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플라이 바이 와이어

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목차

1. 개요

플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW)는 조종사가 조종간을 조작하면 전기 신호를 통해 비행 제어 표면을 제어하는 시스템이다. 1930년대에 처음 시험되었으며, 1958년 Avro Canada CF-105 Arrow가 플라이 바이 와이어 시스템을 갖춘 최초의 비실험 항공기였다. 1960년대 이후 군용기 및 상업용 항공기에 널리 사용되었으며, 조종사 임무량 감소, 항공기 구조 안전성 증가, 무게 감소 등의 장점을 제공한다. 초기에는 아날로그 방식이었으나, 디지털 시스템으로 발전하여 비행 봉투 보호 기능 등을 제공하며, 플라이 바이 라이트(Fly-by-light), 파워 바이 와이어(Power-by-wire) 등의 기술로 발전하고 있다.

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플라이 바이 와이어

2. 역사

항공기 비행 제어 시스템은 초기에 기계식 및 유압 기계식으로 구현되었다. 이러한 시스템은 비교적 무겁고, 제어 케이블, 도르래, 크랭크, 유압 파이프 등을 항공기 내부에 복잡하게 설치해야 하는 단점이 있었다. 또한 고장에 대비한 백업 시스템으로 인해 무게가 더욱 증가하는 경향이 있었고, 변화하는 공기역학적 조건에 대한 보상 능력에도 한계가 있었다.[3]

이러한 한계를 극복하기 위해 등장한 것이 "플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW)" 시스템이다. FBW는 조종사의 조작을 전기 신호로 변환하고, 컴퓨터가 이 신호를 처리하여 최종적으로 액추에이터를 통해 조종면을 움직이는 방식이다.[2] 이를 통해 기계적 연결 없이 전선만으로 제어가 가능해졌으며, 컴퓨터의 개입으로 비행 안정성 향상, 조종 편의성 증대, 기체 경량화 등 다양한 이점을 얻게 되었다. FBW 기술은 20세기 중반 초기 실험을 거쳐 군용기와 민항기에 점차 적용되며 현대 항공기의 핵심 기술로 자리 잡았다. 자세한 발전 과정은 아래 하위 섹션에서 다룬다.

2. 1. 초기 개발

기계식 및 유압 기계식 비행 제어 시스템은 상대적으로 무겁고, 제어 케이블, 도르래, 크랭크, 유압 파이프 등을 항공기 내부에 복잡하게 설치해야 한다. 두 시스템 모두 고장에 대비한 백업 시스템이 필요해 무게가 더 늘어나는 경우가 많다. 또한 변화하는 공기역학적 조건에 대한 보상 능력이 제한적이며, 실속, 스핀, 조종사 유도 진동 (PIO) 같은 위험한 상황은 주로 항공기의 안정성과 구조, 그리고 조종사의 조작에 의존한다.[3]

"플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW)"는 순수하게 전기 신호를 이용하는 제어 시스템을 의미한다. 일반적으로 조종사와 최종 제어 장치(액추에이터) 또는 조종면 사이에 컴퓨터 시스템이 위치하여, 조종사의 입력을 비행 상황에 맞게 조절하는 방식으로 작동한다.[2] FBW 항공기는 사이드 스틱이나 전통적인 조종간을 사용하여 조종할 수 있다.[4]

Avro Canada CF-105 Arrow. 플라이 바이 와이어(FBW) 제어 시스템으로 비행한 최초의 비 실험 항공기.


F-8C Crusader. NASA에 의해 개조된 디지털 플라이 바이 와이어 테스트베드.


서보 모터를 이용한 전기식 제어면은 1930년대 소련의 투폴레프 ANT-20 항공기에서 처음 시험되었다.[9][52] 이를 통해 기존의 길고 복잡한 기계 및 유압 연결 장치를 전선과 전기 서보로 대체할 수 있었다. 1934년에는 독일의 카를 오토 알트파터(Karl Otto Altvaterde)가 항공기가 지면에 접근할 때 자동으로 착륙 자세를 잡는 전자 시스템에 대한 특허를 출원했다.[10][54] 1941년, 지멘스의 엔지니어였던 알트파터는 하인켈 He 111 폭격기를 이용하여 항공기를 전자 신호만으로 완전히 제어하는 최초의 플라이 바이 와이어 시스템을 개발하고 시험했다.[11][53]

미국 공군은 1953년부터 B-47E Stratojet을 이용해 전자식 플라이 바이 와이어 테스트베드를 운용했다.[14] 1958년 캐나다에서 개발된 Avro Canada CF-105 Arrow는 플라이 바이 와이어 시스템으로 설계되어 비행한 최초의 비 실험 항공기였으나, 5대의 시제기만 제작된 후 프로젝트가 취소되었다.[12][13][55][56]

1960년대 초중반 영국에서는 2인승 Avro 707C 항공기가 기계식 백업 시스템을 갖춘 페어리의 플라이 바이 와이어 시스템으로 비행했으며,[18][57] 로열 항공 연구소는 호커 헌터 전투기의 훈련기 버전을 개조하여 플라이 바이 와이어 비행 제어를 시험했다.[17][58]

1964년 미국의 달 착륙 연구 차량 (LLRV)은 기계식 백업 없이 플라이 바이 와이어 비행을 성공시킨 첫 사례로, 3중 아날로그 채널을 갖춘 디지털 컴퓨터로 제어되었다.[16][59] 1968년에는 아폴로 계획의 달 착륙 훈련 차량 (LLTV)이 기계적 또는 유압식 백업 시스템이 전혀 없는 최초의 순수 전자 플라이 바이 와이어 항공기로 비행했다.[15][60]

1969년 영국과 프랑스가 공동 개발한 콩코드는 플라이 바이 와이어 시스템을 탑재한 최초의 생산형 여객기가 되었다. 이 시스템은 고체 부품 사용, 시스템 이중화, 컴퓨터화된 항법 및 자동 탐색/추적 레이더와의 통합, 데이터 링크를 통한 지상 제어 비행 지원, 조종사에게 인공적인 조작감(피드백) 제공 등의 특징을 가졌다.[13][56]

1972년에는 NASA가 F-8 Crusader 전투기를 개조하여 기계식 백업 없이 비행한 최초의 디지털 플라이 바이 와이어 고정익 항공기를 선보였다. 이 항공기는 아폴로 유도 컴퓨터를 활용했다.[20][61][62] 비슷한 시기 소련에서도 플라이 바이 와이어 시스템을 적용한 수호이 T-4 초음속 항공기가 비행했다.[17][61]

1988년, 에어버스 A320는 디지털 플라이 바이 와이어 제어 시스템을 갖춘 최초의 대량 생산 여객기로 취항했다.[21][63] 1994년에는 보잉사도 보잉 777에 플라이 바이 와이어 시스템을 도입했다. 이 시스템은 기본적인 비행 제어 외에도 항공기가 안전한 운항 범위를 벗어나지 않도록 막아주는 "비행 봉투 보호" 기능을 포함했다. 777은 ARINC 629 데이터 버스를 사용하여 주 비행 컴퓨터(PFC)와 액추에이터 제어 전자 장치(ACE)를 연결했으며, 각 PFC에는 Motorola 68040, Intel 80486, AMD 29050 등 3개의 서로 다른 32비트 마이크로프로세서가 탑재되어 Ada 프로그래밍 언어로 작성된 소프트웨어를 실행했다.[23]

2. 2. 제2차 세계 대전 이후

서보-전기식으로 작동하는 제어면은 1930년대 소련의 투폴레프 ANT-20에서 처음 시험되었다.[9] 기계적 및 유압 연결의 긴 배선을 전선과 전기 서보로 대체한 것이다.

1934년, 독일의 Karl Otto Altvater|카를 오토 알트파터de는 항공기가 지면에 가까워졌을 때 자동으로 착륙 플레어를 수행하는 전자 시스템에 대한 특허를 출원했다.[10] 1941년에는 지멘스의 엔지니어였던 카를 오토 알트파터가 Heinkel He 111 항공기를 이용해 전자 임펄스만으로 완전히 제어되는 최초의 플라이 바이 와이어 시스템을 개발하고 테스트했다.[11]

플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템으로 설계되어 비행한 최초의 비 실험 항공기는 1958년 첫 비행을 한 Avro Canada CF-105 Arrow였다.[12][13] Arrow 프로젝트는 5대의 시제기만 제작된 후 취소되었지만, 이는 중요한 기술적 진보였다. 이후 1969년 첫 비행을 한 콩코드는 최초의 플라이 바이 와이어 여객기가 되었다. 콩코드의 시스템은 고체 부품과 시스템 이중화를 포함했으며, 컴퓨터화된 항법 및 자동 탐색/추적 레이더와 통합되었고, 데이터 링크를 통해 지상 제어도 가능했으며, 조종사에게 인공적인 조작감(피드백)을 제공했다.[13]

미국 공군은 Boeing B-47E Stratojet (일련 번호 53-2280)을 이용해 최초의 전자 플라이 바이 와이어 테스트베드를 운용했다.[14]

기계적 또는 유압식 백업 시스템이 없는 순수 전자 플라이 바이 와이어 시스템을 탑재하고 비행한 최초의 항공기는 1968년 첫 비행을 한 아폴로 달 착륙 훈련 차량 (LLTV)이었다.[15] 이보다 앞서 1964년에는 달 착륙 연구 차량 (LLRV)이 기계적 백업 없이 플라이 바이 와이어 비행을 성공적으로 수행했다.[16] 이들 차량의 제어 시스템은 3개의 아날로그 중복 채널을 갖춘 디지털 컴퓨터를 통해 이루어졌다. 비슷한 시기 소련에서는 수호이 T-4가 플라이 바이 와이어 시스템을 탑재하고 비행했다. 영국에서는 로열 항공 연구소가 Hawker Hunter 전투기의 훈련기 버전을 플라이 바이 와이어 시스템으로 개조했으며,[17] 1960년대 초중반에는 2인승 Avro 707C가 기계적 백업이 있는 Fairey 시스템으로 비행했다.[18][17]

1972년, NASA는 F-8 Crusader 전투기를 개조하여 기계적 백업 없이 비행한 최초의 디지털 플라이 바이 와이어 고정익 항공기를 만들었다. 이 실험기에는 아폴로 유도 컴퓨터가 사용되었다.[20]

상업용 항공 분야에서는 1988년 운항을 시작한 에어버스 A320이 디지털 플라이 바이 와이어 제어 장치를 갖춘 최초의 대량 생산 여객기가 되었다. A320 계열 항공기는 2024년 6월 기준으로 전 세계적으로 11,000대 이상 운용되며 큰 성공을 거두었다.[21][22]

보잉은 1994년 보잉 777을 출시하며 전통적인 기계식 제어 시스템 대신 플라이 바이 와이어를 채택했다. 이 시스템은 단순히 비행 제어를 넘어서, 조종사의 실수나 위험한 기동으로 인해 항공기가 실속하거나 구조적 한계를 넘어서는 것을 방지하는 "비행 봉투 보호" 기능을 제공했다. 777의 시스템은 ARINC 629 데이터 버스를 사용하여 주 비행 컴퓨터(PFC)와 액추에이터 제어 전자 장치(ACE)를 연결했다. 각 PFC는 Motorola 68040, Intel 80486, AMD 29050 등 3개의 서로 다른 32비트 마이크로프로세서를 사용하여 시스템 안정성을 높였으며, 소프트웨어는 Ada 프로그래밍 언어로 작성되었다.[23]

