - ··· 25 그림 슈퍼컴퓨팅 활용 경비행기 구조해석 및 설계 < 2-8> - ··· 25 그림 초고속연구망 백본 구성도 < 2-9> (KREONET) ··· 26 그림 국제 망 구조 < 2-10> GLORIAD ··· 27 그림 구성도 < 3-1> NASA IPG ··· 33 그림 포털의 구조도 < 3-2> DAME ··· 34 그림 환경 < 3-3> GEODISE e-Science ··· 35 그림 구현도 < 3-4> GEWiTTS ··· 36 그림 항공 분야의 프로토타입 구조 < 3-5> ··· 37 그림 사업 구성도 < 3-6> ITBL ··· 38 그림 그림 구조 < 3-7> 3-6 e-AIRS ··· 39 그림 수치풍동 시스템을 이용한 연구 흐름도 < 3-8> ··· 40 그림 원격 풍동실험 요청시스템을 이용한 연구 흐름도 < 3-9> ··· 40 그림 을 이용한 연구 흐름도

< 3-10> PSS(Parametric Service System) ··· 41

(17)

(18)

xvii -그림 해성 함대함 미사일 체계 < 4-35>SSM-700K( -1) ··· 125 그림 항공기 주요 개발 단계 < 5-1> ··· 131 그림 항공기 개발단계별 주요 업무 및 필요 소프트웨어 구분 < 5-2> ··· 131 그림 개념 기본설계 단계의 항공기 형상 개발 과정 < 5-3> / ··· 132 그림 을 이용한 항공기 기체 시스템 상세 설계 < 5-4> Digital Mock Up / ··· 133 그림 항공기 기체 구조물의 상세 설계 해석 < 5-5> / ··· 133 그림

< 5-6> Modeling & Simulation 기반의 통합시험평가(Integrated Test & Evaluation) ··· 134 그림 역사를 통해 고찰한 항공기개발 패러다임의 변화 < 5-7> Skunk Works · 136 그림 군용기 개발 절차와 민항기 형식증명 절차의 비교 < 5-8> ··· 136 그림 위성시스템 설계절차 개념 < 5-9> ··· 137 그림 < 5-10>시스템 엔지니어링 절차 ··· 137 그림 위성시스템 설계절차 < 5-11> ··· 138 그림 다목적 실용위성 호 < 5-12> 5 ··· 138 그림 인공위성개발 단계별 주요업무 < 5-13> ··· 139 그림 인공위성 시스템설계용 통합소프트웨어 구성 < 5-14> ··· 140 그림 고급해석용 표준 예 < 5-15> S/W ( : STK/AGI) ··· 140 그림 인공위성 시험분야 < 5-16> ··· 141 그림 인공위성 자료 활용분야 < 5-17> ··· 141 그림 미사일 개발 과정 < 5-18> ··· 142 그림 공력 추진 및 열해석 분야 구조도 < 5-19> , ··· 144 그림 유도 항법 제어 분야 구조도 < 5-20> / / ··· 151 그림 비행제어시스템 개발 프로세스 모형 < 5-21> (Level 1) ··· 153 그림

< 5-22>Pyramid of test from MIL_HDBK_17 ··· 155

(19)

xviii -그림 항공전자시스템 개발 프로세스 < 5-30> ··· 166 그림 항공전자시스템 통합과정 안 < 5-31> ( ) ··· 167 그림 하드웨어 개발 프로세스 < 5-32> ··· 168 그림 소프트웨어 개발 프로세스 < 5-33> ··· 170 그림 항공전자 통합개발 인프라 개념도 < 5-34> ··· 171 그림 요소 기능

< 5-35>Globus Toolkit 4 (www.globus.org) ··· 176

그림 요소 기능 < 5-36>gLite (http://glite.web.cern.ch/glite/) ··· 176 그림 기반의 항공 우주 수치 풍동 포탈 < 5-37>e-Science ··· 177 그림 워크 플로우 기반의 헙업 및 데이터 공유 개념 < 5-38> ··· 178 그림

< 5-39>simple computational collaborations ··· 179

그림 그리드 미들웨어 < 5-40> ··· 181 그림 지식기반의 통합 개발 연구 환경 구조 < 5-41> ··· 185 그림 효과적인 워크플로우 작성 < 5-42> ··· 190 그림 워크플로우 권고 서비스의 구조 < 5-43> ··· 192 그림 위성체 통합 인프라 개념도 < 6-1> ··· 202 그림 한국항공우주연구원 우주시험센터 < 6-2> ··· 203 그림 위성시험을 위한 적용 순서 < 6-3> Aerospace-Net ··· 204 그림 위성시험을 위한 활용 < 6-4> Aerospace-Net ··· 204 그림 소형항공기 대상 기종 검토 < 6-5> ··· 205 그림 소형항공기 개발 사양 안 < 6-6> ( ) ··· 206 그림 민항기 개발을 위한 국내 미경험 기술 분야 < 6-7> ··· 208 그림 인승 중형항공기 < 6-8> 50~100 ··· 209 그림 비행체 형상개발 통합 시스템 개념도 < 6-9> ··· 209 그림 활용 개념도 < 6-10>Korea Aerospace-Net ··· 213 그림

< 6-11>Korea Aerospace-Net Work Flow ··· 214

그림 계층별 구조

< 6-12>Korea Aerospace-Net ··· 215

그림 조직도

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

(25)

개요 . Ⅰ

6

사례 1: International Rotorcraft Hub

(26)

(27)

(28)

개요 . Ⅰ 9 우주항공은 첨단기술 시스템의 종합 체계 산업으로 다양한 분야 단계에서 시스템/ 통합과 실시간 협업 능력이 산업 발전의 핵심이 됨 산 학 연 전문 인력과 자원을 최대한 활용하는/ / IT기반 통합 개발 환경을 구축함으 로써 우주항공 비행체의 설계 시간 단축과 개발 비용의 획기적 절감을 실현 가능 ○ 우주항공산업은 국가의 기간산업으로 인식되어 정부차원에서 그동안 많은 투자와 연 구개발이 이루어져 왔으며 최근에는 국내의 기술로 위성 전투기 헬리콥터 등을 개, , , 발 혹은 개발 중임 ○ IT 분야의 비약적인 발전으로 인하여 우주항공분야도 많은 변화들이 일어나고 있음. 특히 IT 인프라를 우주항공산업에 접목함으로써 비행체의 개발주기를 단축 하면서도 고정밀의 분석과 설계가 가능하게 되었음 기반 항공기 가상설계 미국 로 프로토타입 비용 절약 IT (Boeing, ) 50% 기반 가상현실 협업설계 브라질 로 설계과정

IT (Reality Center Embraer, ) 37%

단축

기반 설계로 단축 발표자료

IT Rotordynamics 8 hrs → 12 min (SGI , 2001)

○ 이미 우주항공분야의 선진국들은 최첨단 IT기술을 기반으로 진보된 통합개발환경(ex.

미국 NASA의 IPG : Information Power Grid)을 구축하고 활용하여 경쟁력을 유지

(29)

(30)

개요 . Ⅰ 11

연구 범위 및 내용

3. 연구 환경의 변화와 항공우주

e-Science

적용 사례 분석

○ Korea Aerospace-Net의 환경이 되는 e-Science기반의 차세대 연구 환경 조사

(31)

(32)

(33)

(34)

(35)

(36)

(37)

-를 이용한 연구 환경의 변화 . IT

Ⅱ

18

현재 주로 사용되는 그리드 미들웨어로는 Globus

○ 2)_{, Legion}3)_{, Condor}4)_{, Cactus}5) _등

이 있음 여기에는 다양한 이기종 컴퓨팅 자원 이용에 따른 정보의 호환성 문제 자원. , 관리의 어려움 어플리케이션 개발의 어려움 시스템 개발 시 통합의 어려움 등의 문, , 제점이 존재하고 있으며 이를 해결하기 위해 미들웨어의 표준화가 진행되고 있음, 표 그리드 구축의 특징 < 2-2 > 구분 특징 그리드내의 자원이 다양하다 여러 기관에 흩어져 있는 서로 다른 자원들은 다양한 형태로 존재함 컴퓨 - . 터 구조 기종 및 운영체제 등이 서로 다를 수 있음 자원들의 이질적인 면, . 은 통신 비용의 증가를 야기하기 때문에 고성능 컴퓨팅을 위해 극복되어야, 함 그리드 환경은 때에 따라 커질 수 있고 작아질 수도 있다 자원들이 그리드에 연결될 때 수백만 개로 늘어날 수 있음 그리드의 크기 - . 가 커질수록 로드 밸런싱 및 네트워크 문제로 인한 성능 저하를 극복해야 함 - 그리드 환경에서 어플리케이션은 지역적으로 떨어져 있는 자원을 효 율적으로 동시에 사용하기 위해 설계돼야 함 그리드 환경은 사용자에게 안정적인 서비스를 해야 한다. 그리드 환경에서는 연결된 자원들이 아주 많기 때문에 자원들 중 일부는 -사용 중에 고장으로 인해 -사용불가 상태로 들어갈 수도 있으며 자원을 소, 유한 기관의 상황에 따라 사용을 제한할 수 있음 이를 극복하기 위해 자원. 관리기나 어플리케이션은 사용 가능한 자원에서 최대의 성능을 얻기 위해 동적으로 환경 변화에 대처해야 함

