항공전자
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1. 개요
항공전자(Avionics)는 항공기에 탑재되는 전자 장비를 통칭하는 용어로, 1949년 처음 사용되었다. 무선 통신 기술의 발전과 함께 시작되어 레이더, 자동 조종 장치, 위성 항법 시스템 등으로 발전해 왔으며, 현대 항공기의 안전 운항에 필수적인 역할을 한다. 최근 인공 지능 기술을 활용한 자율 시스템 개발과 함께 디지털 조종석(Glass Cockpit)이 널리 사용되고 있으며, 항공기 관리 시스템, 연료 시스템 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 항공전자 시스템은 엄격한 개발 절차와 인증을 거쳐야 하며, 다양한 데이터 버스를 통해 연결된다.
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| 항공전자 | |
|---|---|
| 지도 | |
| 기본 정보 | |
| 정의 | 항공기에서 사용하는 전자 시스템 |
| 약어 | 'av' 'AV' |
| 로마자 표기 | Abionikseu |
| 설명 | |
| 주요 기능 | 비행 제어 항법 통신 모니터링 시스템 관리 |
| 구성 요소 | 센서 컴퓨터 디스플레이 제어 시스템 |
| 응용 분야 | 민간 항공기 군용 항공기 우주선 위성 |
| 발전 과정 | 초기 기계식 시스템 전자 장치 도입 디지털 시스템 발전 통합 시스템 개발 |
| 관련 기술 | |
| 핵심 기술 | 레이더 무선 통신 GPS 관성 항법 자동 조종 장치 플라이 바이 와이어 |
| 안전 고려 사항 | 시스템 신뢰성 내고장 설계 소프트웨어 검증 규제 준수 |
| 역사 | |
| 초기 형태 | 1910년대 ~ 1930년대: 초기 무선 통신 및 항법 장치 사용 |
| 발전 과정 | 제2차 세계 대전: 레이더 및 정밀 항법 기술 개발 1950년대 ~ 1960년대: 트랜지스터 및 집적 회로 도입 1970년대 ~ 1980년대: 마이크로프로세서 및 디지털 시스템 도입 1990년대 이후: 통합화 및 네트워크화된 시스템 발전 |
| 관련 용어 | |
| 관련 용어 | 항법 장치 비행 제어 시스템 자동 조종 장치 비행 관리 시스템 항법 지원 장치 데이터 링크 |
| 사회적 영향 | |
| 경제적 영향 | 항공 산업 발전 항공 안전 향상 기술 혁신 촉진 |
| 윤리적 영향 | 자동화에 따른 책임 문제 데이터 보안 및 프라이버시 기술 오용 위험 |
| 기타 | |
| 관련 학문 분야 | 항공 우주 공학 전자 공학 컴퓨터 공학 소프트웨어 공학 |
| 관련 기관 | FAA (미국 연방항공청) ICAO (국제민간항공기구) |
2. 역사
'''항공 전자 장비'''라는 용어는 1949년, ''항공주간 우주기술(Aviation Week & Space Technology)'' 잡지의 수석 편집자였던 필립 J. 클라스(Philip J. Klass)가 "'''항공 전자(aviation electronics)'''"의 합성어로 만들었다.[2][3] 애비오닉스(avionics)는 항공(aviation)과 전자기기(electronics)를 합성한 용어이며, 항공전자공학이라는 학문 분야를 형성하고 있다.
2. 1. 초기 역사
무선 통신은 제1차 세계 대전 직전에 비행기에 처음으로 사용되었다.[4] 최초의 항공용 무선 장비는 비행선(Zeppelin)에 장착되었지만, 군사적 필요에 의해 무거운 항공기에도 탑재 가능한 경량 무선 장비 개발이 촉진되었다. 이를 통해 항공 정찰용 복엽기가 격추될 경우 즉시 관측 결과를 보고할 수 있게 되었다. 최초의 비행기 무선 송신 실험은 1910년 8월 미 해군에 의해 수행되었다. 최초의 항공기 무선 장비는 무선 전신 방식으로 송신되었으며, 조종사 외에 무선 전신 장치를 조작하여 모스 부호로 메시지를 전송하는 승무원이 필요한 2인승 항공기가 요구되었다. 1917년 제1차 세계 대전 중, 진공관(Vacuum tube)의 개발(TM (삼극관) 참조)로 AM 음성 쌍방향 무선 통신(two way radio) 장치가 가능해졌다. 이는 단좌기 조종사가 비행 중에도 사용할 수 있을 정도로 간단한 장치였다.항공 무선기(쌍방향 음성 라디오) 시스템은 제2차 세계 대전 이전부터 항공기에 탑재되었으며, 오늘날까지 군용기의 임무 비행 연락 확보와 군용기 및 민간 항공기의 항공 교통 관제를 위해 널리 사용되고 있다. 초기 시스템은 진공관을 사용했기 때문에 크기와 무게가 커서 조종석 제어반을 제외하고는 방해가 되지 않는 곳에 설치되었다. 제2차 세계 대전 종전 직후 초단파(VHF) 주파수가 표준화되었고, 그 후 진공관 이용 시스템은 트랜지스터 라디오 시스템으로 대체되었다. 1960년대 이후로는 대규모 변혁은 일어나지 않았다. 무선 통신 기술의 발전은 단순한 음성 통신 기술에서는 큰 발전이 없지만, ACARS(항공기 통신 주소 지정 및 보고 시스템)를 대표하는 데이터 링크 시스템의 발전과 현대화는 매우 두드러진다.