2. 3. 우주 개발 경쟁과 디지털 FBW의 등장



서보 전기식으로 작동하는 조종면은 1930년대 소련의 투폴레프 ANT-20에서 처음 시험되었다.[9] 이 방식은 기계적 및 유압 연결의 긴 배선을 전선과 전기 서보로 대체하는 개념이었다. 1934년에는 독일의 카를 오토 알트파터(Karl Otto Altvater)가 항공기가 지면에 가까워졌을 때 자동으로 착륙 플레어를 수행하는 전자 시스템에 대한 특허를 출원했다.[10] 1941년, 지멘스의 엔지니어였던 알트파터는 Heinkel He 111 폭격기에 전자 임펄스로 항공기를 완전히 제어하는 초기 플라이 바이 와이어 시스템을 개발하고 테스트했다.[11]

플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템으로 설계되어 비행한 최초의 비 실험 항공기는 캐나다의 애로우(Arrow) 전투기였다.[12][13] 애로우는 5대만 제작되고 프로젝트가 취소되었지만, 이 기술은 1969년 초음속 여객기 콩코드에서 생산 항공기로 구현되었다. 콩코드는 최초의 플라이 바이 와이어 여객기가 되었으며, 이 시스템은 고체 부품과 시스템 이중화를 포함하고 컴퓨터화된 항법 및 자동 탐색/추적 레이더와 통합되도록 설계되었다. 또한 데이터 링크를 통해 지상 제어가 가능했고 조종사에게 인공적인 조작감(피드백)을 제공했다.[13]

미국 공군에서 운용한 초기 전자 플라이 바이 와이어 테스트베드 중 하나는 B-47E 스트래토젯(일련 번호 53-2280)이었다.[14]

본격적인 디지털 플라이 바이 와이어 시스템의 등장은 우주 개발 경쟁 시기와 밀접한 관련이 있다. 기계적 또는 유압식 백업이 없는 최초의 순수 전자 플라이 바이 와이어 항공기는 1968년에 처음 비행한 아폴로 달 착륙 훈련선 (LLTV)이었다.[15] 이는 1964년에 기계적 백업 없이 플라이 바이 와이어 비행을 개척한 달 착륙 연구선 (LLRV)의 경험을 바탕으로 개발되었다.[16] LLTV의 제어 시스템은 3개의 아날로그 중복 채널을 갖춘 디지털 컴퓨터를 통해 이루어졌다. 비슷한 시기 소련에서는 수호이 T-4 초음속 항공기가 플라이 바이 와이어 시스템을 탑재하고 비행했다. 영국에서도 왕립 항공 연구소 주도로 호커 헌터 전투기의 훈련기 버전을 플라이 바이 와이어 비행 제어 장치로 개조하는 연구가 진행되었다.[17] 이보다 앞서 1960년대 초중반에는 2인승 아브로 707C가 기계적 백업이 있는 페어리 시스템으로 비행하기도 했다.[18][17]

1972년, 미국 항공우주국은 F-8 크루세이더 전투기를 실험 항공기로 개조하여 기계적 백업 없이 비행한 최초의 디지털 플라이 바이 와이어 고정익 항공기를 만들었다. 이 F-8 실험기는 아폴로 계획에 사용된 아폴로 유도 컴퓨터를 활용하여 디지털 FBW 시스템의 실용성을 입증하는 중요한 역할을 했다.[20]

이러한 기술 발전을 바탕으로 1988년 에어버스 A320이 디지털 플라이 바이 와이어 제어 장치를 갖춘 최초의 대량 생산 여객기로 운항을 시작했다. A320은 큰 성공을 거두어 2024년 6월 현재 파생형을 포함하여 전 세계적으로 11,000대 이상 운용되며 베스트셀러 상용 제트기 중 하나가 되었다.[21][22]

보잉 역시 1994년 보잉 777에 플라이 바이 와이어 비행 제어 장치를 도입하며 전통적인 케이블 및 풀리 시스템에서 벗어났다. 777의 FBW 시스템은 비행 제어뿐만 아니라 "비행 봉투 보호" 기능을 제공하여 조종사의 실수나 과도한 기동으로 인해 항공기가 실속하거나 구조적 한계를 넘어서는 것을 방지한다. 777은 ARINC 629 버스를 사용하여 주 비행 컴퓨터(PFC)와 액추에이터 제어 전자 장치(ACE)를 연결했으며, 각 PFC에는 모토로라 68040, 인텔 80486 및 AMD Am29050 등 여러 개의 32비트 마이크로프로세서가 탑재되어 에이다 언어로 프로그래밍되었다.[23]

2. 4. 민간 항공기 도입

1969년 콩코드는 최초의 플라이 바이 와이어 여객기가 되었다. 이 시스템은 고체 부품과 시스템 이중화를 포함했으며, 컴퓨터화된 항법 및 자동 탐색, 추적 레이더와 통합되도록 설계되었다. 또한 데이터 업링크 및 다운링크를 통해 지상 제어로부터 비행이 가능했고, 조종사에게 인공적인 감각(피드백)을 제공했다.[13]

에어버스 A320은 디지털 플라이 바이 와이어 제어 장치를 갖춘 최초의 대량 생산 여객기로, 1988년에 운항을 시작했다. 2024년 6월 현재, A320 계열 항공기(파생형 포함)는 전 세계적으로 11,000대 이상 운용되고 있으며, 이는 이 항공기를 베스트셀러 상용 제트기 중 하나로 만들었다.[21][22]

보잉은 1994년 보잉 777에 플라이 바이 와이어 비행 제어 장치를 도입하며 전통적인 케이블 및 풀리 시스템에서 벗어났다. 이 시스템은 항공기의 비행 제어를 감독할 뿐만 아니라, '비행 봉투 보호' 기능을 제공하여 시스템이 조종사의 실수로 인한 잘못된 조작, 실속 또는 항공기에 과도한 구조적 스트레스가 가해지는 것을 방지하도록 개입한다. 777은 ARINC 629 버스를 사용하여 기본 비행 컴퓨터(PFC)를 액추에이터 제어 전자 장치(ACE)에 연결했다. 각 PFC에는 모토로라 68040, 인텔 80486, AMD 29050 등 3개의 32비트 마이크로프로세서가 탑재되었으며, 모두 에이다 프로그래밍 언어로 작성되었다.[23]

2. 5. 군용기 도입



서보-전기식으로 작동하는 제어면은 1930년대 소련의 투폴레프 ANT-20에서 처음 시험되었다.[9] 이 방식은 기계적 및 유압 연결의 긴 배선을 전선과 전기 서보로 대체하는 개념이었다.

1941년, 지멘스의 엔지니어였던 카를 오토 알트파터(Karl Otto Altvater)는 하인켈 He 111 폭격기에 사용될 최초의 플라이 바이 와이어 시스템을 개발하고 테스트했다. 이 시스템에서 항공기는 전자 임펄스만으로 완전히 제어되었다.[11]

플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템으로 설계되어 비행한 최초의 비실험 항공기는 캐나다의 애브로 애로우였다.[12][13] 애로우는 5대가 제작된 후 프로젝트가 취소되었지만, 고체 부품과 시스템 이중화를 포함하고 컴퓨터화된 항법 및 자동 탐색/추적 레이더와 통합되도록 설계되었으며, 데이터 링크를 통해 지상 제어도 가능했고 조종사에게 인공적인 감각(피드백)을 제공하는 등 진보된 시스템을 갖추었다.[13]

미국 공군에서 운용한 최초의 전자 플라이 바이 와이어 테스트베드는 보잉 B-47E 스트래토젯 (일련 번호 53-2280)이었다.[14]

기계적 또는 유압식 백업이 없는 최초의 순수 전자 플라이 바이 와이어 항공기는 1968년에 처음 비행한 아폴로 달 착륙 훈련 차량(LLTV)이었다.[15] 이보다 앞서 1964년에는 기계적 백업 없이 플라이 바이 와이어 비행을 개척한 달 착륙 연구 차량(LLRV)이 있었다.[16] 제어는 3개의 아날로그 중복 채널을 갖춘 디지털 컴퓨터를 통해 이루어졌다. 소련에서는 수호이 T-4 초음속 정찰/타격 항공기가 플라이 바이 와이어 시스템을 탑재하고 비행했다. 영국에서는 왕립 항공 연구소가 호커 헌터 전투기의 훈련기 버전을 개조하여 플라이 바이 와이어 비행 제어 장치를 시험했다.[17] 또한 1960년대 초중반에는 2인승 애브로 707C가 기계적 백업 장치가 있는 페어리(Fairey)사의 플라이 바이 와이어 시스템으로 비행하기도 했다.[18] 이 프로그램은 기체 수명이 다하면서 중단되었다.[17]

1972년, 기계적 백업 장치 없이 공중으로 날아간 최초의 디지털 플라이 바이 와이어 고정익 항공기는 F-8 크루세이더였으며, 이는 NASA에 의해 실험 항공기로 전자적으로 개조되었다. F-8은 아폴로 유도 컴퓨터를 사용했다.[20]

3. 작동 원리

플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW)는 조종사의 조작 입력을 전기 신호로 변환한 뒤, 이 신호를 컴퓨터가 처리하여 액추에이터(작동기)를 통해 항공기의 조종면(control surface)을 움직이는 비행 제어 방식이다.[2] 이는 무거운 케이블이나 유압 파이프 대신 가벼운 전선을 사용하므로, 항공기 무게를 줄이고 내부 설계를 용이하게 한다. 또한, 컴퓨터가 비행 제어에 개입함으로써 조종사의 부담을 줄이고 비행 안전성을 높이며, 다양한 자동 제어 기능 구현을 가능하게 한다.

초기에는 아날로그 컴퓨터를 사용한 아날로그 FBW 방식이 개발되었으나, 이후 성능이 뛰어난 디지털 컴퓨터를 사용하는 디지털 FBW가 주류가 되었다. 디지털 FBW는 여러 센서로부터 얻은 정보를 종합적으로 분석하여 더욱 정밀한 제어를 수행할 수 있으며, 비행 봉투 보호와 같이 항공기의 안전 한계를 넘지 않도록 하는 지능적인 기능도 탑재할 수 있다.[25][26] 이를 통해 공기역학적으로 불안정하게 설계된 항공기도 안정적으로 비행할 수 있게 되었다.[25]

3. 1. 기본 작동 방식

기존의 기계식 및 유압 기계식 비행 제어 시스템은 상대적으로 무겁고, 항공기 내부에 제어 케이블, 도르래, 크랭크, 유압 파이프 등을 복잡하게 설치해야 하는 단점이 있다. 또한 고장에 대비한 이중 백업 시스템이 필요한 경우가 많아 무게가 더욱 증가한다. 이러한 시스템들은 변화하는 공기역학적 조건에 자동으로 대응하는 능력이 제한적이며, 실속, 스핀, 조종사 유도 진동 (PIO)과 같은 위험한 비행 상태는 주로 항공기 자체의 안정성과 구조, 그리고 조종사의 조작에 의존하여 회피해야 한다.[3]

플라이 바이 와이어 시스템(녹색)과 아폴로 유도 컴퓨터를 갖춘 NASA F-8 크루세이더


플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW)는 이름 그대로 전기 신호(wire)를 통해 비행(fly)을 제어하는 시스템을 의미한다. 조종사의 조작 입력과 실제 항공기 제어면(control surface) 또는 액추에이터 사이에 컴퓨터 시스템이 개입하는 방식이다. 컴퓨터는 조종사의 입력을 받지만, 현재 비행 상태와 설정된 제어 법칙에 따라 이를 적절히 조절하여 최종 명령을 내린다.[2] 조종사는 사이드스틱이나 전통적인 조종간을 사용하여 플라이 바이 와이어 항공기를 조종할 수 있다.[4]