2) The Globus Project, http://www.globus.org/

3) Legion - World-Wide Virtual Computer, http://www.cs.virginia.edu/~legion/ 4) Condor, http://www.cs.wisc.edu/condor/

5) The Cactus Code Server, http://www.cactuscode.org/

(38)

를 이용한 연구 환경의 변화 . IT Ⅱ 19

▣

그리드 서비스 및 사용자 환경 그리드가 제공해야 하는 서비스는 일반적으로 분류하면 유휴 자원을 찾아내는 자원 ○ 검색 서비스 작업들의 분산 및 처리 순서를 결정하는 스케줄링 서비스 시스템 안정, , 을 위한 그리드 보안 서비스 컴퓨팅 자원을 사용함으로써 발생하는 비용 처리를 위, 한 사용자 서비스 등이 있음 그리드는 단지 초대형 문제를 해결하기 위해 계산 자원을 제공하는 것만은 아님 이. ○ 것은 고성능 실험장비 관측장비 슈퍼컴퓨터 뿐만 아니라 개인용 컴퓨터까지 다양한, , 자원을 전 세계적으로 연결하는 인프라임 이와 같이 그리드가 확장돼 나간다면 이들. 자원을 필요로 하는 모든 사용자에게 보편적인 서비스로 제공될 것임 그리드에 대한 내부적인 지식을 쌓거나 새로운 기술에 대한 습득이 어려운 사용자 보( ○ 통 응용 분야의 과학자나 공학자 들을 위해 그리드 사용자 환경을 제공하는 대표적인)

것이 PSE(Problem Solving Environment)와 그리드 포털(Grid Portal)임

는 특정 분야에서 사용자의 문제를 풀기 위해 필요한 기술이나 정보 등을 제공해 PSE ○ 쉽고 편하게 문제를 해결할 수 있도록 도와주는 제반 환경(environment)을 제공하는 컴퓨터 시스템임 제반 환경이란 문제를 풀기 위해 필요한 모든 자원을 의미하며 컴퓨터 네트워크 실, , , ○ 험 장치 등의 물리적인 자원뿐만 아니라 프로그램 알고리즘 데이터 등의 논리적인, , 자원도 포함함

웹서비스

1.2 (WebService)

▣

인터넷과 웹 인터넷과 웹은 이미 광범위하게 보급되고 있고 오늘날 많은 연구원들은 전자우편과, ○ 웹을 떠날 수 없게 되었음 또 보통 실험실도 상당히 큰 계산능력과 저장능력을 갖고. 있으며, WAN의 대역폭이 Gbps에 도달하고 있고 표준화된 정보교환과 자원을 공유, 할 수 있게 되고 있음 인터넷은 e-Science 핵심기술로써 새로운 분야로 접목을 시도하고 발전을 거듭하면 ○ 서 재창조되고 있음

수요와 응용의 요구에 의한 인터넷의 진화는 웹서비스(Web Services), 그리드(Grid),

○

(39)

를 이용한 연구 환경의 변화 . IT

Ⅱ

20

퍼베이시브 컴퓨팅 자율 컴퓨팅

(Ubiquitous cmomuting), (Pervasive Comouting),

유틸리티 컴퓨팅 플래니터리 스케일

(Autonomic Computing), (Utility Computing),

컴퓨팅(Planetary Scale Computing)등으로 나타나고 있음

그림 2-4 인터넷의 진화 출처 이강찬( : , 2002) 미국 유럽 및 일본 등 주요 선진국에서는, IT 사회간접자본(SOC)을 활용하여 인터넷 ○ 가상공간의 주도권을 확보하면서 그리드와 같은 차세대인터넷 서비스를 통해 과학기 술의 가속화 고도화를 목적으로․ e-Science 실현 프로젝트를 범정부적 차원에서 집중 적으로 수립 추진하고 있음․ 인터넷이 다시 과거의 실험실 중심의 폐쇄적 연구개발 체제를 개방형 체제로 전환시 ○ 켜 연구개발의 생산성 향상과 국가경쟁력 제고를 위한 과학기술 혁신시스템으로 활용 되고 있는 것임 반면 우리나라는 그 중요성에서도 불구하고 과학기술 혁신시스템에. 서 인터넷의 활용은 상대적으로 소홀히 되어 왔음

▣

웹서비스(Web Services)6) 인터넷이 보편화된 이후 웹은 급속도로 발전하기 시작했고 과거에는 웹을 통해 정보, ○ 를 수집하는 단계였다면 지금은 웹과 비즈니스 시스템을 통합하는 단계까지 이르렀, 으며 이후에는 비즈니스 수행 방식을 변화시키는 단계로 나아가고 있음, 웹서비스는 인터넷상에서 단일 기업 또는 다수 기업간에 기존 컴퓨터 시스템 프로그 ○ 램을 XML7)_{을 기반으로 상호 연동시키는 표준화된 소프트웨어 기술 및 이러한 기술}

6) WebServices.Org - The Web Services Industry Portal, http://www.webservices.org/

(40)

를 이용한 연구 환경의 변화 . IT Ⅱ 21 을 활용하여 제공하는 차세대 e-비즈니스를 말하고 기존 통합 기술들의 단점을 해소, 하며 개별적인 어플리케이션을 저비용 고효율로 통합하는 대안으로 등장하고 있음․ 웹서비스의 아키텍쳐를 구성하고 있는 기본적인 표준들은 XML, UDDI ○ 8)_{, WSDL}9)_, SOAP10) _{등으로 구성되어 있음} 그림 2-5. 웹서비스의 아키텍처 일반적인 웹서비스의 프레임워크 프로세스는 1) 우선 고객이 SOAP 언어를 통해 ○ 내에 있는 웹서비스 업체를 조회하고 또는 웹서비스 위치를 확인한 UDDI , 2) WSDL 후, 3) 웹서비스의 정의를 조회하고, 4) 고객이 자신의 필요한 정의를 입력 또는 산 출한 후에, 5) 웹서비스 업체를 호출하면, 6) 웹서비스를 제공받는 흐름으로 마무리됨 그림 2-6 웹서비스 프레임워크 구조를 가진 를 개발하기 시작한 데에서 비롯되었다 은 인터넷

syntax standard markup language . XML

을 통해 교환되는 데이터의 표준언어로서 오픈 프레임워크인 웹서비스의 기반 구조를 이루고 있다.

의 잇점은 인터넷에서 사용하기 쉽다 다양한 어플리케이션을 지원할 수 있다

XML (1) (2) (3) Unicode

기반이어서 세계 각국어를 지원할 수 있다 (4) 데이터를 구조적으로 표현할 수 있다 (5) 많은 변형이

가능하면서도 사용하기 쉽다 등이다.

8) UDDI((Universal Description, Discovery and Integration)은 웹서비스의 디렉토리 서비스를 담당하게

되는데 업체가 자사의 웹서비스를 온라인 디렉토리에 등록광고하거나 외부에서 웹서비스를 검색하는데․

사용된다.

9) WSDL(Web Services Description Language)는 웹서비스의 서비스를 정의하는 언어로서 프로그램이나

인터페이스 정의 등 S/W 업체가 웹서비스를 기술할 때 사용한다.