2. 2. 레이더 기술 발전
레이더는 오늘날 항공 항법과 항공 교통 관제에 사용되는 핵심 기술로, 제2차 세계 대전 직전인 1930년대 여러 국가에서 방공(Air defense) 시스템으로 비밀리에 개발되었다.[11] 현대 항공 전자 장비의 다수는 제2차 세계 대전 중 개발된 기술에 기반한다. 일례로, 오늘날 널리 쓰이는 자동 조종 장치(Autopilot) 시스템은 원래 고고도에서 폭격기가 정밀하게 표적을 타격할 수 있도록 안정적인 비행을 돕는 특수 시스템이었다.[11] 1940년, 영국은 티자드 임무(Tizard Mission)를 통해 마그네트론(Magnetron) 진공관(Vacuum tube)을 포함한 레이더 기술을 미국과 공유하였고, 이는 연합군의 승리에 크게 기여했다.[5]2. 3. 현대 애비오닉스 발전
현대 항공 전자 장비는 군용 항공기 예산의 상당 부분을 차지하며, 민간 항공 분야에서도 그 중요성이 커지고 있다. 전자식 비행 제어(Fly-by-wire) 시스템과 새로운 항법 기술의 발전으로 개발 비용이 증가하고 있다. 미국의 차세대 항공 교통 시스템 프로젝트와 유럽의 단일 유럽 항공 교통 관리 연구 이니셔티브와 같은 현대화 계획에서 항공 전자 장비는 중요한 역할을 담당한다.[7]3. 통신
통신은 조종석과 지상 간, 조종석과 승객 간의 연결을 제공한다. 기내 통신은 기내 방송 시스템과 항공기 인터콤을 통해 이루어진다.[9]
3. 1. VHF 항공 통신
VHF 항공 통신 시스템은 118.000 MHz ~ 136.975 MHz의 항공 무선 주파수 대역에서 작동한다.[9] 각 채널은 유럽에서는 인접 채널과 8.33 kHz, 그 외 지역에서는 25 kHz 간격을 두고 있다. VHF는 항공기 간 및 항공기-관제탑 간 통신과 같은 시선 통신에도 사용된다. 진폭 변조(AM)가 사용되며, 대화는 단방향 통신 모드로 이루어진다.[9] 항공기 통신은 HF(특히 대양 횡단 항공편의 경우) 또는 위성 통신을 사용하여 이루어질 수도 있다.[9]항공 무선기(쌍방향 음성 라디오) 시스템은 제2차 세계 대전 이전부터 항공기에 탑재되었으며, 오늘날까지 군용기의 임무 비행에서의 연락 확보와 군용기 및 민간 항공기의 항공 교통 관제를 위해 널리 사용되고 있다. 초기 시스템은 진공관을 사용했기 때문에 크기와 무게가 커서 조종석 제어반을 제외하고는 방해가 되지 않는 곳에 설치되었다. 제2차 세계 대전 종전 직후 초단파(VHF) 주파수가 표준화되었고, 그 후 진공관 이용 시스템은 트랜지스터 라디오 시스템으로 대체되었다. 1960년대 이후로는 대규모 변혁은 일어나지 않았다. 무선 통신 기술의 발전은 단순한 음성 통신 기술에서는 큰 발전이 없지만, 항공기 통신 주소 지정 및 보고 시스템(ACARS)을 대표하는 데이터 링크 시스템의 발전과 현대화는 매우 두드러진다.