간단한 피드백 루프 구조


작동 과정은 다음과 같다. 먼저 조종사가 조종간이나 사이드스틱을 움직여 특정 기동(예: 상승, 선회)을 명령한다. 이 입력 신호는 전기 신호로 변환되어 비행 제어 컴퓨터(Flight Control Computer, FCC)로 전달된다. 컴퓨터는 현재 항공기의 상태(속도, 고도, 자세 등)를 다양한 센서로부터 받아 분석하고, 조종사의 명령을 수행하기 위해 각 제어면(에일러론, 엘리베이터, 러더 등)이 얼마나 움직여야 하는지를 계산한다. 계산된 명령은 각 제어면을 담당하는 전자 컨트롤러로 전송된다.[1] 각 컨트롤러는 이 명령에 따라 해당 제어면에 연결된 액추에이터(유압식 또는 전기식 구동 장치)를 작동시켜 제어면을 움직인다. 이때 LVDT(선형 가변 차동 변압기)와 같은 센서가 제어면의 실제 위치를 지속적으로 측정하여 비행 제어 컴퓨터로 다시 보내는데, 이를 피드백이라고 한다. 컴퓨터는 이 피드백 정보를 바탕으로 제어면이 정확히 의도한 위치에 도달했는지 확인하고 필요하면 명령을 수정한다.[6]

특히 디지털 플라이 바이 와이어 시스템은 아날로그 시스템보다 더욱 발전된 형태이다. 디지털 신호 처리를 통해 고도계, 피토관 등 여러 센서로부터 들어오는 다양한 정보를 동시에 수신하고 통합적으로 해석하여 실시간으로 정밀하게 제어 명령을 조절할 수 있다. 컴퓨터는 조종석 입력(조종사의 의도)과 항공기 센서 정보(실제 비행 상태)를 바탕으로, 항공기의 운동 방정식과 관련된 복잡한 미분 방정식을 풀어 최적의 제어 명령을 생성한다.[25]

디지털 컴퓨터의 프로그래밍을 통해 비행 봉투 보호 (Flight Envelope Protection) 기능을 구현할 수 있다. 이는 항공기가 공기역학적 또는 구조적 한계를 벗어나지 않도록 컴퓨터가 조종사의 조작을 제한하거나 자동으로 개입하는 기능이다. 예를 들어, 컴퓨터는 조종사가 의도치 않게 항공기를 실속이나 스핀 상태에 빠뜨리려 하거나, 허용된 속도 또는 G-force 한계를 초과하려 할 때 이를 자동으로 방지한다. 또한, 조종사의 급격한 조작으로 인해 발생할 수 있는 조종사 유도 진동 (PIO)을 억제하여 비행 안정성을 높이는 소프트웨어도 포함된다.[26]

이러한 비행 제어 컴퓨터의 지속적인 피드백과 자동 제어 기능은 조종사의 업무 부담을 크게 줄여준다.[26] 또한, 플라이 바이 와이어 시스템은 완화된 안정성 (Relaxed Stability) 설계를 가능하게 한다. 이는 항공기 자체의 공기역학적 안정성을 의도적으로 낮추어 기동성을 극대화하는 설계 방식으로, 컴퓨터의 지속적인 개입 없이는 비행이 불안정해진다. 이러한 설계는 특히 군용 항공기에서 기동성 향상에 큰 이점을 제공하며, 컴퓨터가 실속, 스핀 등 위험한 상태를 자동으로 방지해주므로 조종사는 소위 "걱정 없는 조종 (carefree handling)"을 할 수 있게 된다. 대표적으로 록히드 F-117 나이트호크 스텔스 공격기나 노스롭 그러먼 B-2 스피릿 스텔스 폭격기와 같은 비행익 형태의 항공기는 공기역학적으로 매우 불안정하지만, 정교한 디지털 플라이 바이 와이어 시스템 덕분에 안전하고 효과적으로 비행할 수 있다.[25]

3. 2. 자동 안정 시스템

플라이 바이 와이어 제어 시스템은 항공기 컴퓨터가 조종사의 직접적인 입력 없이도 특정 작업을 수행할 수 있게 한다. 자동 안정 시스템은 이러한 기능의 대표적인 예시이다. 이 시스템은 항공기에 장착된 자이로스코프와 가속도계 같은 센서를 이용하여 피치, 롤 및 요 축에서의 회전, 즉 항공기의 자세 변화를 감지한다. 예를 들어, 항공기가 수평 비행 등 의도한 자세에서 벗어나는 움직임이 감지되면, 이 정보는 즉시 컴퓨터로 전송된다. 컴퓨터는 이 신호를 바탕으로 제어 액추에이터를 자동으로 조작하여 항공기의 자세를 안정시킨다.[7]

4. 장점 및 단점

기존의 기계식 및 유압식 비행 제어 시스템은 무겁고 구조가 복잡하며, 공기역학적 변화에 대한 보상 능력이 제한적이었다.[3] 플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW) 시스템은 이러한 기계적 연결 대신 전기 신호를 사용하여 조종사의 입력을 컴퓨터로 전달하고, 컴퓨터가 이를 해석하여 액추에이터를 통해 조종면을 움직이는 방식이다.[2] 조종사의 조작은 센서를 통해 전기 신호로 변환되어 컴퓨터 시스템을 거쳐 액추에이터로 전달되며, 이 과정에서 컴퓨터는 기체의 상태를 감지하고 조종 입력을 보정하거나 제한할 수 있다.

플라이 바이 와이어 시스템은 여러 장점과 단점을 가진다.

주요 장점으로는 기계 부품 감소에 따른 무게 감소 및 정비성 향상, 설계 자유도 증가(사이드 스틱[4] 등), 컴퓨터 제어를 통한 자동화 및 안전 기능 강화(자동 조종 통합, 비행 한계 보호, 조종사 유도 진동 억제 등), CCV 기술 적용으로 인한 기동성 향상, 제어 시스템의 다중화 용이성 등이 있다.[5][7][25][26]

반면, 단점으로는 소프트웨어 오류의 위험성(에어 프랑스 447편 추락 사고 등 관련 사례 존재), 안정적인 전원 공급의 필수성 및 전원 상실 시 조종 불능 위험, 조종사와 조종면 간의 물리적 연결 부재로 인한 직관적인 피드백 부족, 특정 상황에서의 조작 실수 유발 가능성(예: G-LOC) 등이 지적된다.

이러한 단점을 보완하기 위해 대부분의 FBW 시스템은 다중화된 컴퓨터 채널과 비상 백업 시스템을 갖춘다.[1][7] 디지털 시스템의 경우, 내장 시험 장비(BITE)를 통한 자동 점검 기능도 제공된다.

4. 1. 장점

플라이 바이 와이어 시스템은 여러 가지 장점을 제공한다.

  • 조종사 임무량 감소: 시스템이 다양한 기능을 제공하여 조종사에게 더 편리한 인터페이스를 제공한다. 또한, 조종사의 판단 이전에 필요한 계산을 수행하여 더욱 정확한 비행 조정이 가능하다. 비행 제어 컴퓨터가 비행 환경에 대한 피드백을 지속적으로 제공하므로 조종사의 작업 부담이 줄어든다.[26]

  • 항공기 구조 안전성 증가: 시스템은 조종사의 명령을 고려하여 작동하며, 조종사가 의도치 않게 항공기 구조에 과도한 스트레스를 주거나 스톨 상태로 진입하는 위험한 상황을 방지한다. 디지털 플라이 바이 와이어 시스템은 비행 봉투 보호 기능을 통해 이러한 안전성을 더욱 강화한다. 이 보호 기능은 항공기가 공기역학적 및 구조적 한계 내에서 안전하게 비행하도록 조종 특성을 조정한다. 예를 들어, 컴퓨터는 실속 및 스핀을 방지하고 항공기의 속도와 중력 가속도를 제한하여 조종사가 설정된 비행 한계를 초과하는 것을 막는다. 또한, 소프트웨어는 조종사 유도 진동을 억제하여 비행 제어 입력의 안정성을 유지하도록 설계될 수 있다.[26]

  • 무게 감소 및 효율성 향상: 기존의 기계식 및 유압식 항공기 비행 제어 시스템은 무겁고, 제어 케이블, 도르래, 유압 파이프 등을 항공기 내부에 복잡하게 배치해야 했다. 또한 고장 대비를 위한 이중 백업 시스템은 무게를 더욱 증가시켰다.[3] 플라이 바이 와이어 시스템은 이러한 무거운 기계적 연결 구조물이 필요 없어 상당한 무게 감소를 가져오며, 이는 연료 효율성 향상으로 직접 이어진다. 또한, 항공기의 자연적인 안정성 요구 조건을 완화할 수 있어(특히 기동성이 중요한 전투기의 경우 더욱 완화 가능), 동체 후방의 안정판(수직 미익 및 수평 미익) 크기를 줄일 수 있다. 이러한 구조물의 크기가 줄어들면 항공기 동체의 무게가 추가로 감소한다.[5] 예를 들어, 엠브라에르 E-Jet E2 계열 항공기는 플라이 바이 와이어 시스템을 통해 수평 안정판 크기를 약 26.01m2에서 약 23.23m2로 줄여 1세대 모델 대비 1.5%의 연료 효율성 개선을 달성했다.[29]

  • 자동 안정성: 플라이 바이 와이어 시스템은 항공기 컴퓨터가 조종사의 직접적인 입력 없이도 항공기를 자동으로 제어할 수 있게 한다. 자이로스코프나 가속도계와 같은 센서가 항공기의 자세 변화(피치, 롤 및 요 축 회전)를 감지하면, 컴퓨터는 자동으로 제어 액추에이터를 움직여 항공기를 안정시킨다.[7]

  • 디지털 시스템의 이점: 디지털 플라이 바이 와이어 시스템은 아날로그 시스템보다 더욱 발전된 형태이다. 디지털 신호 처리는 고도계나 피토관과 같은 여러 센서로부터 입력을 동시에 받아 실시간으로 해석하고 제어 장치를 정밀하게 조절할 수 있다. 컴퓨터는 조종석 제어 장치(사이드 스틱 또는 조종간[4])와 항공기 센서로부터 위치 및 힘 입력을 감지하고, 항공기의 운동 방정식과 관련된 미분 방정식을 풀어 조종사의 의도를 정확히 실행하기 위한 최적의 명령 신호를 결정한다.[25]

  • 기동성 향상 및 불안정 항공기 제어: 완화된 안정성을 가진 군용 항공기 설계가 가능해진다. 이는 전투 및 훈련 비행 중 기동성을 크게 향상시키는 주요 이점이다. 컴퓨터가 실속, 스핀 등 바람직하지 않은 비행 상태를 자동으로 방지해주므로 조종사는 소위 "걱정 없는 조종"을 할 수 있다. 디지털 비행 제어 시스템(DFCS) 덕분에 록히드 F-117 나이트호크나 노스롭 그러먼 B-2 스피릿과 같이 본질적으로 불안정한 비행익 항공기도 안정적이고 안전하게 비행할 수 있게 되었다.[25]

  • 경제성: 비행 제어 시스템의 이중화는 안전성을 향상시키는데, 플라이 바이 와이어 시스템은 기존 방식보다 물리적으로 가볍고 유지 보수 요구 사항이 적어 소유 비용 절감 및 운항 경제성 향상에 기여한다. 보잉 777과 같이 피치 축에서 제한된 완화 안정성을 가진 설계의 경우, 비행 제어 시스템은 기존의 안정적인 설계보다 항공기가 공기역학적으로 더 효율적인 받음각으로 비행하도록 할 수 있다. 또한, 현대 항공기에 흔히 탑재되는 FADEC(Full-Authority Digital Engine Control) 시스템과 연동하여 엔진 출력을 지속적으로 최적화하고 연료 사용 효율을 극대화할 수 있다.[28]