10) SOAP(Simple Object Access Protocol)은 분산된 환경의 정보를 교환하는 통신 프로토콜로서 인터넷

(41)

를 이용한 연구 환경의 변화 . IT Ⅱ 22 과학기술 분야에서 전 세계적으로 컴퓨터의 능력을 모아 공동 활용하려는 그리드 프 ○ 로젝트는 신용카드 청구 여행예약 등과 같은 일반 사용자들에게 제공하는 서비스 측, 면에서 출발하는 웹서비스와 통합되고 있고 이는 너무나 이질적인 분야이지만 네트, 워크화된 컴퓨터들의 힘을 활용한다는 점에 있어 공통분모를 갖고 있음 웹서비스와 그리드 서비스의 궁극적인 협력은 차세대 분산 컴퓨팅 환경에서 도출할 ○ 수 있는 또 다른 거대 혁명을 불러일으킬 수 있을 것으로 기대되고 있음

지식 서비스 기반 구조

1.3

가 필요성. 우주 항공 비행체 통합 개발 환경은 응용 수준의 다양한 서비스를 포함하고 있으며, ○ 이들 서비스는 연구자가 직간접적으로 활용 가능한 전문 지식을 포함하고 있음 응용수준의 서비스란 전문 영역에 특화된 해석 방법 알고리듬 도구 장비 데이터 등, , , , • 을 말하며 해당 분야의 충분한 선험적 지식을 포괄적으로 함축, 선험적 지식은 해당 분야의 전문가로부터 획득 가능하며 테이블 규칙 텍스트 형태로, , , • 존재 지식은 초기 제공자 주로 자원 제공자 가 자발적으로 제공한 이후에도 사용자의 지속( ) • 적인 참여를 통해 점진적으로 진화하는 경향이 있음 응용 수준의 서비스에 관한 전문 지식의 공동 활용은 응용 서비스의 공유뿐만 아니라 ○ 연구 효율에 중대한 영향을 끼침 문제 해결을 위해 연구자는 서비스의 선정 및 실행 시 서비스에 대한 선험적 지식을 • 필요로 함 서비스에 관한 선험적 지식의 공동 활용은 경험이 부족한 연구자에게 전문가 수준의 • 적절한 의사 결정을 지원하고 연구 효율을 제고함 각 응용 수준의 자원에 관한 전문 지식의 체계화를 통한 지식 서비스 기반 구조 ○ 의 구축은 연구자 중심의 통합 개발 환경 구축 (Knowledge Service Infrastructure)

(42)

(43)

(44)

(45)

(46)

를 이용한 연구 환경의 변화 . IT Ⅱ 27 ○ 국제협업연구망(GLORIAD) 현황 • GLORIAD는 현재 네덜란드 러시아 중국 한국 캐나다 미국을, , , , , 1Gbps ~ 10Gbps 광링크로 잇는 링 토폴로지 형태를 갖음

• 그중 GLO-KR 은 아래 그림처럼 GLO-CN 에, 시애틀에 위치한 GLO-KR 과

의 공동 운영 네트워크 장비중 하나인 장비를 통해

GLO-CA ONS 15454 GLO-CA,

미국 시카고의 GLO-US (StarLight), 그리고 Pacific Wave에 각각 OC192

광 링크로 연결되어 있음 (10Gbps)

그림 2-10 국제 GLORIAD 망 구조

• 안정적인 회선 운영과 데이터 전송 제공방식으로 POS(Packet Over SONET),

(47)

(48)

Ⅱ

29

표 의 사양

< 2-8 KISTI Tiled Display >

프로젝터 출력방식 DLP 프로젝터 해상도  ×  설치 대수 8대 출력 프로젝터 당 1 그래픽 카드 입체영상 지원 No ○ 인하대학교 타일 가시화 장비 제원 -최대 3x4 Tile (4048x2304 pixels) Rear Screen Type

가시화 클러스터 시스템

제원

-Pentium 4 2.8GHz Up : 32 CPU Core 2 Duo E6600 2.4GHz : 64 CPU

(49)

Ⅱ

(50)

(51)

(52)

국내외 항공우주 현황 . e-Science Ⅲ 33

Ⅲ 국내외 항공우주

.

e-Science

현황

미국

1. 의

연구

NASA

IPG(Information Power Grid)

▣

○ NASA의 Langley, Ames 등 5개 연구 센터의 컴퓨터 장비들을 연동 총, 2천여 대의

컴퓨터들을 연동하여, 2001년에는 1000만개의 격자와 미지수 5000만개 수준의 해석

수행함

○ AeroDB 구축 연구를 통해 Liquid Glide-back Booster 발사체에 대한 parametric

수행 다양한 발사체 형상과 유동 조건에 대한 해석 수행 연구 센터 등

study . , Ames

개 기관의 종의 계산 자원들을 연동함

4 13

○ Tool Agent Framework 연구에서는 회수형 발사체(reusable launch vehicle)의 단

(53)

국내외 항공우주 현황

. e-Science

Ⅲ

34

○ NEES에서 portal 환경으로 사용하고 있는 CHEF는 Michigan대학에서 개발한

로서 복잡한 개발을 통해 통합한 환경을 구현함 collaborative work environment

영국

2. DAME(A Distributed Aircraft Engine Maintenance Environment)

▣

○ 2002년 1월부터 총 3년간 연구가 수행되었음 총 연구비는. £3.5 Million 규모이며,

등의 대학과

York, Sheffield, Leeds, Oxford Rolls-Royce, Data Systems and

의 회사들에서 명 이상의 연구원이 참여함

Solutions, Cybula Limited 30

○ 일반 항공기 엔진들의 원격 상태 모니터링 시스템을 구현하고자 함. DAME에서는 그

리드 기술 및 OGSA 기반의 웹 서비스 기술을 활용하여 분산된 상태 판정 지원 시스

템(Decision Support System)을 구현함

(54)

. e-Science

Ⅲ

35

GEODISE(Grid Enabled Optimisation and Design Search for Engineering)

▣

○ 공학 디자인 및 최적화의 해석 및 데이터 집약적 특성으로 인해 그리드를 활용환경 구축함 공학자들이 기존에 많이 활용하던. Matlab, Jython과 같은 환경에 그리드 해 석용 툴킷을 통합함 ○ GEODISE는 2001년 11월부터 3년간 총 £2,872,450 규모로 수행되었음. 대학 등에서 주요 기술을 개발하였고

Manchester, Oxford, Southampton , BAE

SYSTEMS, Fluent, Rolls Royce, Intel, Microsoft, Compusys, Condor,

등의 기업체에서 연구 보조 및 기술 활용을 수행하였음 Epistemics 그림 3-3 GEODISE e-Science 환경 ○ 주요 연구 목표 전산유체역학 문제를 위한 디자인 최적화 도구 데모 제공 • 그리드 컴퓨팅 기술의 도입을 통한 계산 및 데이터 자원들의 연계 • 전산유체역학의 활용을 통한 산업체 응용 문제 해석 및 adjoint 기법을 사용하는 전 • 산유체역학 디자인 최적화 해석자 개발

GEWiTTS(Grid-Enabled Wind-Tunnel Test System)

▣

○ 본 프로젝트는 그리드를 활용하여 풍동 장비의 통합 구동을 수행함 그리드 환경을.

(55)

국내외 항공우주 현황 . e-Science Ⅲ 36 ○ 원격의 가상 연구실을 구현하여 다수의 공동 연구자들이 다수의 풍동 장비를 연계 활 용함 원격 실험장비 제어 가능성 데이터 안전성 방화벽 및 신뢰성이 본 연구의 주. , , 요 쟁점임 그림 3-4 GEWiTTS 구현도 ○ 연구 목적 수치해석 및 실험 상호간 공동 연구의 시너지 효과에 대한 확증 • 풍동 데이터 획득 시스템의 원격 구동 및 가상 연구실 환경에의 접목 •

높은 데이터 비율과 결과의 원격 처리를 지원하는 PSP(Pressure Sensitive Paint) •

시스템 구현

유럽

3. SIMDAT(Data

Grids

for

Process

and

Product

Development

using

Numerical Simulation and Knowledge Discovery)

○ IST (Information Society Technologies Programme) Grid IP (Integrated Project)

의 한 프로젝트로서 에서 을 지원받아서

project EC (European Commission) 11M ￡

년 월부터 시작하여 년간 진행되고 있다 현재 와 등

2004 9 4 . Audi IBM, Intel, Oracle

약 30개의 파트너들과 협력하고 있음

○ 다른 기종과의 접속 용이성과 서비스 상호 운용성을 동시에 제공함으로써 그리드는

향상된 협업 환경과 가상조직(VO)을 가능하게 하는 대표적인 기술로 자리를 잡고 있

(56)

국내외 항공우주 현황 . e-Science Ⅲ 37 ○ 목적 • 제품 개발과 생산과정 설계를 위한 데이터 그리드 기술의 테스트와 향상 • 향상된 그리드 서비스를 이용하여 통합된 PSE(Problem-solving environments) 개발

• 분산 지식 발견 (distributed knowledge discovery)을 위한 데이터 그리드 개발

• 향상된 그리드 기술을 위한 표준화 • 중요 산업 분야들에서의 인지도를 높임 ○ 프로젝트 파트너

그림 3-5 항공 분야의 프로토타입 구조

Audi Intel GmbH

BAE SYSTEMS Limited IT Innovation

Deutscher Wetterdienst Lion Bioscience Limited

European Aeronautic Defence & Space Company LMS International N.V.

