항공우주학의 세부분야 - 제어/동역학, 항공전자/항공운항 분야
3장에서는 2장에서 했던 항공우주학에 적용되는 여러 분야에 대해 이어서 알아보겠습니다.
1. 제어/동역학
제어 동역학 분야에서는 항공기, 미사일, 발사체, 인공위성과 같은 항공우주비행체가 비행 중 겪는 각종 외란을 이겨내며 안정적인 비행 상태를 유지하면서 목표 지점까지 이동할 수 있게 하기 위한 각종 문제들을 다룹니다. 이 분야에서는 대개 비행체를 강체 또는 이보다 간략화된 것으로 가정하고, 이에 맞는 운동 방정식을 뉴턴의 운동법칙에 따라 기술하고, 이에 근거하여 각종 문제들을 해결합니다. 이 분야의 세부 주제는 유도, 항법, 제어로 나뉘는데, 항법은 비행체의 속도, 위치, 자세를 알아내는 문제를, 유도는 어떤 과정을 따라서 목적지에 갈 것인가에 관한 문제를, 제어는 유도에서 정한 경로를 따라가기 위해 비행체의 조종면을 어떤 방식으로 움직일 것인가에 대한 문제를 다룹니다. 비행체는 다른 운동체와 다르게 현재의 위치, 속도, 자세 정보를 제대로 알지 못하면 적절한 비행경로를 유지하기가 어렵기 때문에 항법은 매우 중요한 문제이며, 오늘날에는 각종 센서를 활용해서 비행체의 운동정보를 정밀하게 알아내는 연구가 지속적으로 이루어지고 있습니다. 또한, 고성능 항공기, 인공위성, 정밀 유도무기 등의 항공우주 시스템이 개발되면서 목표로 하는 위치로 이동하기 위한 유도, 제어 분야의 연구는 점점 더 정밀, 정확, 신속하게 비행체가 원하는 위치와 자세를 가질 수 있도록 하는 물리적 개념과 이론적 기법, 소프트웨어적 알고리즘, 하드웨어적인 구현에 대한 연구가 매우 활발히 이루어지고 있습니다.
특히 최근 제어 동역학 분야에서는 조종사에 의존하지 않고 비행체가 스스로 자율적으로 비행을 수행할 수 있는 기법과 시스템에 대한 개발이 가장 핵심적인 연구가 되고있으며, 이러한 과정에서 전통적으로 구분되는 유도, 항법, 제어를 넘어서서 보다 상위 레벨에서의 의사 결정 문제를 다루는 연구가 활발히 이루어지고 있습니다. 특히, 딥러닝, 강화 학습과 같은 각종 인공지능 기법을 비행체의 의사 결정, 유도, 제어 문제에 적용하는 연구가 새로이 시도되고 있습니다.
2. 항공전자 분야
항공전자 분야는 항공우주 비행체의 비행, 항행, 조종, 통신 등에 관련된 각종 전자장비와 소프트웨어에 대해서 다루는 항공우주공학의 학문 분야 입니다. 초창기의 항공기는 기계적인 방식으로 조작되었고, 비행을 위해 사용되는 각종 계측장비도 기계적인 방식으로 작동했던 것에 비해, 오늘날의 항공기나 우주비행체는 수많은 전자장비와 센서, 컴퓨터가 관여되는 복합적인 시스템입니다. 항공기는 비행 중 관제사, 다른 항공기와 지속적으로 통신을 하며, 공항에는 항공기의 안전한 비행을 위한 관제 시스템과 레이더 등의 각종 전자 장비들이 구비되어 있습니다. 현대 비행기에서는 각종 세부 시스템들의 작동이 전기식 구동 장치와 디지털 컴퓨터를 통한 전자적인 방식으로 이루어지며, 항공기의 항법과 제어를 위한 장치와 부품들도 디지털 컴퓨터와 각종 센서 회로로 구성되어 작동됩니다. 또한 정밀하고 안전한 비행의 중요성이 높아지고 항공기의 임무와 역할이 점점 다양해짐에 따라, 항공기는 비행 중 환경과 주변 인식, 임무 수행을 위해 각종 전자식 센서를 탑재하고 있습니다. 정보통신 기술, 소프트웨어 기술이 한층 발전해감에 따라 항공전자분야의 비중과 중요성은 항공우주공학 내에서 점점 커지고 있습니다. 또한, 최근에는 항공분야를 넘어서 인공위성에 탑재되는 각종 전자장비와 센서들을 포괄하여 항공우주전자라는 융합된 형태의 학문으로 발전해가고 있습니다.