4. 2. 단점

5. 안전 및 중복성

플라이 바이 와이어 시스템 설계 시 안전과 신뢰성 확보는 매우 중요한 요소이다. 기존의 기계식 및 유압식 비행 제어 시스템은 무겁고 항공기 내부에 복잡한 배선이 필요하며, 고장 대비를 위한 백업 시스템 추가 시 무게가 더 증가하는 단점이 있다.[3] 또한, 이러한 시스템은 고장이 발생하더라도 점진적으로 기능이 저하되는 경향이 있다.[1]

반면, 순수하게 전기 신호와 컴퓨터를 이용하는 플라이 바이 와이어 시스템[2]은 모든 비행 제어 컴퓨터가 동시에 기능을 상실할 경우 항공기가 즉시 제어 불능 상태에 빠질 수 있는 잠재적 위험성을 내포한다.[1] 이러한 위험에 대비하여 플라이 바이 와이어 시스템은 중복성(redundancy)을 핵심적인 안전 설계 원칙으로 삼는다. 일반적으로 여러 개의 독립적인 비행 제어 컴퓨터(삼중, 사중 등)와 데이터 통신 경로를 병렬로 운영하여, 하나의 컴퓨터나 통신 경로에 문제가 생기더라도 다른 시스템이 즉시 제어 기능을 이어받아 비행 안전성을 유지하도록 설계된다.[1][7][25][26]

또한, 컴퓨터 시스템의 완전한 고장과 같은 만일의 사태에 대비하기 위해, 많은 플라이 바이 와이어 항공기는 기본적인 비행 제어를 위한 기계식, 유압식 또는 전기식 백업 시스템을 추가로 갖추고 있다.[1][8]

디지털 플라이 바이 와이어 시스템은 비행 봉투 보호 기능을 통해 조종사가 의도치 않게 항공기의 공기역학적 또는 구조적 한계를 넘어서는 위험한 조작을 시도하는 것을 방지하여 안전성을 더욱 향상시킨다. 예를 들어, 컴퓨터는 실속이나 스핀과 같은 위험한 상태에 빠지지 않도록 자동으로 제어를 보조하거나 제한할 수 있다.[26]

비행 전에는 내장 시험 장비(BITE)를 사용하여 플라이 바이 와이어 시스템의 각 구성 요소가 정상적으로 작동하는지 자동으로 점검함으로써, 잠재적인 문제를 사전에 발견하고 안전한 비행을 준비한다.

이처럼 다층적인 중복 설계와 자동 안전 기능들은 플라이 바이 와이어 시스템의 높은 신뢰성과 안전성을 보장하는 핵심 요소이다.

5. 1. 고장 대비

항공기가 운용 중일 때는 안전을 저해하는 고장이 없어야 한다. 이를 위해 플라이 바이 와이어 시스템은 센서, 컴퓨터, 액추에이터 등을 중복으로 구성하여 시스템 고장 시 성능 저하를 최소화한다. 성능이 저하되더라도 필수 시스템은 조종이 가능하여 비행 및 착륙이 가능하도록 유지해야 한다.

전통적인 기계식 또는 유압식 비행 제어 시스템은 일반적으로 점진적으로 고장나는 반면, 플라이 바이 와이어 시스템은 모든 비행 제어 컴퓨터의 손실이 발생하면 즉시 항공기를 제어 불능 상태로 만들 수 있다. 이러한 이유로 대부분의 플라이 바이 와이어 시스템은 여러 개의 중복된 컴퓨터(삼중, 사중 등)와 함께 기계식 또는 유압식 백업 시스템, 혹은 이 둘의 조합을 갖춘다.[1] 항공기 시스템은 하나의 채널 또는 두 개의 채널 고장 시 신호 손실을 방지하기 위해 사중화(4개의 독립된 채널)될 수 있다.[7] 여러 개의 중복된 비행 제어 컴퓨터는 서로의 출력을 지속적으로 감시한다. 만약 소프트웨어나 하드웨어 오류, 또는 잘못된 입력 데이터 등으로 인해 하나의 컴퓨터가 비정상적인 결과를 내기 시작하면, 결합된 시스템은 해당 컴퓨터의 결과를 제외하고 비행 제어를 위한 적절한 조치를 결정하도록 설계되었다. 시스템 세부 사항에 따라 비정상적인 컴퓨터를 재부팅하거나, 결과가 정상으로 돌아오면 입력을 다시 통합할 수도 있다. 여러 번의 고장을 처리하기 위한 복잡한 논리가 존재하며, 이는 시스템이 더 간단한 백업 모드로 전환되도록 유도할 수 있다.[25][26]

초기 디지털 플라이 바이 와이어 항공기 대부분은 아날로그 전기, 기계 또는 유압 백업 비행 제어 시스템을 가지고 있었다. 예를 들어, 우주왕복선은 주 비행 제어 소프트웨어를 실행하는 4개의 중복된 디지털 컴퓨터 세트 외에도, 별도로 개발된 축소 기능의 소프트웨어 비행 제어 시스템을 실행하는 다섯 번째 백업 컴퓨터를 가지고 있었다. 이 백업 시스템은 다른 4대의 컴퓨터 모두에 영향을 미치는 결함이 발생할 경우 명령을 받아 제어권을 인수할 수 있도록 설계되어, 범용 비행 소프트웨어 결함으로 인한 전체 비행 제어 시스템 고장 위험을 줄이는 역할을 했다.[1][25] 일부 항공기, 예를 들어 파나비아 토네이도는 전력 손실 시 제한된 비행 제어 기능을 위해 매우 기본적인 유압-기계식 백업 시스템을 유지한다. 토네이도의 경우, 이는 피치 및 롤 축 이동에 대해 안정판의 기본적인 제어만 허용한다.[8]

에어버스 A320 이후의 에어버스 항공기는 정상 작동 시 항상 최종적인 비행 제어 권한을 시스템이 가지며, 조종사가 대체 작동 모드로 비행하지 않는 한 항공기 성능 한계를 초과하는 것을 허용하지 않는다.[30] 이러한 보호 기능은 이후 에어버스 여객기에도 적용되었다.[31][32] 그러나 중복된 컴퓨터에 여러 오류가 발생할 경우에 대비한 백업 시스템이 존재한다. A320은 피치 트림과 러더에 대한 기계식 백업 시스템을 갖추고 있으며, 에어버스 A340은 순수 전기식 백업 러더 제어 시스템을, 에어버스 A380부터는 모든 비행 제어 시스템이 "3축 백업 제어 모듈"(BCM)을 사용하여 순수 전기식 백업 시스템을 갖추고 있다.[33] 반면, 보잉 777과 같은 보잉 여객기는 조종사가 컴퓨터 비행 제어 시스템을 완전히 무시하고 항공기가 일반적인 비행 제어 범위를 벗어나 비행할 수 있도록 허용한다.

플라이 바이 와이어 시스템의 비행 전 안전 점검은 종종 내장 시험 장비(BITE)를 사용하여 수행된다. BITE는 일련의 제어 이동 단계를 자동으로 수행하여 조종사나 지상 승무원의 작업량을 줄이고 비행 점검 속도를 높일 수 있다.

5. 2. 하드웨어 구성

플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW) 시스템의 핵심은 비행 제어를 담당하는 컴퓨터 시스템이다. 일반적으로 3중(Triplex)으로 구성된 메인 컴퓨터가 항공기 조종면과 엔진의 움직임을 제어하는 신호를 생성한다.[3] 여기에 2중(Duplex) 보조 컴퓨터가 백업 시스템으로 작동하여 메인 컴퓨터에 문제가 발생하면 자동으로 제어권을 넘겨받는다. 이때 여러 컴퓨터 중 하나만 실제로 비행 조정을 담당하지만, 나머지도 항상 준비 상태로 대기하여 전환 시 지연이 없도록 설계된다. 시스템의 신뢰성을 높이기 위해 메인 컴퓨터와 보조 컴퓨터에는 서로 다른 제조사의 프로세서를 사용하기도 한다. 이는 특정 하드웨어 설계 결함으로 인한 동시 고장 가능성을 줄이기 위한 것이다.

컴퓨터 내부는 입력된 신호를 처리하는 '명령 처리 부분'과 그 결과를 감시하는 '모니터 부분'으로 나뉜다. 두 부분은 처리 결과를 비교하여 이상이 없을 때만 최종 신호를 출력한다. 더 나아가 컴퓨터 내부에서도 명령 처리 부분과 모니터 부분은 하드웨어적으로 분리된 별도의 채널로 구성되며, 각 채널은 서로 다른 프로그래밍 언어로 작성된 소프트웨어를 사용하기도 한다. 이는 소프트웨어 오류 가능성까지 고려한 설계이다. 각 채널의 출력 데이터는 비교기(comparator)를 통해 지속적으로 비교되며, 만약 데이터가 일치하지 않으면 오류로 간주하고 즉시 다른 정상 컴퓨터로 제어권이 넘어간다.

전통적인 기계식 또는 유압식 제어 시스템은 고장이 발생하더라도 점진적으로 기능이 저하되는 경향이 있지만, FBW 시스템은 모든 비행 제어 컴퓨터가 동시에 손실될 경우 항공기가 즉시 제어 불능 상태에 빠질 수 있다.[1] 이러한 위험 때문에 대부분의 FBW 시스템은 여러 개의 컴퓨터(삼중, 사중 등)를 중복으로 사용하거나, 기계식 또는 유압식 백업 시스템, 혹은 이 둘의 조합을 갖춘다.[1] 특히 고성능 항공기의 경우, 신호 손실을 방지하기 위해 4개의 독립된 채널로 구성된 사중화(Quadruplex) 시스템을 사용하기도 한다.[7] 여러 개의 비행 제어 컴퓨터는 서로의 출력을 지속적으로 감시하며, 소프트웨어나 하드웨어 오류, 또는 잘못된 입력 데이터 등으로 인해 특정 컴퓨터가 비정상적인 결과를 출력하면, 시스템은 해당 컴퓨터의 결과를 제외하고 비행 제어를 수행한다. 문제가 발생한 컴퓨터는 상황에 따라 재부팅되거나, 정상 상태로 복귀하면 다시 시스템에 통합될 수 있다. 여러 번의 고장이 발생할 경우를 대비한 복잡한 논리가 구현되어 있으며, 심각한 문제가 발생하면 시스템은 기능이 제한된 백업 모드로 전환될 수 있다.[25][26]

초기 디지털 FBW 항공기 중 다수는 아날로그 전기, 기계, 또는 유압 방식의 백업 비행 제어 시스템을 가지고 있었다.[1] 예를 들어, 우주왕복선은 주 비행 제어 소프트웨어를 실행하는 4개의 중복된 디지털 컴퓨터 외에도, 별도로 개발된 축소 기능의 소프트웨어를 실행하는 다섯 번째 백업 컴퓨터를 탑재했다. 이는 주 컴퓨터 4대 모두에 영향을 미치는 공통 결함(예: 소프트웨어 버그) 발생 시에도 비행 제어를 유지하기 위한 조치였다.[1][25] 일부 항공기는 전력 손실과 같은 비상 상황에 대비해 매우 기본적인 기계식 또는 유압식 백업 시스템을 유지하기도 한다. 파나비아 토네이도 전투기는 기본적인 유압-기계식 백업 시스템을 통해 피치 및 롤 축의 안정판을 제한적으로 제어할 수 있다.[8] 상업용 항공기의 경우, 에어버스는 모델에 따라 백업 시스템 구성에 차이를 보인다. A320은 피치 트림과 러더에 대한 기계식 백업을 갖추고 있으며, 에어버스 A340은 전기식 백업 러더 제어 시스템을, 에어버스 A380부터는 모든 비행 제어 시스템에 대해 "3축 백업 제어 모듈"(BCM)이라는 전기식 백업 시스템을 사용한다.[33]

FBW 시스템은 항공기에 장착된 다양한 센서로부터 정보를 입력받는다. 자이로스코프와 가속도계 같은 센서들은 항공기의 자세 변화, 즉 피치(pitch), 롤(roll), 요(yaw) 축의 회전을 감지한다.[7] 예를 들어, 항공기가 수평 비행 상태에서 벗어나려는 움직임이 감지되면, 센서는 이 정보를 컴퓨터로 보내고, 컴퓨터는 자동으로 제어 액추에이터를 움직여 항공기를 안정시키는 '자동 안정성 시스템' 기능을 수행할 수 있다.[7]

FBW 시스템의 비행 전 안전 점검은 종종 내장 시험 장비(BITE, Built-in test equipment)를 사용하여 수행된다. BITE는 일련의 제어 명령을 자동으로 실행하여 시스템의 정상 작동 여부를 점검함으로써, 조종사나 지상 승무원의 작업 부담을 줄이고 점검 시간을 단축하는 데 도움을 준다.