3. 2. 기타 통신 시스템
VHF 항공 통신 시스템은 118.000 MHz ~ 136.975 MHz의 항공 무선 주파수 대역에서 작동한다. 각 채널은 유럽에서는 인접 채널과 8.33 kHz, 그 외 지역에서는 25 kHz 간격을 두고 있다. VHF는 항공기 간 및 항공기-관제탑 간 통신과 같은 시선 통신에도 사용된다. 진폭 변조(AM)가 사용되며, 대화는 단방향 통신 모드로 이루어진다. 대양 횡단 항공편의 경우 HF 통신 또는 위성 통신을 사용할 수도 있다.[9]항공기 통신 주소 지정 및 보고 시스템(ACARS)과 같은 데이터 링크 시스템의 발전은 항공기 운항 효율성을 높이고 있다.
3. 3. 군용 통신
UHF, VHF 전술 (30–88 MHz) 및 위성 통신(SatCom) 시스템은 ECCM 방법 및 암호화와 결합하여 통신을 보호한다.[1] 링크 11, 링크 16, 링크 22, 보우먼(BOWMAN), JTRS, TETRA와 같은 데이터 링크는 이미지, 표적 정보 등의 데이터를 전송하는 수단을 제공한다.[1]4. 항법
항공 항법은 지구 표면 위 또는 위에서 항공기의 위치와 방향을 결정하는 기술이다. 항공 전자 장비는 위성 항법 시스템 (예: GPS, WAAS)과 관성 항법 장치(INS), 지상 기반 무선 항법 시스템 (예: VOR, 로란) 또는 이들의 조합을 사용할 수 있다. GPS와 같은 일부 항법 시스템은 위치를 자동으로 계산하여 이동 지도 디스플레이에 비행 승무원에게 표시하지만, VOR 또는 로란과 같은 이전의 지상 기반 항법 시스템은 조종사나 항법사가 종이 지도에 신호의 교차점을 표시하여 항공기의 위치를 결정해야 했다. 현대 시스템은 위치를 자동으로 계산하여 이동 지도 디스플레이에 비행 승무원에게 표시한다.
4. 1. 초기 항법 시스템
초기 항법 시스템은 지도 (또는 기억), 플로터 (지도에서 거리와 각도를 측정하는 도구), 방위계, 항법 계산기를 사용하여 추측 항법을 사용했지만, 지상 무선국으로부터의 신호를 무선기로 수신하는 전파 항법이 고안되었다. 초기에는 조종사나 항법사가 헤드폰을 착용하고, 양쪽 귀에 들리는 소리를 비교하여 항로에서 벗어나지 않았는지 판단하는 방법이었지만, 나중에는 다음과 같은 시스템으로 분화되어 발전해 갔다.비방향성 무선표지(NDB)는 광범위하게 사용된 최초의 전자 항법 시스템이다. 이전에는 색깔이 있는 불빛으로 야간 항로를 표시했지만, 이는 전방위로 전파를 발사하는 고출력 NDB로 대체되었다. 항공기는 기체에 탑재된 방향탐지기(DF) 또는 자동방향탐지기(ADF)로 NDB에서 오는 신호를 수신한다. ADF 표시기의 바늘은 항공기의 기수 방향과 NDB가 있는 방향의 각도 차이를 나타낸다. NDB는 장파 대역과 중파 대역을 사용하며, 저렴하기 때문에 소규모 공항에서는 2005년에도 아직 사용되고 있지만, GPS에 빠르게 대체되고 있다. 이는 주로 항공기에 탑재하는 ADF 장비와 NDB국을 유지하는 비용이 높기 때문이다.
4. 2. 전파 항법 시스템
무지향성 무선 표지(NDB)는 광범위하게 사용된 최초의 전자 항법 시설이다. 항공기에 탑재된 ADF는 NDB로부터 신호를 받아 항공기 기수 방위와 NDB 방향 간의 각도 차이를 나타낸다. NDB는 저렴하여 소규모 공항에서 아직도 사용되지만, 유지 비용 문제로 GPS로 빠르게 대체되고 있다.[16]초단파 전방향 무선표지(VOR)는 기상 간섭에 강하고 ADF보다 정밀도가 높아 현재에도 항공 관제 시스템의 근간을 이루고 있다. VOR 수신기는 VOR 기지국의 위치 정보를 바탕으로 진로 편향 표시기(CDI)에 항로 이탈 정도를 표시한다.
거리 측정 장치(DME)는 항공기와 VOR 기지국 간의 거리를 알려주는 시스템이다. VOR/DME 또는 VOR/TACAN 형태로 사용되며, 조종사가 VOR 주파수를 선택하면 DME나 TACAN 주파수를 자동으로 선택하는 기능이 내장된 기기를 통해 자신의 위치를 파악할 수 있다.
