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문제 정의
- 플랩형상의 새로운 설계였다. 본 연구에서는 스마트무인기의 성능 요구도를 만족하는 플래퍼론 형상을 설계함에 있어서 다양한 형태의 플랩에 대한 유동계산을 수행하여 형상에 따른 공력 특성을 분석하였고, 최종적으로 공력 성능과 시스템 측면에서 최적의 플래퍼론 형상을 채택하였다.
제안 방법
- 각 플랩 형상의 유동특성은 형상 #1, #2, #6, 그리고 #9에 대해 최대의 양항특성을 가지는 플랩 각 30도, 받음각 8도에서의 유선의 형태를 분석의 통해 파악하였다.
- 당초의 슬롯 플랩의 설계 개념은 Fig. 7과 같은 V-22의 플래퍼론 개념[3]과 유사하게 플랩과 주 에어포일 사이에 가변형 덮개(variable seal)를 장착하여 플랩의 변위에 따라 가변 덮개가 주어진 최적의 변위각에 따라 움직이도록 할 예정이었으나, 시스템의 복잡성 및 성능을 고려하여 보다 단순화된 형상으로 최적의 성능을 구현하는 설계를 수행하였다.
- 본 연구에서는 스마트무인기의 플래퍼론의 형상 설계에 있어서, 플랩형상 설계시 일반적으로 적용되고 있는 설계 가이드라인을 바탕으로 플랩 형상을 생성하고, 각 형상에 대한 2차원 유동해석을 동시에 수행함으로서 공력성능 및 구조적 단순성을 동시에 만족하는 최적의 플랩 형상을 설계하였다.
- 설계된 세미-슬롯플랩과 단순플랩에 대한 공력성능에 대한 검증은 중형아음속 풍동 (KARL LSWT)에서 이루어진 40% 축소모델에 대한 풍동 시험을 통해 이루어 졌다. 풍동시험은 단순 플랩으로 이루어진 TR-S1의 형상을 기본으로 하고 세미-슬롯 플랩형상을 추가였으며, 풍동시험 조건은 유속 50m/sec로서 레이놀즈 수 1.
- 스마트무인기의 플래퍼론 형상설계는 위의 2장에서 제시된 형상설계 가이드라인에 따라 이루어졌다. 최종적인 플래퍼론 형상은 Fig.
- 00001c 이다. 유동 계산은 플랩각 0도부터 70도까지 10도 간격으로, 받음각은 각 플랩각에 대해 -4도부터 28도까지 2 도 간격으로 변화시켜 가면서 수행하였다. 이때의 각 유동조건은 마하수 0.
- 통해 이루어 졌다. 풍동시험은 단순 플랩으로 이루어진 TR-S1의 형상을 기본으로 하고 세미-슬롯 플랩형상을 추가였으며, 풍동시험 조건은 유속 50m/sec로서 레이놀즈 수 1.1 x 106 이다.
- 플랩 및 코브의 형상, 그리고 힌지 포인트는 플랩 각 20도에서 플랩간격(gap)이 2%가 되도록 설정하였으며, Table 1에서 제시된 바와 같이 가급적 모든 변위각에서 슬롯 출구의 면적이 최소가 되도록 하였다.
대상 데이터
- 단순플랩 형상으로부터 시작된 총 8개의 플랩 형상에 대한 공기역학적 분석으로부터 최종 형상은 세미-슬롯플랩(#9)으로 선정되었다. 서 미-슬롯플랩 형상은 상대적으로 우수한 공력성능과, 기존의 슬롯 플랩과는 달리 힌지점이 단순플랩과같이 플랩의 내부에 존재함으로서 제작이 단순화될 수 있다는 점과, 그리고 힌지점이 외부에 존재할 경우 별도의 지지 구조물에 의한 항력의 증가를 고려할 때, 기존의 슬롯플랩 형상 대비성능 및 구조적 측면에서 최적의 선택임을 보여준다.
이론/모형
- 다양한 후보 플래퍼론 형상에 대한 공력성능해석은 2차원 Full Navier-Stokes 유동해석을 통하여 이루어 졌으며, 수치적 기법으로는 오른쪽 항은 중앙차분을, 왼쪽 항에는 대각화 알고리즘 (DADI)을 적용하였다[4]. 본 계산을 위해 적용된 난류 모델은 1-방정식 난류 모델인 Sparat-Allmaras 모델이다.
- 적용하였다[4]. 본 계산을 위해 적용된 난류 모델은 1-방정식 난류 모델인 Sparat-Allmaras 모델이다.
- 스마트무인기의 플랩 형상은 슬롯플랩의 형상설 계시 일반적으로 적용되는 Table 1의 설계기법 [2]을 바탕으로 이루어 졌다. Fig.
성능/효과
- 두 플랩형상의 변위각에 따른 최대양력계수는 Fig. 16에 나타낸 바와 같이 단순플랩의 경우에는 변위각 15도 이상에서는 더 이상 양력이 증가되지 않는 정체 상태에 도달하지만, 세미-슬롯플랩의 경우에는 상대적인 최대 양력계수의 값도 클 뿐더러 변위각의 증가에 따라 지속적으로 최대양력계수의 값이 증가됨을 볼 수 있다. 이러한 두 플랩간의 최대 양력계수의 차이는 Fig.
- 14는 두 가지 플랩형상에 대한 양력계수 기울기 곡선을 보여주는 것으로서, 플랩각 0도에서는 단순플랩의 경우가 양력계수의 크기가 약간 크게 나타나고 있으나 플랩의 변위각이 증가할수록 서미-슬롯플랩의 양력이 상대적으로 크게 나타남을 볼 수 있다. 또한 양력계수의 기울 기도 단순 플랩에 비해 크게 나타나고 있으며, 높은 받음각까지 기울기의 선형성을 강건하게 유지하는 것을 볼 수 있다.
- 15는 두 가지 플랩형상에 대한 양항 곡선으로서 플랩 변위각도에서 두 형상의 양향특성이 비슷하게 나타나지만, 변위각이 증가하면 동일한 양력계수에 대해 세미-슬롯플랩의 항력이 작게 나타남을 알 수 있다. 즉, 설계된 세미-슬롯플랩은 단순플랩보다 양력은 크게 증가하고 항력은 낮게 증가함으로서 전체적인 양항특성이 훨씬 우수함을 보여준다.
- 감소된다. 특히, Fig. 2에서 제시된 전산 유동해석에 의한 스마트무인기의 양력 특성을 살펴보면, 최대의 체공성능(Le/Dng) 을 가지는 비행체의 양력계수는 기체 받음각 10도에서 1.13 정도로서 이 상태에서의 실속여유는 1.09 정도로 통상적으로 가져야 하는 실속여유인 1.2 ~ 1.3에 비해 매우 낮은 실속여유를 나타내었다.
후속연구
- 비행체의 양항비를 향상시키기 위해 스마트 무인기의 개념 및 기본설계 단계에서 날개의 종횡비를 늘일 목적으로 나셀에 별도의 작은 날개 (Stud wing)의 장착과, 최대의 양항특성을 갖는 에어포일의 최적설계를 시도하였으나, 전자의 경우에는 별도의 날개의 장착에 따른 비행체의 개발 위험도 증가로 채택되지 못하였고, 후자의 최적 에어포일 형상은 날개의 낮은 종횡비로 인해 2차원 형상에서 나타났던 높은 양항비 특성이 3차원 날개에서는 효과가 미비한 것으로 나타나 이 또한 채택이 되지 못하였다.
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