5. 3. 소프트웨어 다양성

컴퓨터화된 디지털 플라이 바이 와이어 시스템의 가장 큰 관심사는 아날로그 전자 제어 시스템보다 신뢰성이다. 이는 소프트웨어를 실행하는 디지털 컴퓨터가 조종사와 항공기의 비행 제어면 사이의 유일한 제어 경로인 경우가 많기 때문이다. 어떤 이유로든 컴퓨터 소프트웨어가 충돌하면 조종사가 항공기를 제어할 수 없게 될 수 있다.

이러한 신뢰성 문제를 해결하고 고장 확률을 줄이기 위해 여러 방법을 사용한다. 우선, 메인 컴퓨터와 보조 컴퓨터는 서로 다른 제작사의 프로세서를 사용하여 특정 하드웨어에서 발생할 수 있는 공통적인 결함 가능성을 낮춘다. 또한, 각 비행 제어 채널(메인 및 보조)을 위한 소프트웨어는 서로 다른 개발팀이 각기 다른 프로그래밍 언어를 사용하여 개발한다. 이는 동일한 설계 오류나 코딩 실수가 여러 시스템에 동시에 영향을 미치는 것을 방지하기 위함이다.

사실상 모든 플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템은 컴퓨터와 전자 장치에서 3중 또는 4중 중복 구조를 갖는다. 이 시스템들은 병렬로 작동하는 3개 또는 4개의 비행 제어 컴퓨터와 각 제어면에 연결하는 3개 또는 4개의 별도 데이터 버스로 구성된다.

여러 개의 중복된 비행 제어 컴퓨터는 서로의 출력을 지속적으로 모니터링한다. 만약 소프트웨어나 하드웨어 오류, 또는 잘못된 입력 데이터 등으로 인해 하나의 컴퓨터가 비정상적인 결과를 내기 시작하면, 결합된 시스템은 해당 컴퓨터의 결과를 제외하고 비행 제어에 대한 적절한 조치를 결정하도록 설계되었다. 시스템 세부 사항에 따라 비정상적인 비행 제어 컴퓨터를 재부팅하거나, 결과가 다시 정상 범위로 돌아오면 시스템에 다시 통합할 수도 있다. 여러 번의 고장이 발생하는 복잡한 상황을 처리하기 위한 논리도 포함되어 있으며, 이는 시스템이 더 간단한 백업 모드로 전환되도록 유도할 수 있다.[25][26]

또한, 초기 디지털 플라이 바이 와이어 항공기 대부분은 아날로그 전기, 기계 또는 유압 백업 비행 제어 시스템을 가지고 있었다.[1] 예를 들어, 우주왕복선은 주 비행 제어 소프트웨어를 실행하는 4개의 중복된 디지털 컴퓨터 세트 외에도, 별도로 개발된 축소된 기능의 소프트웨어 비행 제어 시스템을 실행하는 다섯 번째 백업 컴퓨터를 가지고 있었다. 이 백업 시스템은 다른 4대의 컴퓨터 모두에 영향을 미치는 공통적인 결함이 발생할 경우 제어권을 인수할 수 있도록 설계되었다. 이는 주 시스템 전체에서 발견되지 않은 범용 비행 소프트웨어 결함으로 인해 전체 비행 제어 시스템이 고장 나는 위험을 줄이는 역할을 했다.[1][25]

미국 연방 항공국(FAA)은 항공 소프트웨어 인증 표준으로 "항공 시스템 및 장비 인증의 소프트웨어 고려 사항"이라는 제목의 DO-178C를 채택했다. 항공 역학 및 컴퓨터 운영 체제의 법칙을 적용하는 것을 포함하여 디지털 플라이 바이 와이어 시스템의 모든 안전 필수 구성 요소는 잠재적인 치명적인 고장을 방지하기 위해 항공기 등급에 따라 DO-178C 레벨 A 또는 B로 인증을 받아야 한다.[27]

5. 4. 시스템 재구성

비행 조정 시스템은 시스템 자원의 손실을 만회하기 위해 자동적으로 재구성된다. 이는 대체 조정 소프트웨어로 전환하는 방식으로 이루어지며, 다음과 같은 3가지 모드가 있다.

  • '''정상'''(Normal): 비행 조정을 완전히 수행하여 조종사의 임무 부담을 줄이는 모드.
  • '''대체'''(Alternate): 최소한의 컴퓨터 지원으로 비행 조정을 수행하는 모드.
  • '''직접'''(Direct): 컴퓨터 계산 없이 직접 제어하는 모드.


최소 2개 이상의 시스템 고장이 발생해야 정상 모드를 벗어나 다른 모드로 전환된다.

전통적인 기계식 또는 유압식 제어 시스템은 점진적으로 고장나는 경향이 있지만, 플라이 바이 와이어 시스템은 모든 비행 제어 컴퓨터의 손실이 즉시 항공기를 제어 불능 상태로 만들 수 있다.[1] 이러한 잠재적 위험 때문에 대부분의 플라이 바이 와이어 시스템은 중복성 컴퓨터(3중, 4중 등)나 기계식 또는 유압식 백업 시스템, 혹은 이 둘의 조합을 통합하여 안전성을 확보한다.[1] 기계식 백업이 있는 "혼합" 제어 시스템은 조종사에게 모든 방향타 고도를 직접 피드백하므로 폐쇄 루프(피드백) 시스템이 무의미하게 된다.[1]

이러한 중복성은 하나의 채널 또는 두 개 채널의 고장 시에도 신호 손실을 방지하기 위해 4개의 독립 채널을 사용하는 사중화(quadruplex) 방식으로 구현되기도 한다.[7] 여러 개의 중복된 비행 제어 컴퓨터는 서로의 출력을 지속적으로 감시한다. 만약 특정 컴퓨터가 소프트웨어나 하드웨어 오류, 또는 잘못된 입력 데이터 등으로 비정상적인 결과를 보이면, 시스템은 해당 컴퓨터의 결과를 제외하고 비행 제어를 결정하도록 설계되었다.[25][26] 복잡한 로직을 통해 여러 번의 고장을 처리하며, 필요한 경우 시스템은 더 단순한 백업 모드로 전환될 수 있다.[25]

초기 디지털 플라이 바이 와이어 항공기 중 다수는 아날로그 전기, 기계 또는 유압 백업 비행 제어 시스템을 갖추고 있었다. 예를 들어, 우주왕복선은 주 비행 제어 소프트웨어를 실행하는 4개의 중복 디지털 컴퓨터 외에, 별도로 개발된 축소 기능의 소프트웨어를 실행하는 다섯 번째 백업 컴퓨터를 탑재했다. 이는 주 시스템 전체에 영향을 미칠 수 있는 공통 소프트웨어 결함 발생 시 제어권을 인수하여 시스템 고장 위험을 줄이기 위함이었다.[1][25]

일부 항공기는 전력 손실과 같은 비상 상황에 대비해 제한된 비행 제어 기능을 제공하는 기본적인 백업 시스템을 유지하기도 한다. 예를 들어 파나비아 토네이도는 유압-기계식 백업 시스템을 통해 피치 및 롤 축에 대한 기본적인 안정판 제어만 가능하도록 했다.[8] 에어버스 항공기의 경우, A320은 피치 트림과 러더에 대한 기계식 백업을, 에어버스 A340은 순수 전기식 백업 러더 제어를, 에어버스 A380부터는 모든 비행 제어에 대해 순수 전기식 백업 시스템("3축 백업 제어 모듈", BCM)을 갖추고 있다.[33]

5. 5. 복수 액추에이터

컴퓨터와 조정면은 서로 연결되어 있으며, 각 조정면은 여러 개의 독립적인 액추에이터에 의해 움직인다. 각각의 액추에이터는 서로 다른 컴퓨터의 제어를 받는다. 이는 특정 액추에이터나 컴퓨터가 고장 나더라도 조정면의 작동이 멈추지 않도록 하기 위한 설계이다. 또한 시스템의 안정성을 높이기 위해 유압 시스템은 3중으로 구성하고, 전기 배선 경로(route)도 서로 다르게 배치한다.

6. 종류

플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW) 시스템은 조종사의 조작을 전기 신호로 변환하여 컴퓨터를 통해 제어면에 전달하는 방식이다. 이는 기존의 무겁고 복잡한 기계식 또는 유압식 제어 시스템을 대체하며[3], 신호 처리 방식, 전송 매체, 동력 전달 방식 등에 따라 여러 종류로 나눌 수 있다.

FBW 시스템은 신호 처리 방식에 따라 크게 아날로그 FBW와 디지털 FBW로 구분된다. 아날로그 FBW는 전기 신호를 아날로그 방식으로 처리하는 초기 형태이며, 디지털 FBW는 전기 신호를 디지털 방식으로 처리하여 비행 봉투 보호와 같은 다양한 부가 기능 구현이 가능한 현대 항공기에 주로 사용되는 방식이다. 이 두 시스템에 대한 자세한 내용은 하위 섹션에서 다룬다.

전기 신호 대신 광섬유를 이용해 빛 신호로 제어 명령을 전달하는 방식은 플라이 바이 라이트(Fly-by-Light, FBL)라고 한다. FBL은 전자파 간섭에 강하고 무게가 가벼운 장점을 가진다.[40] 일본의 가와사키 P-1 초계기는 세계 최초로 FBL 시스템을 채택한 양산 항공기이다.[41]

FBW에서 한 단계 더 나아가 제어면을 움직이는 동력 전달 과정에서 유압 시스템을 제거하고 전기 동력 액추에이터를 사용하는 시스템은 파워 바이 와이어(Power-by-Wire, PBW)라고 부른다. 이는 무게 절감, 시스템 단순화, 정비성 향상 등의 이점을 제공한다. F-35와 에어버스 A380의 백업 비행 제어 시스템 등에 적용되었으며, 보잉 787과 에어버스 A350 역시 유압 시스템 완전 고장 시를 대비한 전기식 백업 비행 제어 시스템을 갖추고 있다.[42]

또한, 제어 신호를 유선이 아닌 무선으로 전송하는 플라이 바이 와이어리스(Fly-by-Wireless) 시스템에 대한 연구도 진행 중이다. 배선을 제거함으로써 무게 감소, 설계 유연성 증대, 정비 용이성 향상 등의 잠재적 이점을 가질 것으로 기대된다.[43]

최근에는 디지털 FBW를 기반으로, 비행 중 발생하는 심각한 고장이나 손상(엔진 고장, 제어면 손실 등)에 대해 시스템이 스스로 판단하여 엔진 추력 등을 조절해 안정성을 확보하도록 설계된 지능형 비행 제어 시스템(Intelligent Flight Control System, IFCS)도 개발되고 있다. 이는 NASA 암스트롱 비행 연구 센터 등에서 주도적으로 연구하고 있는 차세대 기술이다.[44]

6. 1. 아날로그 시스템

플라이 바이 와이어(Fly-by-wire, FBW) 비행 제어 시스템은 기존의 기계식 또는 유압 기계식 시스템이 가진 복잡성, 취약성, 무게 문제를 전자 회로로 대체하여 해결한다.[3] 조종석의 제어 장치(예: 사이드 스틱 또는 조종간)는 신호 변환기를 작동시켜 전기적 명령 신호를 생성한다.[4] 이 신호는 전자 컨트롤러에 의해 처리되어 각 제어면을 움직이는 작동기(actuator)로 전달된다. 초기 또는 가장 단순한 형태의 FBW 시스템은 아날로그 방식을 사용했다.