로란(LORAN)은 장거리 항법 시스템으로 한때 일반 항공 분야에서 인기가 있었으나, 현재는 GPS와 관성 항법 장치(INS)에 자리를 내주었다.
계기 착륙 장치(ILS)는 활주로 최종 진입을 유도하는 장치이다. 로컬라이저는 활주로 중심으로부터의 좌우 편차를, 글라이드 슬로프는 상하 방향 편차를 나타낸다.
4. 3. 위성 항법 시스템(GNSS)
GPS의 등장으로 항로 비행과 착륙 접근 방식은 크게 변화하였다. 이전에는 항공기가 VOR 기지국과 같은 무선 항법 시설을 차례로 경유하며 비행했기 때문에, 지상 기지국을 따라 설정된 항공로를 따라야 해서 최단 경로가 아닌 경우가 많았다. 그러나 GPS를 이용하면 지상 시설 없이 공항 간 직행 비행이 가능해져 시간과 연료를 절약할 수 있게 되었다.[16]하지만 이러한 직행 비행은 항공교통관제(ATC) 상의 문제를 야기한다. ATC의 주요 목적은 항공기 간의 충분한 수직 및 수평 간격을 유지하는 것인데, 직행 비행은 이러한 간격 유지를 어렵게 만들기 때문이다. 미국 연방항공청(FAA)과 NASA는 관제 시스템을 컴퓨터화하여 공중 충돌 위험을 예측하고, 항공기에 적절한 기동을 제공하여 직행 비행을 촉진하는 "자유비행" 계획을 구상하고 있다.
GPS는 착륙 접근에도 큰 변화를 가져왔다. 계기 비행 규칙(IFR) 하에서는 ILS와 같은 지상 설치 항행 안전 시설이 필요했지만, GPS를 사용하면 이러한 시설 없이도 계기 접근이 가능해졌다. 이는 특히 소규모 공항에서 유용하다. GPS 수신기는 비교적 저렴하고, 안테나도 소형이며 교정도 거의 필요하지 않다.
GPS 접근의 단점은 계기 비행 규칙(VFR)에 비해 사용 가능한 최저 시정과 구름 하단 고도가 높다는 점이다. 이는 GPS가 수평 방향 유도만 가능하기 때문이다. 이 문제를 해결하기 위해 FAA는 광역 증강 시스템(WAAS)를 도입했다. WAAS 기능을 갖춘 GPS 수신기는 수직 방향에서도 높은 정확도를 제공하여, ILS와 유사한 수직 방향 유도를 포함한 접근을 가능하게 한다.
5. 감시 및 센서
현대 항공기는 다양한 센서를 통해 항공기 상태, 주변 환경, 기상 조건 등을 감시하고, 이를 조종사에게 제공하여 안전 운항을 지원한다.
항공기 조종석 또는 대형 항공기의 경우 조종석 아래나 이동식 기수덮개 안에 위치한 항공전자 장비실에는 제어, 모니터링, 통신, 항법, 기상 및 충돌 방지 시스템 등이 포함된다.[9]
- '''전천후 기상 시스템:''' 야간 또는 계기 비행 조건에서 조종사가 전방의 기상 상황을 파악하고, 기상 레이더(일반적으로 상업용 항공기에서는 ARINC 708) 및 낙뢰 검출기를 통해 강한 강수 또는 낙뢰 활동으로 감지되는 심각한 난류 지역을 피해갈 수 있도록 돕는다.[12] 최신 기상 시스템에는 윈드 시어 및 난류 감지, 지형 및 교통 경고 시스템이 포함되며, 아프리카, 인도 등 지상 지원 시설이 부족한 지역에서 특히 유용하다.[13]
- '''충돌 방지 시스템:''' 항공기충돌방지장치(ACAS) 또는 공중충돌방지장치(TCAS)는 주변 항공기의 위치를 감지하고 충돌을 방지하기 위해 경고와 절차를 제공하며, 대부분의 현대 항공기에 장착되어 있다.[9] 지형과의 충돌을 방지하기 위해 GPWS 또는 TAWS을 사용한다.
- '''군용 센서:''' 군용 항공기는 레이더, 소나, 전자 광학 시스템(Electro-optics), 전자 지원 측정 장비(ESM) 등 다양한 전술 센서를 탑재하여 임무 수행 능력을 향상시킨다.
