자세제어 시험기체 'BW-0.2'의 비행을 준비 중인 모습
현대적인 우주 발사체는 안정적인 비행 및 정밀한 위성 투입을 위해 현재 자신의 비행 상태를 파악하고, 능동적으로 자세를 제어합니다.
이를 위해서는 발사 후 풍속, 대기 밀도, 엔진 추력, 자체 관성 모멘트 등의 비행 조건이 극적으로 변화하는 상황을 고려한 제어기 설계가 필수적입니다.
특히 초소형 발사체는 비행 중 발생하는 외란에 비해 자체 질량이 작기 때문에, 대형 발사체보다 더 빠른 속도와 정밀도를 겸비한 비행 제어 기술을 요구합니다. 따라서 발사체의 동적 특성 (슬로싱, 밴딩, 엔진 TVC 모델 등)을 보다 면밀하게 고려해야만 실 발사체의 복잡한 거동에서도 안정적인 제어 성능을 얻을 수 있습니다.
이를 위해서는 발사 후 풍속, 대기 밀도, 엔진 추력, 자체 관성 모멘트 등의 비행 조건이 극적으로 변화하는 상황을 고려한 제어기 설계가 필수적입니다.
특히 초소형 발사체는 비행 중 발생하는 외란에 비해 자체 질량이 작기 때문에, 대형 발사체보다 더 빠른 속도와 정밀도를 겸비한 비행 제어 기술을 요구합니다. 따라서 발사체의 동적 특성 (슬로싱, 밴딩, 엔진 TVC 모델 등)을 보다 면밀하게 고려해야만 실 발사체의 복잡한 거동에서도 안정적인 제어 성능을 얻을 수 있습니다.
발사체 비행 및 자세제어 모델을 개발하는 페리지 멤버
비행 제어 엔지니어는 초소형 발사체 Blue Whale 1의 비행을 위한 제어 알고리즘과, 이를 검증하기 위한 시뮬레이션 시스템을 함께 개발합니다.
먼저, 발사체의 동적 특성에 관한 모델을 작성하고 이에 대응되는 제어 로직을 설계합니다. 변화하는 비행 조건에 대해 안정적으로 대응할 수 있는 코드를 구현하는 것이 관건입니다. 이후, 발사체 제어시스템의 기능 및 비행 성능을 사전에 확인하기 위해 MILS/PILS/HILS 시스템 등을 통해 사전 검증을 수행하며, 최종적으로는 실기체 비행 시험을 통해 온전한 성능을 확인하게 됩니다.
먼저, 발사체의 동적 특성에 관한 모델을 작성하고 이에 대응되는 제어 로직을 설계합니다. 변화하는 비행 조건에 대해 안정적으로 대응할 수 있는 코드를 구현하는 것이 관건입니다. 이후, 발사체 제어시스템의 기능 및 비행 성능을 사전에 확인하기 위해 MILS/PILS/HILS 시스템 등을 통해 사전 검증을 수행하며, 최종적으로는 실기체 비행 시험을 통해 온전한 성능을 확인하게 됩니다.
🚀 제가 수행하게 될 업무는 무엇인가요?
- 발사체 시스템 엔지니어링
비행역학 및 제어 엔지니어는 발사체 설계 단계 중 안정적인 비행 제어를 위해 연관된 구성 요소의 설계 의사 결정에 참여합니다. 비행 제어를 위해서는 엔진의 추력 데이터, TVC 액추에이터, IMU 정보 등 여러 정보들이 필요합니다. 그런데 이들은 한 개의 계통으로 분리 가능한 것이 아니라, 추진기관, 구조, 전자 계통 등 여러 서브시스템에 얽힌 상태로만 존재합니다. 따라서 제어 요구 조건의 성공적인 달성을 위해, 시스템 설계 과정에서부터 이들의 설계 타당성에 대한 검토를 수행하게 됩니다.
- 발사체 시스템 모델링
비행 제어에 민감한 영향을 주는 슬로싱(sloshing), 벤딩(bending) 등 발사체 고유의 동적 특성부터, 액추에이터로 기능하는 엔진 및 추력기의 추력 변화, 엔진 질량관성모멘트 및 김벌 마찰력, 제어 주파수를 고려한 TVC 동특성, 항법 센서의 노이즈 및 시간 지연 등, 제어 루프에 포함되어 그 작동 성능에 영향을 줄 수 있는 모든 요소의 응답 특성을 모델링합니다. 구현한 모델들은 제어기 설계를 검증하기 위한 6자유도 HILS (Hardware-in-the-loop simulator) 에 탑재하며, 이를 통해 실기체 비행 전 제어 로직의 성공 가능성 및 개선 사항을 식별하게 됩니다.
- 비행 제어기 설계
식별된 동적 모델과 비행 상황, 각 상황 별 경험적인 최소 이득 여유 (gain margin) 요구조건 등을 고려하여 적절한 제어 기법을 채택하고 제어기를 설계합니다. 발사체 제어 루프 설계의 주안점은, 제어에 의해 발생하는 속도 증분 손실 최소화와, 모델링 오차 등을 고려한 제어 안정성 최대화 사이에서 균형점을 잡는 것입니다. 때문에 계산적으로 명확한 해 (explicit solution) 가 존재하지 않으며, 6-DOF 시뮬레이터 등 여러 툴을 사용한 반복적인 시도와 더불어 설계자의 안목이 가장 중요하다고 할 수 있습니다.
- 비행 시험 및 제어기 로직 유지보수
비행 전 수행되는 지상 테스트들은 실제 비행 환경과 최대한 가깝게 모사하지만, 모든 변수들을 비행중 환경과 동일하게 맞추는 것은 실제 비행보다 더 많은 비용이 소요됩니다. 그렇기에 발생하는 몇 가지 차이점들을 여러 기술적 가정을 통해 용인하게 됩니다. 따라서, 발사체의 실제 성능은 오로지 비행 시험을 통해서만 알 수 있습니다. 때문에 개발 초기에는 매 비행마다 많은 문제점들이 발생하고, 설계 변경도 일상적으로 수행하게 됩니다. 특히 비행 제어기의 성능은 실제 비행을 통해서만 비로소 온전히 드러납니다.
결국, 매 비행 후 비행 결과를 판독하여 설계 적정성을 평가하고, 비행 성능에 영향을 주는 변경 사항이 발생할 때마다 이를 추적하여 제어기 설계에 반영하는 것이 중요합니다. 이는 비행역학 및 제어 엔지니어들의 가장 중요한 임무입니다.
🏆 직무 자격사항
- 다양한 물리적 거동에 관한 수학적 이해 및 모델링 능력
- 비행체 동역학 및 제어에 관한 이해와 이를 응용한 제어 로직 구현 능력
- 실시간 시뮬레이터에 관한 이해와 구현 능력
- (우대) 비행체 제어기 설계 및 구현 경험이 있으신 분
🌏 공통 자격사항
- 국적 및 연령
19세 이상의 한국 영주권자 혹은 시민권자여야 해요.
- 언어
공학적 용어를 사용한 한국어 커뮤니케이션이 가능해야 해요.
- 병적사항
군 복무를 마쳤거나, 해당 사항이 없거나, 혹은 전문연구요원 편입이 가능해야 해요.
🎁 특전
- 전문연구요원 편입 가능
관련 분야 석사학위 이상의 요건을 갖추신 경우, 협의를 통해 입사 후 전문연구요원 편입이 가능합니다.