아날로그 FBW 시스템에서는 유압 회로 자체는 유지될 수 있지만, 조종사의 기계적 입력을 직접 전달받던 서보 밸브가 전자 컨트롤러의 신호를 받아 작동하는 전기 유압식 서보 밸브로 대체된다. 이 방식은 기계적 연결 없이 전기 신호만으로 제어가 이루어지기 때문에, 조종사에게 항공기 상태나 공기력 변화에 따른 조종 감각('피드백')을 인공적으로 생성하여 전달하는 장치가 필요하다. 전자 컨트롤러는 이러한 '인공 감각'을 제공하는 장치들을 제어한다.

최초의 FBW 생산 항공기인 콩코드는 이러한 아날로그 FBW 시스템을 채택했다.[24] 콩코드 이전에도 FBW 기술에 대한 연구와 실험은 꾸준히 진행되었다. 1930년대 소련의 투폴레프 ANT-20 항공기는 서보-전기식 제어면을 시험했으며[9], 1941년 독일에서는 지멘스의 엔지니어였던 Karl Otto Altvater가 Heinkel He 111 폭격기를 이용해 전자 신호만으로 항공기를 완전히 제어하는 시스템을 개발하고 시험했다.[11] 플라이 바이 와이어 시스템으로 설계되어 실제로 비행까지 성공한 최초의 비(非)실험 항공기는 1958년 캐나다의 Avro Canada CF-105 Arrow 전투기였다.[12][13]

기계적인 백업 시스템 없이 순수하게 전자 신호만으로 제어되는 FBW 시스템은 1964년 달 착륙 연구 차량(LLRV)[16]과 1968년 아폴로 달 착륙 훈련 차량(LLTV)[15]에서 처음으로 구현되었다. 특히 LLTV는 3개의 아날로그 중복 채널을 갖춘 디지털 컴퓨터를 통해 제어되어, 아날로그 기술이 디지털 시스템의 백업으로 활용되는 과도기적 형태를 보여주었다.

한편, 완전한 FBW 시스템으로 넘어가기 전 단계로 제어 증강 시스템(Control Augmentation System, CAS)이 사용되기도 했다. CAS는 조종사의 입력을 전기 신호로 변환하여 유압 작동기를 제어하지만, 컴퓨터는 비행 제어를 보조하는 역할만 수행한다. 이는 완전한 FBW 시스템만큼의 성능 향상은 없지만, 컴퓨터나 기계적 연결 중 하나에 문제가 생겨도 조종이 가능하다는 장점이 있어 F-15와 같은 일부 4세대 제트 전투기에 채택되었다.

6. 2. 디지털 시스템

디지털 플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템은 아날로그 시스템에서 확장된 개념이다. 디지털 신호 처리는 고도계나 피토관과 같은 여러 센서로부터 입력을 동시에 수신하고 해석하여 실시간으로 제어 장치를 조절할 수 있다. 컴퓨터는 조종석 제어 장치와 항공기 센서로부터 위치 및 힘 입력을 감지한다. 그런 다음 항공기의 운동 방정식과 관련된 미분 방정식을 풀어 조종사의 의도를 실행하기 위한 비행 제어에 적절한 명령 신호를 결정한다.[25]

서보 전기식으로 작동하는 제어면은 1930년대 소련의 투폴레프 ANT-20에서 처음 시험되었다.[9] 이 방식에서는 기계식 및 유압 연결의 긴 배선 대신 전선과 전기 서보가 사용되었다. 1934년, Karl Otto Altvater는 항공기가 지면에 가까워졌을 때 착륙 플레어를 수행하는 자동 전자 시스템에 대한 특허를 출원했다.[10] 1941년에는 지멘스의 엔지니어였던 Karl Otto Altvater가 Heinkel He 111에 사용되는 최초의 플라이 바이 와이어 시스템을 개발하고 테스트했는데, 이 시스템에서 항공기는 전자 임펄스에 의해 완전히 제어되었다.[11]

플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템으로 설계되어 비행한 최초의 비실험 항공기는 Avro Canada CF-105 Arrow였다.[12][13] 미국 공군에서 운용한 최초의 전자 플라이 바이 와이어 테스트베드는 Boeing B-47E Stratojet (일련 번호 53-2280)이었다.[14] 영국에서는 1960년대 초중반에 2인승 Avro 707C가 기계식 백업이 있는 Fairey 시스템으로 비행했으며,[18] 이후 영국 로열 항공 연구소는 Hawker Hunter 훈련기 변형을 플라이 바이 와이어 비행 제어 장치로 개조했다.[17]

기계식 또는 유압식 백업이 없는 최초의 순수 전자 플라이 바이 와이어 항공기는 1968년에 처음 비행한 아폴로 달 착륙 훈련 차량 (LLTV)이었다.[15] 이는 1964년에 기계식 백업 없이 플라이 바이 와이어 비행을 개척한 달 착륙 연구 차량 (LLRV)에 이은 것이었다.[16] LLTV의 제어는 3개의 아날로그 중복 채널을 갖춘 디지털 컴퓨터를 통해 이루어졌다. 소련에서는 수호이 T-4도 비슷한 시기에 플라이 바이 와이어로 비행했다.[17]

1969년 콩코드는 플라이 바이 와이어를 채택한 최초의 생산 항공기이자 최초의 여객기가 되었다. 이 시스템은 고체 부품과 시스템 이중화를 포함했으며, 컴퓨터화된 항법 및 자동 탐색 및 추적 레이더와 통합되도록 설계되었고, 데이터 업링크 및 다운링크를 통해 지상 제어로부터 비행이 가능했으며, 조종사에게 인공적인 감각(피드백)을 제공했다.[13]

1972년, 기계식 백업 없이 공중으로 날아간 최초의 디지털 플라이 바이 와이어 고정익 항공기는 F-8 Crusader였으며, 이는 NASA에 의해 실험 항공기로 전자적으로 개조되었다. F-8은 아폴로 유도 컴퓨터를 사용했다.[20]

에어버스 A320은 디지털 플라이 바이 와이어 제어 장치를 갖춘 최초의 대량 생산 여객기로 1988년에 운항을 시작했다. 2024년 6월 현재, A320 패밀리 항공기(변형 포함)가 전 세계적으로 11,000대 이상 운용되고 있다.[21][22] 보잉은 1994년에 보잉 777에 플라이 바이 와이어 비행 제어 장치를 도입했다. 이 시스템은 항공기의 비행 제어를 감독하는 것 외에도, "비행 봉투 보호" 기능을 제공하여 시스템이 실수로 잘못된 취급, 실속 또는 항공기에 과도한 구조적 스트레스가 가해지는 것을 방지하기 위해 개입하도록 보장했다. 777은 ARINC 629 버스를 사용하여 기본 비행 컴퓨터(PFC)를 액추에이터 제어 전자 장치(ACE)에 연결했다. 각 PFC에는 Motorola 68040, Intel 80486 및 AMD 29050을 포함한 3개의 32비트 마이크로프로세서가 있었으며, 모두 Ada 프로그래밍 언어로 프로그래밍되었다.[23]

디지털 컴퓨터의 프로그래밍은 비행 봉투 보호를 가능하게 한다. 이러한 보호는 항공기의 공기역학적 및 구조적 제한 내에서 유지하기 위해 항공기의 조종 특성에 맞게 조정된다. 예를 들어, 비행 봉투 보호 모드의 컴퓨터는 실속 및 스핀을 방지하고 항공기의 속도와 중력 가속도를 제한하는 것과 같이 조종사가 항공기의 비행 제어 봉투에 대한 사전 설정된 제한을 초과하지 못하도록 하여 조종사가 위험하게 조종하는 것을 방지할 수 있다. 소프트웨어는 또한 조종사 유도 진동을 방지하기 위해 비행 제어 입력의 안정성을 유지하도록 포함될 수 있다.[26]

비행 제어 컴퓨터가 환경에 대한 피드백을 지속적으로 제공하므로 조종사의 작업 부담이 줄어들 수 있다.[26] 이는 또한 완화된 안정성을 가진 군용 항공기를 가능하게 한다. 이러한 항공기의 주요 이점은 전투 및 훈련 비행 중 기동성이 향상되고, 컴퓨터에 의해 실속, 스핀 및 기타 바람직하지 않은 성능이 자동으로 방지되므로 소위 "걱정 없는 조종"이 가능하다는 것이다. 디지털 비행 제어 시스템(DFCS)은 록히드 F-117 나이트호크 및 노스롭 그러먼 B-2 스피릿 비행익과 같이 본질적으로 불안정한 전투기를 사용 가능하고 안전한 방식으로 비행할 수 있게 한다.[25]

7. 발전

기존의 기계식 및 유압 기계식 비행 제어 시스템은 상대적으로 무겁고, 비행 제어 케이블을 도르래, 크랭크, 텐션 케이블, 유압 파이프 등을 통해 항공기 내부에 복잡하게 설치해야 했다. 또한 고장 대비를 위한 이중 백업 시스템이 필요한 경우가 많아 무게가 더욱 증가하는 단점이 있었다. 이러한 시스템들은 변화하는 공기역학적 조건에 능동적으로 대처하는 데 한계가 있었으며, 실속, 스핀, 조종사 유도 진동(PIO)과 같은 위험한 상황은 주로 항공기 자체의 안정성과 구조, 그리고 조종사의 조작 능력에 의존해야 했다.[3]

"플라이 바이 와이어(Fly-by-wire)"는 이러한 기계적 연결 대신 전기 신호를 이용해 항공기를 제어하는 시스템을 의미한다. 조종사의 조작과 최종적인 제어 장치(액추에이터) 또는 조종면 사이에 컴퓨터 시스템이 개입하는 방식이다. 컴퓨터는 비행 상황에 맞춰 조종사의 입력을 조절하고 최적화한다.[2] 플라이 바이 와이어 항공기는 사이드 스틱이나 전통적인 비행 조종간을 사용하여 조종할 수 있다.[4]

디지털 플라이 바이 와이어 시스템은 아날로그 시스템에서 더욱 발전한 형태이다. 디지털 신호 처리를 통해 고도계나 피토관과 같은 여러 센서로부터 동시에 정보를 받아 해석하고, 실시간으로 제어 장치를 조절할 수 있다. 컴퓨터는 조종석 제어 장치와 항공기 센서로부터 위치 및 힘 입력을 감지하고, 항공기의 운동 방정식과 관련된 미분 방정식을 풀어 조종사의 의도를 정확히 실행하기 위한 최적의 제어 명령 신호를 생성한다.[25]

디지털 컴퓨터의 프로그래밍을 통해 비행 봉투 보호 기능 구현이 가능해졌다. 이 기능은 항공기의 공기역학적, 구조적 한계를 넘지 않도록 조종 특성을 조절한다. 예를 들어, 컴퓨터는 조종사가 의도치 않게 항공기를 실속이나 스핀 상태에 빠뜨리거나, 속도 및 중력 가속도(G) 제한을 초과하는 위험한 조작을 시도할 경우 이를 자동으로 방지한다. 또한 소프트웨어를 통해 조종사 유도 진동을 억제하여 비행 안정성을 높인다.[26]