- 항공 레이더는 공중 조기 경보(AEW), 대잠전(ASW), 기상 레이더(ARINC 708) 및 지상 추적/근접 레이더를 포함한다.[14]
- 헬리콥터에 장착된 능동 소나(dipping sonar)는 헬리콥터가 수중함이나 수상 위협으로부터 선박 자산을 보호할 수 있도록 한다.
- 전자광학 시스템에는 헤드업 디스플레이(HUD), 전방 적외선(FLIR), 적외선 탐색 및 추적 장치 및 기타 수동 적외선 장치(수동 적외선 센서) 등이 포함된다.
- 전자 지원 측정 장비(ESM)와 방어 지원 시스템(DAS)은 위협 또는 잠재적 위협에 대한 정보를 수집하고 대응하는 데 사용된다.
5. 1. 대기 데이터 컴퓨터(ADC)
대기 데이터 컴퓨터(ADC, Air data computers)는 현대 항공 전자의 글래스 칵핏을 이루는 데 중요한 부품 중 하나이다. 이것은 계기라기보다는 항공기에 부착된 센서인 동정압 시스템(pitot-static system)으로부터 계기보정 대기속도(CAS, calibrated airspeed), 마하수(Mach number), 고도(altitude)를 제공하는 컴퓨터이다. 우주왕복선과 같이 고속 항공기의 경우에는 계기보정 대기속도(CAS, calibrated airspeed) 대신에 등가 대기속도(EAS, Equivalent airspeed)를 사용한다. 기체가 고속화됨에 따라 대기속도 측정 오차가 증가했기 때문에, 위치 오차와 계기 오차를 예측 계산하여 보정하는 공기 데이터 컴퓨터(Air Data Computer)가 사용되기 시작했다.[4]5. 2. 전천후 기상 시스템
기상 레이더(일반적으로 상업용 항공기에서는 ARINC 708) 및 낙뢰 검출기와 같은 기상 시스템은 야간 또는 계기 비행 조건에서 비행하는 항공기에 매우 중요하다. 이러한 조건에서 조종사는 전방의 기상 상황을 볼 수 없기 때문이다. 레이더로 감지되는 강한 강수 또는 낙뢰 활동으로 감지되는 심각한 난류는 모두 강한 대류 활동과 심각한 난류를 나타내며, 기상 시스템을 통해 조종사는 이러한 지역을 피해갈 수 있다.[12]Stormscope 또는 Strikefinder와 같은 낙뢰 검출기는 가격이 저렴해져서 경항공기에도 실용적으로 사용할 수 있게 되었다. 레이더 및 낙뢰 감지 외에도, NEXRAD와 같은 위성 데이터 연결을 통해 관측치와 확장된 레이더 사진을 이용할 수 있게 되어 조종사는 자체 항공 시스템의 범위를 훨씬 넘어서는 기상 조건을 확인할 수 있다. 최신 디스플레이는 기상 정보를 이동 지도, 지형 및 교통 정보와 단일 화면에 통합하여 항법을 크게 단순화한다.[12]
최신 기상 시스템에는 윈드 시어 및 난류 감지, 지형 및 교통 경고 시스템이 포함된다. 항공기 내 기상 항공 전자 장비는 항공 여행 시장이 성장하고 있지만 지상 지원이 잘 발달되지 않은 아프리카, 인도 및 기타 국가에서 특히 인기가 있다.[13]
5. 3. 충돌 방지 시스템
항공기충돌방지장치(ACAS) 또는 공중충돌방지장치(TCAS)는 주변 항공기의 위치를 감지하고 충돌을 방지하기 위해 경고와 절차를 제공한다. 대부분의 현대 항공기는 항공기 충돌 방지 시스템(TCAS)을 장착하도록 되어 있다.[9] 민항기에는 근접 비행 위기를 경고하기 위한 항공기 충돌 방지 시스템(TCAS) 설치가 의무화되어 있다.항공 교통 관제를 보완하기 위해 대부분의 대형 수송기와 많은 소형 항공기는 교통 충돌 경고 시스템(TCAS)을 사용한다. 소형 항공기는 다른 항공기의 트랜스폰더에 질의하지 않는 수동적인 TPAS를 사용하기도 한다.
지형과의 충돌을 방지하기 위해 항공기는 GPWS 또는 TAWS을 사용한다.