ESI Group Third party: Noesis Solutions

EMBL Météo-France

EUMETSAT MSC.Software GmbH

European Centre for Medium-Range Weather

Forecasts NEC Europe Ltd.

Fraunhofer Institute AIS Ontoprise GmbH

Fraunhofer Institute SCAI ORACLE Deutschland GmbH GlaxoSmithKline Research and Development Ltd. Renault

IBM United Kingdom Limited UK Met Office

IDESTYLE Technologies Universität Karlsruhe

InforSense Limited Université libre de Bruxelles

(57)

일본

4.

(58)

국내 기술 현황

5. 환경에서의

분야 통합 연구

e-Science

ST

▣

○ 지난 2002년부터 시행되어 오고 있는 국가 그리드 개발 사업을 통해 많은 연구 수행 • 국가 그리드 사업에서의 연구들은 계산 그리드를 활용하여 단일 연구자가 자신만의 해석자를 수행하는 방식으로 이루어져 결과의 공유나 쉬운 계산 환경 구현을 위한 연 구는 이루어지지 않음 • 이런 점에서 e-Science 환경에서 연구 수행을 위한 기반 구축이 절실 ○ e-Science 환경 구현을 위한 세부 연구 • 국내 그리드 표준화 단체인 GFK와 국가 그리드 주관 기관인 KISTI를 중심으로 그리 드 데이터 관리 기술에 대한 연구가 진행되고 있지만 관련 소프트웨어 부족 • Portal의 경우 국내에서 응용분야의 협업 환경으로 오픈 소스로 개발되고 있는 것으 로는 현재까지는 많은 기능이 제공되지 못함

(59)

국내외 항공우주 현황 . e-Science Ⅲ 40 수치풍동시스템 ○

• 일반적으로 수치 해석 시스템은 전처리(Pre process), 계산 수행(Computation), 후처

(60)

. e-Science

Ⅲ

41

PSS(Parametric Service System) ○

• Parametric Analysis 서비스를 통해 자세히 확인하고자 하는 특정 유동 범위 및 변

화 간격을 지정하게 되고 작업을 전달하면, HTC(High Throughput Computing) 방식

을 통해 해석된 추가적 결과는 결과 검증 시스템에 반영되어 최종적 결과를 도시됨

그림 3-10 PSS(Parametric Service System)을 이용한 연구 흐름도

협업시스템 ○

• 협업 시스템은 협업 토의 및 데이터 공유를 하기 위한 액세스 그리드(Access Grid)

기반의 환경과 VNC 기반의 desktop 공유 소프트웨어 환경임

(61)

e-Rotorcraft

▣

시스템 엔지니어링 및 지능형 최적설계 기술과 IT 기술의 융합을 통해 회전익 항공기 ○ 시스템을 e-Design 환경에서 구현하는 개념을 의미하며 이는 21세기의 새로운 첨단 회전익 시스템 설계 패러다임 산악지형이 많고 국토가 협소한 우리나라는 수직이착륙이 가능한 여객 화물 수송기인/ ○ 회전익기 수요가 대폭 증가할 것으로 예상됨 회전익기의 설계에는 각 분야의 다양한 설계요구를 만족시키기 위해 통합적 자동화, ○ 된 e-Rotorcraft 환경을 통한 설계 능력이 필요 의 목표 e-Rotorcraft ○

• 회전익기 설계기술 시스템 통합기술 및, Advanced Design Method를 집중적으로 연

구 개발하고 이를 바탕으로 국내외 연구기관 및 업체 간의, Network 및 DB 연계를 통해 e-Rotorcraft 인프라를 구축 연차별 연구개발 목표 ○ 구분 년도 연구개발목표 연구개발내용 연구범위 차 1 년도 2006 e-Rotorcraft • 인프라 구축 개념 정립 국내외 연구기관 및 업체 연계 방안 정립 • 인프라 구축 개념 및 방안 정립 e-Rotorcraft • • 분산 컴퓨팅 기술 연구 회전익기 통합 • 최적 설계 프로세스 수립 구축 방안 수립 Network • 요구분석 및 시험 계획 수립 e-Design • 관련 자료 수집 • 및 방안 정립 차 2 년도 2007 e-Rotorcraft • Infrastructure 구현을 위한 핵심 기술 개발 확률기반 및 전역 최적설계 기법 연구 • 모델링 e-Design Infrastructure Architecture

•

서브 e-Design Infrastructure Architecture • 시스템 설계 및 구현 분류 모델링 및 구현 e-Design S/W , • 환경 설계 개념 모델링 e-Design DB • 핵심 기술 분석 • 및 정립 차 3 년도 2008 회전익기 • 통합설계 S/W 개발 • 파라미터 기반 자동형상설계 기술개발

(62)

(63)

. e-Science

Ⅲ

44

항공우주 가상 항공우주 구조 기술

(Cyber Structures Technology)

개발

▣

목적 ○ • 고 충실도의 초대형 자유도를 갖는 구조모델을 가상공간 안에서 시험할 수 있는 병렬 구조 해석 기술과 병렬 S/W & H/W 컴퓨팅 등 기술을 개발하고 이를 통해 항공우주 구조물의 효율적인 개발을 가능하게 함 병렬 구조 해석 기술 ○

• Domain-wise Multi-frontal Method 개발 및 이를 통한 신뢰성 있는 Direct Solving

반복해법에 비해 높은 신뢰성을 가짐 ( ) • 상용 구조해석 소프트웨어보다 뛰어난 병렬성 확보 • 저가의 클러스터 환경에서 초대형 자유도 문제의 해석 가능 병렬 H/W 기술 ○ • 클러스터링 노하우 축적을 통한 페가수스(512 CPU nodes) 개발 • 슈퍼컴퓨터 랭킹 Top 500 중 56위 기록(2002년 11월 현재) • 그리드 컴퓨팅 개념이 나오기 전에 인터넷 슈퍼컴퓨팅 개념을 제안하고 이를 구현 병렬 S/W 기술 ○ • 병렬 라이브러리 최적화 기술 축적

• 슈퍼컴퓨팅 최고 권위 학회 SC 2001 학술대회 GORDON BELL PRIZE 수상

“Impact Locating on Aircraft Structure by Low-cost Cluster : 24.6cents/Mflops"

기대효과 ○

• 항공우주 가상 구조 설계 개발 네트워크 구축의 핵심요소로서 활용될 수 있을 것으로/

(64)

(65)

(66)

(67)

(68)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 49 • 초소형 비행체 관련 연구 군사적 목적에서 큰 활용성이 기대 -저 레이놀즈 수를 가지는 초소형 비행체 주위에서 나타나는 물리 현상들의 모사와 -날갯짓을 하는 비행체 주위의 특이한 물리 현상 고찰 그림 4-1 곤충 날개의 8자비행 궤적과 down stroke시의 와도분포 • 헬리콥터 주위의 공력 해석 블레이드와 헬리콥터 몸체 간 상대 운동 및 강한 와류 생성을 포함 -공력 해석과 소음 제어 및 구조 해석이 연계 -• 로켓 개발 관련 연구 고 받음각을 가지는 유도탄 주위의 해석이나 연료의 내부 유동 유인 비행선 내부 - , 유동 및 단 분리 미사일 해석 최신의 연구 사례 화성 대기 진입 탐사선에 대한 유동 해석 화성의 대기와 지구의 - : . 대기간의 다른 조성비에 따른 공력 특성 변화 해석

• MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 활용한 유동 제어

대표 사례 날개 표면을 따라 나 시스템을 부착하여

- : MEMS Actuator Synthetic Jet

(69)

국내 우주항공 기술 현황 .