비행 제어 컴퓨터가 지속적으로 비행 환경에 대한 피드백을 제공하므로 조종사의 작업 부담이 줄어든다.[26] 이는 특히 완화된 안정성 설계를 적용한 군용 항공기에서 큰 이점을 제공한다. 컴퓨터가 불안정한 비행 특성을 자동으로 제어해주기 때문에 전투나 훈련 중 기동성이 향상되고, 실속이나 스핀 등 위험한 상황을 걱정하지 않고 조종할 수 있는 이른바 '걱정 없는 조종'(carefree handling)이 가능해진다. 디지털 비행 제어 시스템(DFCS) 덕분에 F-117 나이트호크나 B-2 스피릿과 같은 본질적으로 불안정한 비행익 설계의 항공기도 안전하게 운용될 수 있게 되었다.[25]

FADEC(Full Authority Digital Engine Control, 완전 전자식 엔진 제어) 기술의 등장은 플라이 바이 와이어 시스템과 엔진의 자동 스로틀 기능을 완벽하게 통합하는 것을 가능하게 했다. 현대 군용기에서는 자동 안정화, 항법, 레이더, 무기 시스템 등 다른 시스템들도 비행 제어 시스템과 통합되어 운용된다. FADEC을 통해 조종사는 엔진 고장이나 기체 손상, 과도한 작업 부담에 대한 걱정 없이 항공기의 최대 성능을 끌어낼 수 있다.[39]

민간 항공 분야에서도 이러한 통합은 비행 안전과 경제성 향상에 기여한다. 에어버스의 플라이 바이 와이어 항공기들은 비행 영역 보호 기능을 통해 저속 실속이나 과도한 기체 응력과 같은 위험한 상황으로부터 보호받는다. 예를 들어, 실속 위험이 감지되면 비행 제어 시스템은 조종사의 개입 없이도 자동으로 엔진 추력을 높인다. 경제적인 순항 비행 모드에서는 비행 제어 시스템이 스로틀과 연료 탱크 선택을 정밀하게 조절한다. FADEC은 엔진 추력 불균형으로 인한 측면 쏠림 현상을 보정하기 위해 필요한 방향타 사용을 최소화하여 항력을 줄인다. A330/A340 기종에서는 순항 중 항공기 무게 중심을 최적화하기 위해 주 연료 탱크(날개 및 동체 중앙)와 수평 안정판 내 연료 탱크 사이에서 연료를 자동으로 이송하기도 한다. 이는 연료 무게 자체를 이용하여 무게 중심을 정밀하게 유지함으로써, 승강타를 이용한 트림 조절로 발생하는 항력을 줄이는 효과를 낸다.

플라이 바이 와이어 기술은 이후에도 지속적으로 발전하여, 전기 신호 대신 광섬유를 이용하는 플라이 바이 라이트(FBL), 유압 시스템을 전기 시스템으로 대체하는 파워 바이 와이어(PBW), 무선 통신을 이용하는 플라이 바이 와이어리스, 그리고 심각한 고장 상황에 지능적으로 대처하는 지능형 비행 제어 시스템(IFCS) 등으로 진화하고 있다.[40][42][43][44]

7. 1. 플라이 바이 라이트 (Fly-by-light, FBL)

'''플라이 바이 라이트'''(Fly-by-lighteng, '''FBL''') 또는 '''플라이 바이 옵틱스'''(Fly-by-opticseng)는 플라이 바이 와이어(FBW) 시스템에서 한 단계 더 나아간 비행 조종 시스템이다.[40][64] 이 시스템은 기존의 전기 신호선 대신 광섬유 케이블을 사용하여 조종 신호를 전달한다.[40][64]

광섬유를 사용함으로써 플라이 바이 라이트는 다음과 같은 장점을 가진다.

  • 높은 데이터 전송 속도: 전기 신호선보다 훨씬 빠르고 많은 양의 데이터를 전송할 수 있다.[40][64]
  • 전자파 간섭 면역: 외부의 전자 간섭이나 기상 이변 등에 의한 데이터 손실 위험이 적다. 이로 인해 전자파 차폐를 위한 설비가 불필요해진다.[40][64]
  • 경량화: 전자파 차폐 설비 생략 등으로 시스템 전체의 무게를 줄일 수 있다.[40][64]
  • 방화성: 전기 스파크 발생 우려가 없어 화재 위험성이 낮다.[64]


반면, 다음과 같은 단점도 존재한다.

  • 배선 제약: 광섬유는 구리선보다 굽힘에 약해 항공기 내부 배선 설계 시 제약이 따른다.[64]
  • 수리 어려움: 광섬유 케이블이 손상될 경우 현장에서의 수리가 어렵다.[64]


세계 최초로 플라이 바이 라이트 시스템을 채택한 양산 항공기인 가와사키 P-1.


세계 최초로 플라이 바이 라이트 시스템을 채택한 양산 항공기는 일본의 가와사키 중공업이 제작한 가와사키 P-1 해상초계기이다.[41][64]

이 외에도 F-22나 F-35와 같은 최신 전투기에서는 레이더나 전자 광학 센서 등에서 발생하는 방대한 양의 데이터를 처리하기 위해 기체 내 데이터 전송에 광통신 기술을 활용하고 있지만, 조종 계통 자체는 플라이 바이 라이트 방식이 아니다.[65][66] 민간 항공 분야에서는 월드와이드 에어로스사(Worldwide Aeros Corpeng)가 개발 중인 하이브리드 비행선 에어로스크라프트의 시제기 드래곤 드림(Dragon Dreameng)에서 플라이 바이 라이트 시스템의 실증 실험이 이루어진 바 있다.

7. 2. 파워 바이 와이어 (Power-by-wire, PBW)

파워 바이 와이어(Power-by-wire, PBW)는 플라이 바이 와이어(FBW) 시스템에서 한 단계 더 나아가, 부피가 크고 무거운 유압 회로를 전기 전원 회로로 대체하는 기술이다.[42] 기존의 FBW 시스템에서는 조종 신호가 전기적으로 전달되더라도 최종적으로는 유압 액추에이터를 구동하기 때문에, 유압 시스템(탱크, 펌프, 배관 등)이 여전히 필요하며 이는 무게 증가와 정비의 어려움이라는 단점을 가진다.[67][68]

PBW는 이러한 유압 시스템 대신, 디지털 비행 제어 컴퓨터가 제어하는 전동 모터나 밀폐형 전기 유압식 액추에이터를 사용한다. 이 액추에이터에 전력을 공급하는 전기 전원 회로가 유압 배관을 대체하는 것이다.[42][67][68] 이를 통해 유압 시스템의 상당 부분을 제거하여 항공기 무게를 줄이고, 정비성을 향상시키는 장점이 있다. 또한, 전원 회로를 이중화하여 시스템 신뢰성을 높이고, 비행 제어 시스템과 다른 항공전자 시스템 간의 통합을 더욱 용이하게 한다.[42]

PBW 시스템은 F-35 라이트닝 II 전투기와 에어버스 A380 여객기의 백업 비행 제어 시스템 등에 적용되었다.[42][67][68] 보잉 787과 에어버스 A350 역시 유압 시스템이 완전히 고장 났을 때를 대비한 전기식 백업 비행 제어 시스템을 갖추고 있다.[42]

7. 3. 플라이 바이 와이어리스 (Fly-by-wireless)

항공기의 배선은 상당한 무게를 차지하기 때문에, 이를 줄이기 위한 플라이 바이 와이어리스(Fly-by-wireless) 기술 연구가 진행되고 있다. 플라이 바이 와이어리스 시스템은 기존의 플라이 바이 와이어 시스템과 작동 원리가 유사하지만, 제어 신호를 유선 대신 무선 통신으로 주고받는다는 차이점이 있다. 즉, 물리 계층에서 유선 대신 무선 프로토콜을 사용한다.

무선 기술을 사용하면 항공기 무게 감소 외에도 수명 주기 전반에 걸쳐 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 우선, 전선 및 연결 부품과 관련된 고장 지점이 줄어들어 문제 해결 시간을 단축할 수 있다. 또한, 복잡한 배선 설계 및 설치 시간이 단축되고 설계 변경에 유연하게 대처할 수 있어 개발 비용 절감 효과도 기대된다.[43]

실제로 대형 여객기에는 10만 개가 넘는 전선이 사용되며, 그 길이는 총 470km, 무게는 5700kg에 달한다. 안전을 위해 이중화 또는 삼중화된 배선이 필요하고, 이를 위해 동체 격벽에 구멍을 뚫어야 하는 경우도 있어 구조적 약점이 되기도 한다. 이처럼 복잡한 배선 작업은 설계, 제조, 유지보수 과정에서 많은 비용과 노력을 요구한다. 플라이 바이 와이어리스 기술은 이러한 문제를 해결하여 비용 절감, 경량화는 물론, 배선 절단과 같은 물리적 손상에도 통신을 유지할 수 있어 시스템 신뢰성을 높일 것으로 기대된다.[69]

플라이 바이 와이어리스 시스템을 위한 주파수로는 세계 무선 통신 회의(WRC)에서 4.2GHz~4.4GHz 대역이 할당되었다. 하지만 이 주파수 대역은 항공기의 레이더 전파 고도계에서도 사용되고 있어, 두 시스템 간의 간섭 없이 안정적으로 작동할 수 있도록 하는 기술적 과제가 남아있다.[70]

7. 4. 지능형 비행 제어 시스템 (Intelligent Flight Control System, IFCS)

지능형 비행 제어 시스템(Intelligent Flight Control System, IFCS)은 현대식 디지털 플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템의 확장판이다. 이 시스템의 목표는 유압 손실, 방향타 손실, 에일러론 손실, 엔진 손실 등과 같은 심각한 고장이 발생했을 때, 자동으로 엔진 추력 및 다른 항공 전자 장비를 사용하여 비행 중 항공기 손상 및 고장을 지능적으로 보상하는 것이다. 이 기술 개발은 미국 항공 우주국(NASA) 암스트롱 비행 연구 센터(Dryden Flight Research Center)에서 주도하고 있다.[44] 비행 시뮬레이터에서는 세스나 훈련을 받은 소형 항공기 조종사가 대형 제트 항공기에 대한 사전 경험 없이도 심하게 손상된 풀 사이즈 컨셉 제트를 성공적으로 착륙시킨 여러 사례가 시연되었다. 보고에 따르면 이러한 개선은 주로 기존의 완전 컴퓨터화된 디지털 플라이 바이 와이어 비행 제어 시스템에 대한 소프트웨어 업그레이드를 통해 이루어진다. 다쏘 팔콘 7X 및 엠브라에르 레거시 500과 같은 비즈니스 제트는 추력 레벨과 제어 입력을 조정하여 엔진 고장 상황을 부분적으로 보상할 수 있지만, 여전히 조종사의 적절한 대응이 필요하다.[45]

8. 적용 사례

플라이 바이 와이어(FBW) 기술은 초기에 아폴로 계획의 달 착륙선이나 VTOL 항공기처럼 공기역학적으로 안정성을 확보하기 어려운 특수 목적의 항공기 및 우주선에 주로 적용되었다. 이러한 기체들은 기존의 기계식 조종 시스템만으로는 제어가 어렵거나 불가능했기 때문에, 컴퓨터 제어의 필요성이 높았다.