5. 4. 군용 센서
군용 항공기는 레이더, 소나, 전자 광학 시스템(Electro-optics), 전자 지원 측정 장비(ESM) 등 다양한 전술 센서를 탑재하여 임무 수행 능력을 향상시킨다.항공 레이더는 최초의 전술 센서 중 하나였다. 고도를 이용한 탐지 범위의 이점으로 인해 항공 레이더 기술에 대한 관심이 매우 높았다. 레이더에는 공중 조기 경보(AEW), 대잠전(ASW), 기상 레이더(ARINC 708) 및 지상 추적/근접 레이더가 포함된다.[14] 군에서는 고속 제트기에 지형 추종 레이더를 사용하여 조종사가 저고도로 비행하는 것을 돕는다.[15]
헬리콥터에 장착된 능동 소나(dipping sonar)는 헬리콥터가 수중함이나 수상 위협으로부터 선박 자산을 보호할 수 있도록 한다. 해상 지원 항공기는 능동 및 수동 소나 장치(소노부이)를 투하할 수 있으며, 이는 적 잠수함의 위치를 파악하는 데에도 사용된다.
전자광학 시스템에는 헤드업 디스플레이(HUD), 전방 적외선(FLIR), 적외선 탐색 및 추적 장치 및 기타 수동 적외선 장치(수동 적외선 센서) 등이 포함된다. 이러한 장치들은 모두 조종사에게 영상과 정보를 제공하는 데 사용된다. 이러한 영상은 수색 및 구조에서부터 항법 보조 장치 및 표적 획득에 이르기까지 모든 목적으로 사용된다.
전자 지원 측정 장비(ESM)와 방어 지원 시스템(DAS)은 위협 또는 잠재적 위협에 대한 정보를 수집하는 데 광범위하게 사용된다. 이러한 시스템은 항공기에 대한 직접적인 위협에 대응하기 위해 장치를 발사하는 데 사용될 수 있으며(어떤 경우에는 자동으로), 위협의 상태를 판단하고 위협을 식별하는 데에도 사용된다.
6. 비행 제어 시스템
항공기는 비행을 자동으로 제어하는 수단을 가지고 있다. 오토파일럿은 제1차 세계 대전 중 로렌스 스페리(Lawrence Sperry)가 폭격기를 안정적으로 비행시키기 위해 처음 발명하였다.[11] 초기 상용 오토파일럿은 방위와 고도를 제어하는 데 사용되었으며, 추력과 비행 제어 표면 등에 대한 제어 권한은 제한적이었다. 헬리콥터의 경우에도 유사한 방식으로 자동 안정화가 사용되었다. 초기 시스템은 전기 기계식이었다. 안전 중요 시스템의 경우 소프트웨어는 매우 엄격하게 테스트된다.
6. 1. 자동 조종 장치(Autopilot)
오토파일럿은 제1차 세계 대전 중 로렌스 스페리(Lawrence Sperry)가 폭격기를 안정적으로 비행시켜 25,000피트 상공에서도 정확한 표적을 타격할 수 있도록 하기 위해 처음 발명되었다.[11] 허니웰 엔지니어가 비상시 오토파일럿을 분리하기 위해 볼트 커터를 가지고 뒷좌석에 앉아 있었다. 오늘날 대부분의 상용 항공기에는 조종사의 실수와 이착륙 시 작업량을 줄이기 위해 항공기 비행 제어 시스템이 장착되어 있다.[11]초기의 간단한 상용 오토파일럿은 방위와 고도를 제어하는 데 사용되었으며, 추력과 비행 제어 표면 등에 대한 제어 권한은 제한적이었다. 헬리콥터의 경우에도 유사한 방식으로 자동 안정화가 사용되었다. 초기 시스템은 전기 기계식이었다. 전자식 비행 제어 시스템(fly-by-wire)과 전동식 비행 표면(기존의 유압식이 아닌)의 등장은 안전성을 향상시켰다.
6. 2. 전자식 비행 제어 시스템(Fly-by-wire)
오토파일럿은 제1차 세계 대전 중 로렌스 스페리가 폭격기를 안정적으로 비행시키기 위해 처음 발명하였다. 미국 군사에서 처음 채택되었을 당시에는 허니웰 엔지니어가 비상시 오토파일럿을 분리하기 위해 볼트 커터를 가지고 뒷좌석에 앉아 있었다. 오늘날 대부분의 상용 항공기에는 조종사의 실수와 이착륙 시 작업량을 줄이기 위해 항공기 비행 제어 시스템이 장착되어 있다.[11]초기의 간단한 상용 오토파일럿은 방위와 고도를 제어하는 데 사용되었으며, 추력과 비행 제어 표면과 같은 것들에 대한 제어 권한은 제한적이었다. 전자식 비행 제어 시스템(fly-by-wire)과 전동식 비행 표면(기존의 유압식이 아닌)의 등장은 안전성을 향상시켰다.
