최근의 유가인상과 관련하여 상업용 및 군용 항공기 운용시의 연료 효율을 높이고자 하는 노력이 가속화되고 있다. 관련 연구에 의하면 수송기와 비즈니스 젯 항공기에 있어서 윙렛은 공력/구조적 효율성을 향상시키고, 적은 중량 증가로 저속 수송기의 상승 성능을 향상시킨다고 보고된 바 있다. 윙렛은 일반적으로 날개 끝에 장착되는 작은 공력면이며, 날개에 수직에 가깝게 장착되어 날개 끝단 와류의 순환 유동장내에서 작용한다. 윙렛의 설계는 위치, 높이, 테이퍼비, 후퇴각, 익형, toe-out 및 켄트각 등 많은 요소를 고려해야 하는 매우 복잡한 과정이다. 최근에는 미국 보잉사의 B737-800과 B787 등의 최신 기종에서 Blended 윙렛을 성공적으로 적용하여 날개끝의 길이를 늘리는 것(Wing Tip Extension) 보다 적은 추가 중량으로 같은 순항 성능을 도출하는데 성공하였다. 윙렛의 점성저항으로 인하여 최소항력은 증가하지만 높은 양력계수에서는 유도항력의 감소로 전체 항력이 감소하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 윙렛은 강한 날개끝 와류를 발생시키는 높은 양력계수에서 순항하는 항공기에 더욱 적합하다.
최근의 유가인상과 관련하여 상업용 및 군용 항공기 운용시의 연료 효율을 높이고자 하는 노력이 가속화되고 있다. 관련 연구에 의하면 수송기와 비즈니스 젯 항공기에 있어서 윙렛은 공력/구조적 효율성을 향상시키고, 적은 중량 증가로 저속 수송기의 상승 성능을 향상시킨다고 보고된 바 있다. 윙렛은 일반적으로 날개 끝에 장착되는 작은 공력면이며, 날개에 수직에 가깝게 장착되어 날개 끝단 와류의 순환 유동장내에서 작용한다. 윙렛의 설계는 위치, 높이, 테이퍼비, 후퇴각, 익형, toe-out 및 켄트각 등 많은 요소를 고려해야 하는 매우 복잡한 과정이다. 최근에는 미국 보잉사의 B737-800과 B787 등의 최신 기종에서 Blended 윙렛을 성공적으로 적용하여 날개끝의 길이를 늘리는 것(Wing Tip Extension) 보다 적은 추가 중량으로 같은 순항 성능을 도출하는데 성공하였다. 윙렛의 점성저항으로 인하여 최소항력은 증가하지만 높은 양력계수에서는 유도항력의 감소로 전체 항력이 감소하게 됨을 알 수 있다. 따라서, 윙렛은 강한 날개끝 와류를 발생시키는 높은 양력계수에서 순항하는 항공기에 더욱 적합하다.
Aircraft fuel efficiency is one of main concerns to aircraft manufacturers and to aviation companies because jet fuel price has tripled in last ten years. One of simple and effective methods to increase fuel efficiency is to reduce aircraft induced drag by using of wingtip devices. Induced drag is c...
Aircraft fuel efficiency is one of main concerns to aircraft manufacturers and to aviation companies because jet fuel price has tripled in last ten years. One of simple and effective methods to increase fuel efficiency is to reduce aircraft induced drag by using of wingtip devices. Induced drag is closely related to the circulation distribution, which produces strong wingtip vortex behind the tip of a finite wing. Wingtip devices including winglets can be successfully applied to reduce induced drag by wingtip vortex mitigation. Winglet design, however, is very complicated process and has to consider many parameters including installation position, height, taper ratio, sweepback, airfoil, toe-out angle and cant angle of winglets. In current research, different shapes of winglets are compared in the view of vortex mitigation. Appropriately designed winglets are proved to mitigate wingtip vortex and to increase lift to drag ratio. Also, the results show that winglets are more efficient than wingtip extension. That is the reason B-747-400 and B-737-800 chose winglets instead of a span increase to increase payload and range. Drag polar comparison chart is presented to show that minimum drag is increased by viscous drag of winglet, but at high lift, total drag is reduced by induced drag decrease. So, winglets are more efficient for aircraft that cruises at a high lift condition, which generates very strong wingtip vortex.
Aircraft fuel efficiency is one of main concerns to aircraft manufacturers and to aviation companies because jet fuel price has tripled in last ten years. One of simple and effective methods to increase fuel efficiency is to reduce aircraft induced drag by using of wingtip devices. Induced drag is closely related to the circulation distribution, which produces strong wingtip vortex behind the tip of a finite wing. Wingtip devices including winglets can be successfully applied to reduce induced drag by wingtip vortex mitigation. Winglet design, however, is very complicated process and has to consider many parameters including installation position, height, taper ratio, sweepback, airfoil, toe-out angle and cant angle of winglets. In current research, different shapes of winglets are compared in the view of vortex mitigation. Appropriately designed winglets are proved to mitigate wingtip vortex and to increase lift to drag ratio. Also, the results show that winglets are more efficient than wingtip extension. That is the reason B-747-400 and B-737-800 chose winglets instead of a span increase to increase payload and range. Drag polar comparison chart is presented to show that minimum drag is increased by viscous drag of winglet, but at high lift, total drag is reduced by induced drag decrease. So, winglets are more efficient for aircraft that cruises at a high lift condition, which generates very strong wingtip vortex.