이후 기술이 발전하면서 FBW는 군용기와 민간 항공기 분야로 적용 범위가 넓어졌다.[5] 군용기에서는 전투기의 기동성 향상과 능동제어기술(CCV) 구현을 위해 필수적인 기술로 자리 잡았다. 민간 항공기 분야에서는 항공기 무게 감소를 통한 연료 효율 증대, 자동 조종 장치와의 통합을 통한 운항 편의성 및 안전성 향상, 기체 설계 유연성 증대 등의 이점을 제공하며 초음속기나 대형기를 중심으로 널리 채택되었다. 특히 에어버스와 보잉 같은 주요 항공기 제작사들은 자사의 주력 기종에 FBW 시스템을 표준으로 적용하고 있다.[5]

8. 1. 군용기

군용기 분야에서 플라이 바이 와이어(FBW) 기술은 항공기의 성능과 조종성을 혁신하는 데 중요한 역할을 했다. 초기 개발 단계부터 살펴보면, 서보-전기식으로 작동하는 제어면은 1930년대 소련의 투폴레프 ANT-20에서 처음 시험되었다.[9] 1934년에는 칼 오토 알트파터(Karl Otto Altvater)가 항공기가 지면에 가까워졌을 때 자동으로 착륙 자세를 취하는 시스템에 대한 특허를 출원했다.[10] 이후 1941년 독일 지멘스의 엔지니어였던 칼 오토 알트파터는 Heinkel He 111 폭격기에 전자 임펄스만으로 항공기를 제어하는 초기 형태의 FBW 시스템을 개발하고 테스트했다.[11]

본격적인 FBW 시스템을 탑재하고 비행한 최초의 비(非)실험 항공기는 캐나다에서 개발된 아브로 캐나다 CF-105 애로우 전투기였다.[12][13] 비록 양산에 이르지 못하고 5대만 제작된 채 계획이 취소되었지만, FBW 기술의 가능성을 보여준 중요한 사례였다.[13] 미국에서는 B-47E 스트래토젯 폭격기가 미 공군의 첫 전자식 FBW 테스트베드로 운용되었다.[14]

기계적 또는 유압식 백업 시스템 없이 순수 전자식 FBW만으로 비행한 최초의 항공기는 1968년 첫 비행에 성공한 아폴로 계획의 달 착륙선 훈련기 (LLTV)였다.[15] 이는 1964년 비행한 달 착륙 연구선 (LLRV)의 기술을 계승한 것으로, LLRV는 기계적 백업 없이 FBW 비행을 개척한 선구적인 기체였다.[16] 비슷한 시기 소련에서도 수호이 T-4 초음속 정찰기가 FBW 시스템을 탑재하고 비행했다. 영국에서는 왕립 항공 연구소(RAE) 주도로 호커 헌터 전투기의 훈련기 버전을 개조하여 FBW 비행 제어 장치를 시험했으며,[17] 1960년대 초중반에는 2인승 아브로 707C가 기계식 백업을 갖춘 페어리(Fairey)사의 FBW 시스템으로 비행하기도 했다.[18][17]

1972년에는 NASA가 F-8 크루세이더 전투기를 전자적으로 개조하여 기계적 백업이 없는 최초의 디지털 FBW 고정익 항공기로 비행시키는 데 성공했다. 이 실험기에는 아폴로 유도 컴퓨터가 사용되었다.[20]

실용화 단계에 들어서면서, F-16 파이팅 팰컨은 아날로그 FBW를 최초로 탑재한 실용 전투기가 되었다. F-16은 불안정한 기체 설계를 FBW로 제어하는 능동제어기술(CCV)을 도입하여 뛰어난 기동성을 확보했으며, 이는 이후 개발되는 많은 전투기들의 표준이 되었다. F/A-18 호넷은 실용기로는 처음으로 디지털 FBW를 탑재했으며, F-16 역시 이후 디지털 FBW 시스템으로 개량되었다.

한편, F-15 이글의 경우 기계식 조종 계통이 손상되더라도 제어증강시스템(CAS)을 통해 조종이 가능하도록 설계되어 완전한 디지털 FBW의 전 단계 기술을 보여주었다. 하지만 CAS는 FBW와 달리 단일 시스템(1중)이며 고장에 대비해 제어 범위를 제한했기 때문에, 기체 자체의 안정성을 포기하고 FBW로 제어하는 CCV 기술 도입은 불가능했다. F/A-18 역시 설계 자체가 F-16보다 오래되었고 기계식 조종 장치를 백업으로 갖추고 있어 CCV 기술은 적용되지 않았다.

일본에서는 해상자위대의 P-2 넵튠 초계기를 개조하여 아날로그 FBW를 탑재한 가변 특성 연구기를 개발하고 관련 데이터를 수집하기도 했다.

8. 2. 민간 항공기

플라이 바이 와이어(FBW) 시스템은 기존의 기계식 및 유압식 비행 제어 시스템에 비해 여러 장점을 가진다. 기존 시스템은 무겁고, 케이블, 도르래, 유압 파이프 등을 항공기 내부에 복잡하게 설치해야 하며, 고장 대비를 위한 이중 백업 시스템으로 인해 무게가 더욱 증가하는 단점이 있었다.[3] 반면, FBW 시스템은 전기 신호와 컴퓨터를 사용하여 조종사의 입력을 제어면으로 전달하므로, 전체 시스템 무게를 줄일 수 있다. 이는 항공기의 자연스러운 안정성을 인위적으로 완화하여 설계할 수 있게 해주며, 특히 수평 안정판이나 수직 안정판과 같은 안정익의 크기를 줄여 동체 무게를 감소시키는 효과를 가져온다.[5] 이러한 장점 덕분에 FBW는 군용기에서 먼저 활용되었고, 이후 민간 상업용 항공기 시장에도 도입되었다.

민간 항공기 중에서는 초음속 여객기인 콩코드가 1969년 최초로 아날로그 방식의 FBW 시스템을 탑재하여 생산되었다. 이는 비록 5대만 제작되고 취소된 Avro Canada CF-105 Arrow 이후 처음으로 FBW를 적용한 생산 항공기라는 의미를 가진다.[13] 콩코드의 FBW 시스템은 고체 부품과 시스템 이중화를 포함했으며, 컴퓨터화된 항법 및 자동 탐색 시스템과 통합되도록 설계되었다.[13]

에어버스는 1986년에 표시된 대로 A300 등록 F-BUAD에서 플라이 바이 와이어를 시험했으며, 이후 A320을 생산했다.


에어버스는 A310에 제한적인 FBW 기능을 도입한 후, 1988년 운항을 시작한 A320에서 여객기로는 최초로 완전한 디지털 FBW 시스템을 채택했다.[5][36] A320은 사이드스틱 형태의 조종간을 도입했으며, 이는 이후 A330, A340, A380, A350 등 후속 기종에도 계승되어 에어버스 항공기 간의 상호 승무 자격(Cross-Crew Qualification) 확보에 기여했다. 에어버스의 FBW 시스템은 컴퓨터에 의한 비행 보호(protection) 기능을 우선시하는 설계 사상을 가지고 있는데, 이는 특정 상황에서 조종사의 조작을 제한할 수 있어 에어 프랑스 296편 사고나 중화항공 140편 추락 사고 등과 관련하여 논란의 대상이 되기도 했다. 2024년 6월 기준으로 A320 계열 항공기는 전 세계적으로 11,000대 이상 운용되며 베스트셀러 상업용 제트기 중 하나로 자리 잡았다.[21][22]

보잉은 1994년 출시된 777 기종에서 처음으로 디지털 FBW 시스템을 도입했다. 이는 보잉이 전통적인 케이블 및 풀리 방식에서 벗어난 중요한 변화였다. 에어버스와 달리 보잉은 기존의 조종륜 형태를 유지했으며, 비행 제어 컴퓨터(PFC)와 액추에이터 제어 전자장치(ACE)를 연결하기 위해 ARINC 629 버스를 사용했다. 777의 FBW 시스템은 "비행 봉투 보호" 기능을 제공하여 항공기가 실속하거나 구조적 한계를 넘어서는 위험한 기동을 방지하도록 돕는다. 하지만 에어버스와 달리, 조종사가 강한 힘으로 조종간을 조작하면 보호 기능을 넘어서는 조종이 가능하도록 설계되었다. 이는 공중 충돌 회피와 같은 비상 상황에서 조종사의 최종 판단을 우선시하기 위한 조치이다. 777의 기본 비행 컴퓨터(PFC)에는 모토로라 68040, 인텔 80486, AMD 29050 등 3개의 서로 다른 32비트 마이크로프로세서가 탑재되었으며, Ada 프로그래밍 언어로 개발되었다.[23]

맥도넬 더글러스는 DC-10의 후속 기종인 MD-11에 FBW를 채택했다. 이를 통해 수평 꼬리 날개 면적을 줄여 연료 효율을 개선하고자 했으나, 당시 ETOPS 인증을 받은 쌍발기들이 장거리 노선에서 경쟁력을 확보하면서 MD-11의 판매는 부진했고, 결국 맥도넬 더글러스는 보잉에 인수되었다.

그 외에도 일류신의 Il-96, 봄바디어의 CRJ 시리즈, 엠브라에르의 E-Jet 시리즈 등 여러 민간 항공기에 FBW 시스템이 적용되었다. 특히 엠브라에르 E-Jet 1세대는 아날로그 FBW를, 2016년에 등장한 2세대 E-Jet E2 패밀리는 폐쇄 루프(피드백) 방식의 디지털 FBW를 적용하여 1.5%의 효율성 향상을 이루었다.[29] 비즈니스 제트 중에서는 2005년 다쏘 팔콘 7X가 최초로 FBW를 탑재했다.[38]

8. 3. 헬리콥터

헬리콥터의 조종 시스템은 링크 기구와 이를 통해 유압 액추에이터를 작동시켜 메인 로터와 테일 로터의 블레이드를 움직이는 방식이 일반적이지만, 플라이 바이 와이어(FBW)를 채택한 기체도 있다.

예를 들어, 군용 헬리콥터인 NH-90은 메인 로터와 테일 로터를 플라이 바이 와이어로 제어한다. 이 시스템은 메인 로터, 테일 로터, 엔진의 움직임을 감지하는 센서와 기체 자세 센서로부터 얻은 정보를 FBW 비행 제어 컴퓨터로 보내 피드백하여 기체를 안정시킨다.

민간 헬리콥터 분야에서는 벨 헬리콥터가 개발 중인 벨 525가 플라이 바이 와이어를 채택했으며, 사이클릭 레버(조종간)를 사이드 스틱 방식으로 배치한 것이 특징이다.

순수한 헬리콥터는 아니지만, 틸트로터기인 V-22와 AW609는 고정익기 모드와 회전익기 모드 간 전환 과정에서 비행 특성과 기체 제어 방식이 크게 변하기 때문에, 조종 계통은 컴퓨터로 제어되는 플라이 바이 와이어 방식만을 사용한다.

8. 4. 기타

플라이 바이 와이어 시스템을 사용하는 항공기는 사이드 스틱이나 일반적인 비행 조종간으로 조종할 수 있다.[4] 조종사의 입력은 전기 신호로 컴퓨터에 전달되며, 컴퓨터는 이를 해석하여 제어 장치나 조종면을 움직인다.[2]

기존의 기계식 및 유압 기계식 비행 제어 시스템은 상대적으로 무거웠으며, 비행 제어 케이블, 도르래, 크랭크, 유압 파이프 등을 항공기 내부에 복잡하게 설치해야 했다. 또한 고장에 대비한 이중 백업 시스템이 필요한 경우가 많아 무게가 증가했다. 이러한 시스템들은 변화하는 공기역학적 조건에 대한 보상 능력에도 한계가 있었다.[3] 플라이 바이 와이어는 이러한 기계적 연결 대신 전기 신호를 사용함으로써 설계 유연성을 높이고 시스템의 무게를 줄이는 데 기여한다.

참조

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[48] 문서 一旦大きく動翼を操舵して姿勢を変えた後、反対に動翼を操舵してから中立の位置に動翼を戻す。機体ごとに異なる他、速度、高度、姿勢にも影響される。
[49] 문서 FBWに限らず、動翼を[[アクチュエータ]]で作動させる動力操作装置を装備する航空機には必ず操作感覚装置が装備される。
[50] 웹사이트 実験用航空機 | 飛行試験設備 https://www.aero.jax[...]
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