7. 디지털 조종석(Glass Cockpit)
컴퓨터 성능과 플랫패널(LCD)의 발달로 디지털 조종석이 가능하게 되었다. 디지털 조종석은 여러 개의 디지털 시현 장치에 정보를 표시하는 조종석을 말한다. 이를 통해 조종사의 임무 처리를 크게 줄여 기존 아날로그 조종석에 비해 상황 인식(situational awareness) 능력을 개선했다.[9]
글래스 콕핏의 초기 단서는 1970년대에 등장했는데, 당시 비행에 적합한 브라운관(CRT) 화면이 전기 기계식 디스플레이, 계기판 및 계기를 대체하기 시작했기 때문이다. "글래스" 콕핏이란 계기판 및 기타 아날로그 디스플레이 대신 컴퓨터 모니터를 사용하는 것을 말한다. 1970년대 평균 항공기에는 100개가 넘는 조종석 계기와 조종 장치가 있었다.[10]
글래스 콕핏은 1985년 걸프스트림 G-IV 개인 제트기부터 등장하기 시작했다. 글래스 콕핏의 주요 과제 중 하나는 자동화된 제어량과 조종사가 수동으로 수행해야 하는 작업량의 균형을 맞추는 것이다. 일반적으로 조종사에게 지속적으로 정보를 제공하면서 비행 운영을 자동화하려고 한다.[10]
1990년대 이후 GPS 수신기와 “글래스 콕피트”로 불리는 표시 시스템의 등장으로 항공전자는 큰 변화를 겪었다.
8. 연료 시스템
연료량 표시 시스템(FQIS)은 기체에 탑재된 연료량을 모니터링한다. FQIS는 정전 용량 튜브, 온도 센서, 밀도계, 레벨 센서와 같은 다양한 센서를 사용하여 잔여 연료의 질량을 계산한다.
연료 제어 및 모니터링 시스템(FCMS)은 이와 유사하게 잔여 연료량을 보고하지만, 펌프와 밸브를 제어하여 여러 연료 탱크 간의 연료 이송도 관리한다. FCMS의 주요 기능은 다음과 같다.
- 특정 총 연료 질량까지 자동 주유를 제어하고 분배한다.
- 비행 중 엔진에 연료를 공급하는 탱크로 연료를 이송한다. (예: 동체에서 날개 탱크로)
- 연료 소모에 따라 후미(트림) 탱크에서 날개로 중심을 이동시켜 중량을 제어한다.
- 비행 중 양력으로 인한 날개 굽힘을 줄이기 위해 날개 끝에 연료를 유지하고 착륙 후 주 탱크로 이송한다.
- 비상시 항공기 무게를 줄이기 위해 연료 투하를 제어한다.
9. 항공기 관리 시스템
항공기에는 엔진 모니터링 및 관리를 포함한 여러 복잡한 시스템의 중앙 집중식 제어를 향한 발전이 이루어졌다. 항공기 상태 및 사용량 모니터링 시스템(HUMS)는 항공기 관리 컴퓨터와 통합되어 정비사에게 교체가 필요한 부품에 대한 조기 경고를 제공한다.
통합 모듈형 항공 전자 장비 개념은 공통 하드웨어 모듈 어셈블리에서 이식 가능한 애플리케이션 소프트웨어를 갖춘 통합 아키텍처를 제안한다. 이는 4세대 전투기와 최신 세대의 여객기에 사용되었다.
10. 개발 절차 및 인증
항공 전자 시스템은 매우 높은 신뢰성이 요구되므로, 구성품 탑재를 위해서는 공인된 승인(항공기)가 필요하다.[1] 항공전자 설치는 항공기가 안전하고 효율적인 운항에 필요한 전자 시스템을 갖추도록 보장한다. 이러한 시스템은 통신, 항법, 모니터링, 비행 제어 및 기상 감지 등 광범위한 기능을 포함한다.
항공 전자 장비 설치는 기술적 전문성, 정밀성, 그리고 엄격한 규제 표준 준수를 결합해야 한다. 일반적인 절차는 다음과 같다.
- '''계획 및 설계''': 설치 전에, 항공 전자 정비 업체는 항공기 종류, 사용 목적 및 규정 요구 사항에 따라 필요한 시스템을 결정하기 위해 항공기 소유주와 긴밀히 협력한다. 새로운 시스템을 수용하기 위해 맞춤형 계기판이 설계되는 경우가 많다.