3. 항공운항 분야
최근 항공운항교통이 발달하면서 항공기의 이착륙이 빈번한 공항 주변과 비행 항로에서의 항공 안전이 점점 중요해지고 있습니다. 이러한 항공기의 운항 관리와 관련되는 기술 발전은 효율적이고 안전한 대량 항공운항을 가능케 합니다. 이와 같이 항공운항 분야의 연구목적은 전체적인 항공운항 시스템의 안전성과 효율성 향상을 위한 것입니다. 지속적인 항공교통량의 증가로 인해 공항과 공역의 수용량이 점점 한계에 다다르고 있고, 이착륙 지연이나 항공편이 취소되는 상황이 발생하는 빈도도 증가하고 있습니다. 항공기 자체가 아무리 효율적이어도, 항공교통이 혼잡해지고 비행경로가 길어지고 비행시간이 늘어나게 되면 시스템 전체의 측면에서는 효율성이 떨어지게 됩니다. 따라서 항공운항 분야의 연구 목표는 개별 항공기의 성능과 효율성 향상과 더불어 운항의 효율성을 향상시켜 시스템 전체의 최적화를 추구하는 것입니다.
항공기의 직접적인 운용 측면에서는 공항에서의 효율적인 지상 운용과 궤적에 기반을 둔 비행운용의 두 개의 큰 틀에서 연구가 진행되고 있으며, 이러한 운용을 뒷받침하기 위한 공역과 항로 및 흐림 관리, 운항과 기상 등 방대한 데이터의 효율적인 통합과 베포에 대한 연구 역시 진행되고 있습니다. 항공운항 분야에서의 당야한 연구 및 개발 분야는 국제민간항공기구에서 제시하는 항공운항 시스템 향상 계획 로드맵에도 제시되어 있습니다.
항공운항 분야의 연구는 서로 다른 여러 분야의 긴밀한 통합이 필요합니다. 예를 들어 정밀 궤적에 기초한 운용의 경우, 항공기의 입장에서는 주어진 궤적을 정확하게 따라갈 수 있는 항행 능력이 필요하며, 관제당국과 항공기 간에 이러한 정보를 전달할 수 있는 데이터 통신 체계가 필요합니다. 교통관리의 입장에서는 교통과 기상 상황에 따라 각 항공기가 비행할 최적의 궤적과 스케줄을 생성할 수 있어야 합니다. 최근 활발한 연구가 진행되는 유무인항공기의 통합 운용에 관한 연구의 경우, 통합 운용이 전체 항공교통 시스템에 미치는 영향을 분석하고 평가하기 위한 관제 시뮬레이션 연구가 필요합니다.
5. 마치며
전통적인 항공우주학의 항공기 운동 모델, 비행성능 해석과 같은 기법을 기반으로 하고, 대용량의 데이터를 처리, 분석하기 위한 통계적 기법, 경로 최적화와 같이 컴퓨터 공학의 다양한 알고리즘, 스케쥴 최적화와 같은 산업 공학의 기법, 그리고 조종사, 관제사 등 항공 종사자의 모델을 분석하기 위한 인지 과학과 심리학을 응용한 기법에 이르기까지 다양한 분야의 융합이 이루어지고 있습니다.