Ⅳ

50

▣

공력 디자인 및 MDO(Multidisciplinary Design Optimization) 분야의 주요 연구

(70)

(71)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 52 간의 제한 연구소 및 산업체 의 사유로 수치해석을 통해 실험과 동일한 규모의 문제( ) 해석이 어려움 신뢰성 있는 시스템의 구축을 통해 허가된 연구자간 기술 공유가 가능하도록 하여 활 ○ 용 가능한 대학 내의 인재들을 연구소 및 산업체의 기술 개발 과정에 포함시키는 방 식이 필요 인력 풀의 증가를 통해 수치해석의 실용성 증대를 꾀할 수 있고 수치해석이 실험 연, ○ 구에 대한 보완 수단이 됨으로써 실제 실험 개발 비용과 시간이 감소하는 효과를 기대

분야별

공개 상용 현황

1.2 S/W(in-house,

,

)

▣

개괄 전산유체역학 해석 과정 ○ • 해석하고자 하는 대상의 형상 정보를 토대로 CAD 파일 제작 • 격자생성기에서 CAD 형상 정보를 토대로 유동 영역을 분할하여 격자 생성 • 생성된 격자와 유동 조건이 수치 해석자에 입력 이를 바탕으로 수치해석 진행, • 수치해석에 의한 결과 파일은 가시화 프로그램에 입력 결과가 시각화되어 나타남, 격자생성 및 결과가시화는 상용 프로그램을 활용하는 경우가 대부분이므로 본 현황에 ○ 서는 자체 개발 프로그램과 상용 소프트웨어들이 혼용되는 수치해석자의 현황만을 제 시하고자 함 전산유체역학의 대표적 격자생성기와 가시화 프로그램 ○

• 격자 생성기 : GridGen, Gambit, HyperMesh 등

(72)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 53

▣

공력 해석자의 주요 기법 및 기능성 전산유체역학 해석 그룹의 주요 수치해석자는 자체 개발 해석자와 상용 소프트웨어가 ○ 혼재되어 사용 • 대학 연구실 : 자체 역량을 집결한 자체 수치해석자의 활용 빈도가 높음 • 연구소와 산업체 : 다양한 문제에서 안정적으로 구동되는 상용 소프트웨어의 사용이 많음 자체 개발 해석자 1 : 패널 기법 기반의 해석자 ○ • 자체 개발 해석자를 보유한 그룹의 약 1/4 정도

• 해석 기법 : Vortex Lattice Method나 선형 와류 패널법 고차 패널법 등,

(73)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 54 자체 개발 해석자 3 : 정확도가 향상된 전산유체역학 해석자 ○

• Navier-Stokes 방정식에 LES(Large Eddy Simulation)나 DNS(Direct Numerical

방법을 활용 방정식을 활용하는 방식을

Simulation) , Boltzmann Lattice Boltzmann

적용 기존의 방법에 비해 정확성 향상 - RANS 지나치게 많은 계산량 때문에 차원 연구에만 한정 - 2 상용 소프트웨어 활용 ○

• Fluent, CFD-ACE, CFD-Fastran 등

많은 문제들에 대해 강건함을 보장하고 정성적인 유동 해석을 가능하게 함 -문제별로 특화된 자체 개발 해석자에 비해 해석 결과의 정확성은 떨어짐

-▣

공력설계 및 MDO 해석자의 주요 기법 및 기능성 학교 연구실 : 자체 개발 해석자 활용 ○ • 3차원 정상 비정상/ Navier-Stokes 방정식에 다양한 난류모델을 적용하고 수치해석에 필요한 양질의 격자를 제작하는 기술을 자체적 보유하여 활용 정렬 격자 기법 비정렬 격자 기법 공간 이산화

Roe & RoeM AUSMPW+ 등 Jameson Engquist-Osher Roe's FDS 시간 적분 LU-SGS

DADI & AF-ADI Gauss-Seidel

난류 모델 Spalart-Allmaras k-ω Wilcox / SST / WD+ q-ω Spalart-Allmaras 격자 기법 Multi-block Overset Mesh Patched Grid Unstructured Overset 특정 해석자에 포함된 추가적 기법

PASPaR(Patched Adaptive Spatial Partitioning and Refinement)

자유도 동 역학 모델

Dual Time Stepping & 6

Characteristic Boundary Condition

Parallelized DSMC(Direct Simulation Monte Carlo)

표 자체 개발 해석자에 포함된

(74)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 55 연구소 및 산업체 : 필요에 따라 상용 소프트웨어를 사용하거나 프로젝트의 형태로 ○ 학교 연구실에 의뢰 디자인 연구 과정 ○ • 정확하고 효율적인 수지해석자를 바탕으로 강건한 최적화 루틴을 활용 • 상용 소프트웨어에서 지원하는 최적화 루틴은 GA, DOT와 같은 극소수에 불과할 뿐 방법과 같은 기술들은 해석자와 함께 자체개발을 통하여 사용 AV(adjoint variables) • 자체 수치해석자와 최적화 기법을 보유한 기관의 수는 극소수에 불과

▣

추진 및 열 해석 해석자의 주요 기법 및 기능성 주로 상용 소프트웨어를 사용 수치 해석자의 개발기술을 보유하고 있는 일부 연구소, ○ 의 경우 간단한 형상에 대한 자체 개발 해석자를 사용 등의 다양한 상용 소프트웨어 Fluent, Star-CD, CFD-ACE, FINETM/TURBO, FIRE

(75)

시험 장비 및

현황

1.3 DB

▣

국내 시험 장비 현황 소속 풍동명 타입 크기(W H L, m)ⅹ ⅹ 최대속도 (m/s) 건국대학교 다목적 풍동 Closed 1ⅹ ⅹ1 3.5 45.1

Shock Wave Tunnel Blowing 0.1 0.1ⅹ M=7

경상대학교 다목적 소형 풍동 Closed 1 1ⅹ ⅹ3 60 공군사관학교 KAFA 아음속 풍동 Closed 3.5 2.45ⅹ ⅹ8.7 92 교육용 풍동 KAFA Closed 0.9ⅹ0.9 2.1ⅹ 50 국방과학연구소 삼중음속 풍동 Blowing 1.2 1.2ⅹ M=0.2~4.0 중형 아음속 풍동 Closed 3ⅹ2.25 120 금오공과대학교 경계층 풍동 Blowing 1.54 1.3ⅹ ⅹ12 20 부산대학교 아음속 풍동 Closed 0.7 0.7ⅹ ⅹ2 60 경계층 풍동 Suction 2.1ⅹ2.1 20ⅹ 23.5 서울대학교 기계과 아음속 풍동 Closed 0.9ⅹ0.9 3.6ⅹ 60 항공우주공학 아음속 풍동 Closed 1.35 0.95ⅹ ⅹ2.44 70 서울대학교 초음속 풍동 Blowing 0.2 0.2ⅹ M=3.8 세종대학교 소형 아음속 풍동 Blowing 0.3 0.3ⅹ ⅹ1 35 영남대학교 기계 공학 풍동 1 Suction 1.2ⅹ0.9 3.6ⅹ 20 기계 공학 풍동 2 Blowing 0.9ⅹ0.7 1.8ⅹ 30 울산대학교 다목적 풍동 수동/ Suction 2 1.8ⅹ ⅹ10 35 인하대학교 항공우주공학 아음속 풍동 Closed 1 1ⅹ ⅹ2 70 초음속 풍동 Blowing 0.1 0.1ⅹ M=3.4 조선대학교 폐쇄형 아음속 풍동 Closed 1 1ⅹ ⅹ3 60 충남대학교 공력 소음 풍동 Closed 1.25 1.25ⅹ ⅹ4 70 충북대학교 폐쇄형 아음속 풍동 Closed 0.6ⅹ0.6 1.3ⅹ 60 개방형 아음속 풍동 Blowing 0.2ⅹ0.2 0.3ⅹ 50 풍동 0.6m Closed 0.6ⅹ0.45 1ⅹ 35 경계층 풍동 Blowing 1.5ⅹ1.2 12ⅹ 20 포항 공과대학 중형 아음속 풍동 Closed 1.8ⅹ1.5 4.3ⅹ 75 소형 아음속 풍동 Closed 0.72 0.6ⅹ ⅹ2.5 40 한국과학기술원 무반향 풍동 KAIST Suction 0.35ⅹ0.35 1.5ⅹ 62.8

Low Turbulence Open 풍동

Circuit Suction 1.016ⅹ0.712 1.524ⅹ 62

한국항공우주연구 원

KARI LSWT Closed 4ⅹ ⅹ3 10 120

KARI 1m Wind Tunnel Closed 1 0.75ⅹ ⅹ2 110

(76)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 57 ○ 아음속 풍동이 대다수 크기도 대부분, test section의 단면적이 1m×1m 정도의 소규모 • 주로 교육용이나 소규모 연구용으로 사용 • 대규모 과제나 복잡한 형상에서의 미세한 공력 현상을 실험하기 위해 큰 규모의 풍동 을 대여해야 하는 실정 • Test section 단면적이 큰 아음속 풍동의 설비 및 운영 비용상의 문제로 일부 연구소 나 산업체에만 구비 • 초음속 풍동의 경우 작은 규모의 형태로 일부 기관만 소유하고 있음 측정 기술에는 일반적인 가시화 실험과 밸런스를 이용한 공력 측정 실험, PIV ○ 등이 있음 (Particle Image Velocimetry), PSP(Pressure-Sensitive Paint)

(77)

(78)

(79)

유도 항법 제어 기술

2.