- '''배선 및 통합''': 항공 전자 시스템은 항공기의 전기 및 제어 시스템에 통합되며, 배선은 내구성과 식별을 위해 레이저 마킹이 필요한 경우가 많다. 정비 업체는 정확한 설치를 위해 상세한 도면을 사용한다.
- '''시험 및 교정''': 설치 후에는 각 시스템을 철저히 시험하고 교정하여 제대로 작동하는지 확인해야 한다. 여기에는 지상 시험, 비행 시험 및 미국 연방 항공청(FAA)과 같은 규제 표준과의 시스템 정렬이 포함된다.
- '''인증''': 시스템이 설치되고 시험되면 항공 전자 정비 업체는 필요한 인증을 완료한다. 미국에서는 IFR(계기 비행 규칙) 운항에 대한 FAA Part 91.411 및 91.413 준수와 RVSM(감소된 수직 간격 최소치) 인증이 종종 포함된다.
항공 전자 장비 설치는 항공 시스템의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해 엄격한 규제 프레임워크에 따라 관리된다. 미국에서는 미국 연방 항공청(FAA)이 항공 전자 장비 설치 기준을 설정한다. 여기에는 다음과 같은 지침이 포함된다.
- '''시스템 성능''': 항공 전자 시스템은 FAA에서 정의한 성능 기준을 충족해야 하며, 모든 비행 단계에서 정상적으로 작동해야 한다.
- '''인증''': 설치 작업을 수행하는 업체는 FAA 인증을 받아야 하며, 기술자들은 종종 일반 무선 통신사 면허(GROL)와 같은 자격증을 소지해야 한다.
- '''검사''': 새로 설치된 항공 전자 시스템을 갖춘 항공기는 지상 및 비행 시험을 포함한 엄격한 검사를 거쳐야 비행 허가를 받을 수 있다.
11. 항공 전자 데이터 버스
군용, 상용 및 고급 민간 항공기의 항공 전자 시스템은 항공 전자 데이터 버스를 사용하여 상호 연결된다.[9] 주요 응용 분야별 일반적인 항공 전자 데이터 버스 프로토콜은 다음과 같다.
| 프로토콜 | 사용처 |
|---|---|
| ADN | 상용 항공기용 이더넷 파생물 |
| 항공 전자 전이중 스위치 이더넷 (AFDX) | 상용 항공기용 ARINC 664(ADN)의 특정 구현 |
| ARINC 429 | 개인 및 상용 항공기용 일반적인 중속 데이터 공유 |
| ARINC 664 | ADN 참조 |
| ARINC 629 | 상용 항공기 (보잉 777) |
| ARINC 708 | 상용 항공기용 기상 레이더 |
| ARINC 717 | 상용 항공기용 항공기 데이터 기록장치 |
| ARINC 825 | 상용 항공기용 CAN 버스 (예: 보잉 787, 에어버스 A350) |
| 상용 표준 디지털 버스 | |
| IEEE 1394b | 군용 항공기 |
| MIL-STD-1553 | 군용 항공기 |
| MIL-STD-1760 | 군용 항공기 |
| TTP – 시간 트리거 프로토콜 | 보잉 787, 에어버스 A380, Parker Aerospace의 Fly-By-Wire 구동 플랫폼 |
12. 한국 애비오닉스 산업의 미래 (대한민국의 관점)
Avionics영어 산업은 최근 몇 년 동안 급속한 기술 발전을 통해 더욱 통합되고 자동화된 시스템으로 이어지고 있다. 주요 동향은 다음과 같다.
- '''유리 조종석(Glass Cockpits영어)''' : 기존의 아날로그 계기는 완전히 통합된 유리 조종석 디스플레이로 대체되어 조종사에게 모든 비행 매개변수를 중앙 집중식으로 보여준다.
- '''차세대 기술(NextGen Technologies영어)''' : ADS-B 및 위성 기반 항법은 미국 연방항공청(FAA)의 차세대(NextGen) 계획의 일부로, 항공 교통 관제를 현대화하고 국가 영공의 효율성을 향상시키는 것을 목표로 한다.
- '''자율 시스템(Autonomous Systems영어)''' : 인공지능 및 기계 학습의 발전은 더욱 자율적인 항공기 시스템을 위한 길을 열어 안전성을 높이고 조종사의 작업 부하를 줄인다.
참조
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뉴스
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AEA: Retrofits Lift Avionics Sales through 3Q
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2017-11-20
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Aviation International News
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14 CFR § 121.357 - Airborne weather radar equipment requirements.
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三菱重工がMRJに全力で挑む"真の意味"
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Osprey
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