대상 비행체로 고정익 회전익 유인 무인 항공기 미사일 발사체와 인공위성에 대해 항/ , / , / ○ 법 유도 제어 분야에 대한 기술을 분류하고 분석함/ / 항법 유도 제어 분야 기술을 다음과 같이 대략적으로 분류할 수 있음/ / ○ 비행제어시스템 개발기술 모든 비행체 FBW(Fly-by-Wire) ( ) •

자율비행제어 (Autonomous Flight Control) 법칙 설계기술 무인기( )

• 위성체 궤도 및 자세제어시스템 개발기술 위성체( ) • 개발을 통해 및 검증기 사업을 통해 비행제어시스템 관련 기술이 선진국 T-50 FBW ○ 수준의 80%에 도달한 것으로 판단됨 또한 무인기의 자율비행제어 관련 기술은 선진. , 국에 비해 많이 뒤떨어져 있는 상태임 다목적위성 1-3호의 개발을 통해 위성체 궤도설계 및 자세제어기 분야에서는 핵심 ○ 부품을 제외하고 독자 설계가 가능할 정도의 수준에 이르고 있음 유도 항법 제어 분야의 선진국 수준의 기술 성숙단계에 접어들기 위해서는/ / 항공선진 ○ 국에서 추진하고 있는 유도제어 및 자율비행 알고리듬 개발과 고장 및 오류 시 성능 과 안전성을 보장하는 신뢰도 향상 알고리듬 개발에 중점을 두어야 할 것임 국내의 제한된 인적 기술적 자원을 최대한 활용하기 위해서는 전문가 그룹의 DB를 ○ 구축하고 협업이 가능한 시스템 구축이 필요하며 각 비행체별 관련 알고리듬 개발의, 선행연구가 체계적으로 이루어져야 함 상에서 구축 연구협력 툴 구축 자료공유 및 결과 관 Korea Aerospace-Net DB , , DB ○ 리 등을 구현함으로써 이를 효과적으로 달성할 수 있을 것으로 사료됨

기술 현황

2.1

가. FBW 비행제어시스템 (Fly-by-Wire Flight Control System) 개발기술

(80)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 61 그림 4-3 FBW 비행제어시스템 구성 의 중점사항은 돌발 상황에서도 비행성과 신뢰성을 유지하는데 있음 비행성은 FBW . ○ 관련 센서 및 작동기의 성능과 비행제어 알고리즘과 관련이 있으며 신뢰성은 급변하, 는 환경 및 고장 시에도 비행성능을 유지하는 비행적응 능력과 다중구조의 다중화 관

리(Redundancy Management), BIT(Built-in- Test) 및 지상시험기법 등에 기인함

비행제어시스템 개발기술은 크게 설계기술과 시험 평가기술로 구별 상세 소요 FBW / . ○ 기술 아래와 같이 분류할 수 있음

▣

FBW 비행제어시스템 소요기술 ① FBW 비행제어시스템 설계기술 -1. ① 비행제어컴퓨터 H/W 개발기술 • 비행제어컴퓨터 H/W 설계기술

- 고속 컴퓨팅 기술 (High-speed Computational Capability) - 전자파 간섭 면역기술 (EMI Immune Flight Control)

- FBL(Fly-by-Light) 기술

• 센서 시스템 개발기술

- 대기정보컴퓨터(Air Data System) 설계기술

- 고 정밀성 신뢰성 센서 개발기술/

• 작동기 시스템 개발기술

(81)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 62 -2. ① 비행제어컴퓨터 S/W 개발기술

• OFP(Operational Flight Program) 개발기술

- 실시간 실행관리(Real-Time Executive)

- 결함허용 다중화(Redundancy Management) 알고리듬 개발기술

- 자기진단(Built-in-Test) 알고리듬 개발기술

• 비행제어법칙 설계기술

- 안정성 조종성 증대 및 자동조종 제어법칙 설계기술/

- 조종사 유발 진동(PIO: Pilot Induced Oscillation) 해석기술

- 자동착륙 유도제어법칙 설계기술 • 내 고장성 제어기술

- 고장 검출 및 분리(Fault Detection and Isolation) 기술

- 재형상 재구성 및/ Self-repairing 제어시스템 설계기술 -3. ① 통합비행제어장치 개발기술 • 능동제어 기술 • 추력편향이용 비행제어 기술 - 고 받음각 비행제어 기술 ② FBW 비행제어시스템 시험 및 평가 기술 -1. ② 비행성 분석 시뮬레이터 개발기술 • 비행 시뮬레이터 설계기술 - 실시간 시뮬레이션 기술 - 영상 및 음향 효과 개발기술 - 시뮬레이터용 조종석 설계기술 • Hot Bench 시스템 개발기술

• Hardware-in-the-loop Simulation (HILS) 개발 및 운용기술

• FBW 비행제어시스템 Test Station 개발기술

• Man-in-the-loop Simulation (MILS) 개발 및 운용기술

• 비행성(Handling Quality) 평가 기술 -2. ② In-Flight 시뮬레이션 기술 • In-Flight 시뮬레이터 개발기술

▣

국외기술현황 기술은 미국과 같은 항공 선진국에서는 현재 실용화하여 최신 전투기 FBW ○ 및 상용 여객기에 적용하고 있음 (Advanced Tactical Fighter)

의 응용 인 비행제어법칙은 현재까지는 고전제어기법을 사용하여 설계되고

FBW S/W

○

구현되어 있음 선진국의 이 분야에 대한 연구는 급격히 변화하는 비행환경이나 고장.

(82)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 63 시스템 개발에 주안점을 두고 있음 이를 위해 강건제어 이론 신경회로망 이론 적응. , , 제어 이론 등 최신 제어이론을 이용하여 비행제어시스템을 개선하고자 하는 연구를 활발히 수행하고 있음

미 공군과 보잉사가 공동으로 수행하고 있는 RESTORE/SAFE (Reconfi- gurable ○

Flight Control System for Tailless Aircraft / Self Adaptive Flight Control 프로그램에서는 꼬리날개가 없는 비행체에 대해 온라인으로 재형상이 Experiment)

가능한 비행제어 설계에 대해 연구하고 있음 그 하나의 후보로 신경회로망 기반의.

적응제어법칙을 채택하여 꼬리날개가 없는 무인 항공기 X-36에 적용하여 재형상

및 자율적응 능력의 실용 가능성 및 효용성을 평

(Reconfiguration) (Self Adaptive)

가하였음

또한 보잉사에서는 개발하고 있는 모든 비행체 항공기 헬리콥터 미사일 유도폭탄, ( , , ,

○

등 에 적용할 수 있는 강건한 적응제어법칙 개발을 위한) RACE (Robust Adaptive

프로그램을 진행하고 있음 Controller Experiment)

그 외에 보잉사에서는 C-17을 이용하여 비행안전 향상을 위한 IDACS (Integrated

○

연구를 추진하고 있음 이 프로그램에서는

Data Acquisition and Control Systems) .

항공기의 비행 안정성과 조종성 등 비행 안전과 관련된 예기치 않은 고장이나 결함,

발생에도 비행의 안전을 보장하는 비행제어시스템 개발을 목표로 하고 있음

프로그램에서는 스텔스 기능 X-39 FATE(Future Aircraft Technology Experiment)

○

의 극대화를 위한 복합재 구조와 Inlet 설계에 대한 연구뿐 아니라, Fly-by-Light를

적용한 Photonic Vehicle Management System, Electric Actuator, Self-Adaptive 에 대한 실용 가능성을 연구하였음 Flight Control 그 외에도 미국 내 연구기관에서 보유하고 있는 In-Flight 시뮬레이터를 통한 새로운 ○ 개발대상 항공기 비행제어법칙 검증을 상시적으로 수행하고 있음 통합비행제어와 관련된 높은 받음각에서의 기동성을 위한 추력벡터링도 X-31 ○ 프로그램을 통해 축

Enhanced Fighter Maneuverability Demonstration ('82~'95) 2

(83)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 64 무장발사와 관련하여서는 유인기의 경우에 정밀 무장발사 및 투하 시 요구되는 기동 ○ 요구성능이 주어지고 이를 만족하도록 비행제어 시스템이 설계되고 있음. 아직까지 는 무인기의 공격능력에 맞추어 자동화된 무장발사 비행제어 통합시스템은 연구가 진/ 행되고 있지 않음

▣

국내기술현황 국내의 경우는 현재 한국항공우주산업 주 에서( ) T-50 초음속 훈련기를 개발하여 시험 ○ 비행 중에 있음. T-50 항공기에는 미국 Lockheed Martin에서 개발한 FBW 비행제 어 컴퓨터가 장착되어 있음 이 프로젝트를 통해. FBW에 적용하는 비행제어법칙 설계 능력과 제어알고리듬 평가능력을 일부 보유하게 되었음 그러나. FBW의 비행제어컴퓨 터 하드웨어와 소프트웨어인 OFP의 설계능력과 OFP의 검증 및 제어시스템 전체에 대한 시험평가 능력은 보유하고 있지 못함 한편 국방과학연구소에서는 비행기의, FBW에 적용할 수 있는 디지털 비행제어컴퓨터 ○ 개발연구 를 통해 실험적으로 프로토타입을 넥스원 구 (DFLCC) (‘97~‘00) DFLCC LIG ( 이노텍 을 통해 제작하여 시험평가를 수행하였음 이 과정에서 비행기의 시 LG ) . FBW 스템 평가에 필수적인 HILS(Hardware-in-the-Loop Simulator) 장비를 갖추었으며, 의 하드웨어 설계 및 설계 검증 기술을 일부 보유하게 되었으나 실용화 DFLCC OFP , , 단계에는 이르지 못하고 있음 러시아의. In-Flight 시뮬레이터를 이용한 비행제어법칙 검증을 수행한 경험이 있음 그림( 4-4 참조) 학계에서는 국방과학연구소의 위탁연구를 통해 다중화 알고리듬 고장 검출 및 분리, ○ 알고리듬 그리고 재형상 제어법칙 연구를 수행하여, HILS 시험을 통해 실용화 가능성 을 입증하고 있음 국방과학연구소에서는 응용연구를 통해 T-50 비행제어컴퓨터를 교체할 수 있는 ○ 된 비행제어컴퓨터를 및 넥스원과 함께 개발하여 비행시험을

Upgrade FBW KAI LIG

앞두고 있음

무장 및 추력편향과 연계된 비행제어 연구는 국내에서는 학계에서 시뮬레이션 모델을 ○

(84)

Ⅳ

65 그림 4-4 공중 모의비행 시험장비 (In-Flight Simulator) 구성

나 자율비행제어. (Autonomous Flight Control) 법칙 설계기술

자율비행제어는 무인기의 자율비행을 위한 항법 및 유도법칙임 ○ 자율비행 능력에는 단순한 비행체의 자동비행조종 능력 뿐 아니라 전장상황에서 상, ○ 황인식 판단에 기초한 자율적인 충돌회피 지형추종 및 회피 공격기동 유 무인기 협/ , , , / 동비행 등과 같이 운행 중에 비행환경에 따라 능동적으로 비행계획을 변경할 수 있는 알고리듬을 포함함 자율비행 제어법칙 설계기술은 무인기 단독의 자율비행과 관련된 유도제어부문과 두 ○ 대 이상의 또는 유 무인기 협동비행과 관련된 유도제어부문으로 구별함/

▣

자율비행제어 소요기술 ① 자율비행 유도제어 알고리듬 개발기술 -1. ① 비행경로 재설계 알고리듬 개발기술 • 비행경로 최적화 알고리듬 개발기술 • 상황인식 및 판단(Situation Awareness/Assessment) 알고리듬 개발기술 -2.

① 경로제어 알고리듬 개발기술 (Trajectory Control & Algorithm Synthesis)

• 자동이착륙(Autonomous Take-off and Landing) 유도제어 설계기술

(85)

Ⅳ

66

• 지형추종 회피/ (Terrain Following/Terrain Avoidance) 유도제어 설계기술

• 무인 전투기동(Attack Maneuvering) 유도제어 설계기술 ② 협동비행(Coordinated Flight) 유도제어 알고리듬 개발기술 -1. ② 고 정밀 항법시스템 개발기술 • 비젼센서, GPS/INS 퓨전 알고리듬 개발기술 -2. ② 협동비행 유도제어 설계기술 • 편대비행(Formation Flight) 유도제어 설계기술 • 군집비행(Swarm Intelligence) 유도제어 설계기술

▣

국외기술현황 미국에서의 항공기에 대한 연구는 현재 스텔스형상 비행제어 자율비행제어 협동비행, , ○ 제어 등과 같은 UCAV에 연구의 초점이 맞추어져 있음

미국에서는 X-39 FATE(Future Aircraft Technology Experiment)와 뒤이은

○

사의 무인전투기

DARPR/AFRL/Boeing X-45 (UCAV, Unmanned Combat Aerial

프로그램은 현재의 기술로 Vehicle) ATD (Advanced Technology Demonstration)

써 전투기능을 가진 무인기를 실제로 제작하고 시험(Demonstra- tion)함으로써

에 필요한 시스템 요구성능에 대한 자료 및 미성숙 기술의 개발 요구도 정립 UCAV

을 목적으로 연구하고 있다 특히 이 프로그램에서는 선행된 연구 프로그램에서 획. ,

득한 Self-Adaptive 비행제어를 기본으로 하고 있음

조지아텍, 버지니아폴리텍, MIT, UC Los Angeles 대학에서는 MURI

(Multi-○

프로그램 disciplinary Research Program of the University Research Initiative)

(86)

(87)

(88)

Ⅳ

69

• CMG(Control Moment Gyro) 개발기술

• 자세제어 알고리듬 개발기술 - 고속기동 자세결정 제어 탑재 알고리듬 개발기술/ - 정지궤도 Station-keeping 자세결정 제어 탑재 알고리듬 개발기술/ - 다중화 관리 및 Contingency Plan 기술 국외기술현황 ▣

위성체의 궤도 설계기술은 외국의 경우 NASA, EAS, JAXA, Astrium, Lockheed ○

Martin, Boeing Satellite System, analytical Graphics Inc., Texas A&M 등에서 전문적으로 연구하고 있음

University

궤도결정 기술은 NASA, JPL, EAS, JAXA, Astrium, Texas A&M University 등에

○

서 활발히 연구하고 있음

위성체 자세제어시스템의 구동 및 센서시스템은 외국의 경우 미국의 Litton,

○

사 프랑스의 사 일본

Honeywell, MIT Draper Laboratory, Ithaco, Servo , Sodern ,

동경대 등에서 개발하여 상용하고 있음,

▣

국내기술현황 위성체의 궤도 설계기술 분야는 국내에서는 항공우주연구원 한국전자통신연구원 한, , ○ 국천문연구원, ( )주 쎄트렉아이 연세대학교에서 연구를 수행하고 있음 단순한 궤도 설, . 계 및 제어는 국내 기술이 선진국 대비 80% 수준에 이르나 편대 또는 위성군 운용, 기술 항행 탐사궤도 설계기술 자율 궤도제어 기술은 선진국 대비, , 40% 수준으로 아 직 미비한 상태임 궤도결정 기술의 국내 수준은 선진국 대비 약 90%의 기술수준을 보유하고 있나, ○ 을 이용한 위성의 정밀궤도결정 기술은 미약한 부분임 SLR(Satellite Laser Ranging)

위성체 자세제어시스템 연구는 국내에서는 주 쎄트렉아이 항공우주연구원 인공위성( ) , ,

○

연구센터에서 수행하고 있으나 아직은 선진국 수준의 50% 정도에 그치고 있음 반작.

용 토크를 이용한 자세제어 구동시스템 설계기술도 대학과 국립연구원을 중심으로 연

구개발을 수행하고 있지만 미국의, Ball Aerospace, Huges-Danbury, Corning OCA,

프랑스의 독일의 영국의 의 수준에는 많은 격

LLNL, Sodern, Alenia Diefesa, SIRa

(89)

분야별

공개 상용 현황

2.2 S/W(in-house,

,

)

항공기 FBW 비행제어시스템 개발 분야에서 사용되는 S/W는 비행제어법칙 설계 및 ○ 검증을 용이하게 하는 설계도구 S/W, 비행체 운동방정식을 구현한 시뮬레이션 S/W 와 비행제어 시스템 시험평가용 비행시험 자료처리 및 결과 분석 S/W가 있음. 그밖 에 OFP와 비행제어 프로그램의 개발 환경을 제공하는 S/W 개발 도구 S/W가 있으 나 이는 일반적인 프로그램 개발 도구이므로 본 절에서는 언급하지 않을 것임, 발사체나 위성체에서도 항공기와 유사한 기능을 하는 제어컴퓨터가 있으며 H/W 및 ○ 설계에 소요되는 기본기술은 동일함 S/W 비행제어법칙 및 자율비행제어 분야에서는 개발 체계 모두에 적용 가능한 일반 상용 ○ 가 존재하지 않음 그러나 위성체나 탐사선의 궤도 결정 및 설계 기술은 일반화 S/W . 할 수 있는 기술로서 상용 프로그램이 존재함 ① 비행체 비행시뮬레이션 S/W 일반적으로 비행 시뮬레이션 프로그램은 비행체를 개발하는 각 기관에서 대상 비행체 • 에 맞게 자체적으로 개발하여 사용함 항공 선진국의 항공기 개발업체에서는 모든 개발 비행체에 공통적으로 사용가능 하도 • 록 S/W의 구조를 내부적으로 표준화해서 사용함 이 시뮬레이션 프로그램은 비행제어법칙 설계 및 평가에 사용될 뿐 아니라 비행 시뮬 • 레이터의 한 구성 요소로서도 사용됨 -1.

① ATLAS (Aircraft Trim, Linearization And Simulation)

• Lockheed Martin사의 In-House 항공기 시뮬레이션 프로그램

• 트림 선형화 및 비선형 시뮬레이션이 가능함, .

• 고정된 SW가 아니라 Database, 제어법칙, Subsystem 모델 등의 업데이트 시

계속 새로 생성되는 SW -2.

① ICARUS 2.0 (6DOF Nonlinear Simulation 프로그램)

• ATLAS와 동일한 기능을 갖도록 KAI에서 자체개발한 시뮬레이션 프로그램

• Window 기반의 PC에서 운영. GUI(Graphic User Interface) 기능 추가

-3.

① 기타 시뮬레이션 프로그램

• 항공우주연구원 국방과학연구소 대한항공연구소 등의 연구소와 각 대학에서 과, ,

(90)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 71 ② 비행 유도제어법칙 설계도구 S/W 통상적으로 비행 유도제어법칙은 불록선도를 이용하여 도시적으로 표현함 • • 블록선도를 구성하고 그 환경 하에서 시뮬레이션을 수행할 수 있는 개발환경이 요구됨 또한 완성된 유도제어법칙 불록선도로부터 비행제어컴퓨터에 바로 적용할 수 있는 코, • 드를 자동으로 생성하는 기능이 필수적임 -1.

② MatrixX (Xmath Script & System Build Model) • National Instrument사의 상용 S/W

• 제어법칙 설계용 구조연계 필터 설계용 선형 및 비선형 모델 해석용, ,

• 제어법칙 자동 코딩(Auto Code Generation) 기능

• Lockheed Martin사에서 Auto Code Generation 기능 검증 후 적용 중

-2.

② Matlab/Simulink

• Math Works사의 상용 S/W

• MatrixX보다 다양한 기능을 보유하고 있으나 Auto Code Generation 기능은

신뢰도 검증이 필요함 ③ 지상 및 비행시험 결과 처리 S/W 비행시험자료를 획득 관리하고 이를 처리하여 비행성능 및 비행특성 자료를 산출하는/ • 소프트웨어로서 항공기 개발기관에서 자체적으로 개발하기도 하고 상용, S/W를 구매 하여 자료획득 장치에 맞게 변경시켜 사용함 -1.

③ FTASP (Flight Test Analysis Software Package)

• Kohlman사의 상용 프로그램으로 국방과학연구소와 공군 시험평가전대에서 운영

• 비행시험 DB 관리 자료처리 비행성 분석 비행성능 표준화 팩키지, , ,

• 외국에서는 PVWAVE & INVISION(Visual Numerics), APTAS(Symvionic), 등이 상용으로 개발되어 사용되고 있음

D-Six(Bihrle Applied Research) -2.

③ GENMAT

• Lockheed Martin In-House 프로그램

(91)

시험 장비 및

현황

2.3 DB

항공기 FBW 비행제어시스템의 시험평가 장비로는 비행제어컴퓨터 탑재센서 작동기, , ○ 등 각 시스템의 S/W와 H/W를 평가하는 Test Station과 조종입력 장치까지를 모두 연동하여 통합 시험하는 HILS(Hardware-in-the-Loop Simulator) 또는 HQS 시험장비가 있음 (Handling Quality Simulator)

또한 비행제어시스템 신뢰도 및 환경특성을 검증하기 위한 온도 습도 진동 환경시, , , ○ 험 장비 등이 있음. 특히 발사체나 위성체의 경우 극한의 우주환경에서 운용되므로, 열 전자파 온도 등의 환경시험이 매우 중요함, , ① 비행제어시스템 통합시험 장비 -1.

① HQS (Handling Qualities Simulator)

• Lockheed Martin사 개발, KAI 운용의 비행성 분석 시뮬레이터

- Cockpit Shell : HQS 조종실 및 각종 부가장비

- Audio & Video System / Signal Interface Unit

- Onyx2 Host Computer: 실시간 시뮬레이션 S/W 구동.

- ESIG-4530 Image Generator : 영상 처리 컴퓨터

- Strip Chart Recorder: HQ Sim 데이터의 계측 및 기록

• Host Computer를 기반으로 하는 S/W 만의 시뮬레이션과 실제 FLCC를 연결하

여 수행하는 HILS(Hardware-in-the-loop Simulation)이 가능

• 조종사에 의한 조종성 평가를 수행할 수 있는 수준의 정밀도를 보유 -2.

① ETS (Engineering Test Station)

• Lockheed Martin사 개발, KAI 보유 및 운용 시험장비

• 국방과학연구소에도 동일한 기능의 장비 보유 (BAe사 개발)

• FLCC 점검 및 HQS와 연동하여 HQ Simulation 시 사용되는 Interface 장비

• OFP 개발 및 검증과정인 SAVV(Stand Alone V&V), ISVV(시스템 통합시험),

에 대한 검증 을 수행

FMAT(Failure Mode )

-3.

① 조종면 동하중 모의시험 장비 (Actuator Test Bench)

• 국방과학연구소 보유의 조종면 동특성 시험장비 (BAe사 개발)

• Dynamic Load Simulator, 유압시스템, 신호처리부 및 제어부(Actuator

로 구성 Interface Test Station)

• 대만 IDF 항공기의 Taileron용 DDV(Direct Drive Valve)형의 작동기 보유

• 운용모드는 무부하 부하상태에서의 서보성능 시험 작동기 응답 및 플러터 민감/ ,

도 시험 작동기 고장 및 고장천이특성 시험 등이 있음,

-4.

① 유도탄 구동장치 시험 장비 (Actuator Test Bench)

(92)

Ⅳ

73

• 유압 공압 전기 구동장치와 기타 서보 구동 제어시스템의 시험평가용/ / /

• Dynamometer, 유압 Test Bench, 동강성 실험장비, 4축 부하모사 시뮬레이터,

신호분석 장비, Class 10000급 청진시설로 구성됨

-5.

① 3축 비행자세모의 운동 테이블 (3 Axis Motion Table)

(93)

국내 우주항공 기술 현황 . Ⅳ 74 이렇듯 전국에 산재한 환경시험평가 장비에 대해 현재까지 DB가 구축되지 않아 이에 ○ 대한 활용이 효율적이지 못한 실정임 -1. ② 전자파(EMI/EMC) 시험장비 • 국방과학연구소에 국내 최대 규모의 챔버(15W×4L×7.5H) 보유 창원 로템 주, ( ) 내에 설치

• MIL-STD461, MIL-STD-464 적용 체계에 대한 EMC 시험 가능

• 2008년 7월 가동예정으로 대형 전자파 시험동(42W×33L×18H) 건설 중.

급 항공기 전기체 시험 가능

(CN235 )

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