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문제 정의
본 논문에서는 앞에서 설명한 설계 개념에 따라 소형제트기의 윙렛을 설계하고, 이에 따른 양력 및 양항비의 증가를 전선유체해석으로 확인하였다.
기종의 하나로 언급되고 있다. 본 연구에서는 이러한 요구에 부응하여 소형항공기의 초기개념설계 단계로서, 순항 성능을 향상시키기 위한 소형 항공기의 윙렛의 설계 개념을 정립하고, 한국항공우주연구원에서 설계 중인 소형 제트기에 윙렛을 적용하여 그 효과를 해석적인 방법으로 검토하였다.
즉, 윙렛에 의한 중량과 효율의 증가, 설계점에서의 항력감소 및 탈설계점에서의 고양력 설계 등, 이를 통하여 소형항공기의 윙렛 설계의 지표로 삼았다. 본 연구에서는 최근의 경향에 따라 날개 윗면에 장착하는 윙렛에 국한하기로 하였다.
제안 방법
대칭 유동장이므로 동체와 날개의 반만 모델링하여 계산하였고, 엔진과 꼬리날개의 효과는 무시하였다. 그림 3에서 보듯이 Gambit을 이용하여 비정렬 격자계를 구성하였으며, 총 격자수는 320만개이다.
일반적인 윙렛의 설계 개념을 적용하여 순항 마하수 0.4와 순항 설계 양력계수 0.3을 가지는 소형제트기의 윙렛을 모델링하고 그 공력 특성을 살펴보고, 여러가지 윙렛 형상과 비교하였다. 그 결과, 유도항력 감소와 양력증가를 동반한 양항비 증가가 관찰되었으며, 적절하게 설계된 윙렛은 소형제트기의 순항성능을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
적용하여 나열하였다. 즉, 윙렛에 의한 중량과 효율의 증가, 설계점에서의 항력감소 및 탈설계점에서의 고양력 설계 등, 이를 통하여 소형항공기의 윙렛 설계의 지표로 삼았다. 본 연구에서는 최근의 경향에 따라 날개 윗면에 장착하는 윙렛에 국한하기로 하였다.
캔트각을 결정할때는 주익의 굽힘 모멘트와의 절충을 가장 중요하게 생각하여야 하며, 윙렛의 위치 및 형상 등은 위에서 언급한 대로 이론치와 실험치를 통하여 가장 적절하다고 판단되는 값을 적용하였다. 즉, 참고문헌 [6]에서는 양항비의 증가분과 주익의 root에서의 굽힘모멘트 증가비를 주요 변수(R)로 설정하였다.
대상 데이터
그림 3에서 보듯이 Gambit을 이용하여 비정렬 격자계를 구성하였으며, 총 격자수는 320만개이다. 4가지의 형상에 대하여 해석을 수행하였으며, 이는 기본날개, WMdtcomb형상, 10% 스팬 연장 형상 및 본 설계 결과인 KARI 윙렛 형상이다. 그림 3에 이들의 형상과 압력분포가 도시되었다.
대칭 유동장이므로 동체와 날개의 반만 모델링하여 계산하였고, 엔진과 꼬리날개의 효과는 무시하였다. 그림 3에서 보듯이 Gambit을 이용하여 비정렬 격자계를 구성하였으며, 총 격자수는 320만개이다. 4가지의 형상에 대하여 해석을 수행하였으며, 이는 기본날개, WMdtcomb형상, 10% 스팬 연장 형상 및 본 설계 결과인 KARI 윙렛 형상이다.
일반적으로는 -2도에서 -5도사이의 각이 많이 이용되며, 참고문헌[6] 에 의하면 비즈니스 젯의 경우 -2도가 가장 높은 양항비 증가와 이에 따른 성능 및 안정성 증가에 가장 효과적이라 보고하고 있다. 본 논문에서는 낮은 속도영역의 항공기에 대한 참고문헌 [1]의 형상인 -2도를 채택하였다. 트위스트에 대하여는, 윙렛의 높이 방향을 따라 유입류의 각도감소가 존재하므로(wash out), 이는 윙렛에 바람직한 공력적 트위스트 효과를 주기 때문에 일반적으로 윙렛은 트위스트 각을 주지 않는다.
따라서' 윙렛의 앞전은 주익 wing tip의 최대두께 지점 근처에 위치하는 것이 바람직하며, 실험결과에 의하면 윙렛의 뒷전은 주익의 뒷전과 일치할 때 효율이 가장 크다고 알려져 있다. 본 설계에서는 NACA 23015 익형을 가지는 주익 wing tip의 최대두께인 30%에서부터 뒷전에 걸쳐 윙렛이 위치하게 하였다.
이론/모형
다음으로는 윙렛 표면의 경계층 박리가 주익의 경계층 박리보다 늦게 일어나야 한다. 높은 아음속 순항을 하는 본 설계에서는 구조중량의 증가를 최소화하고 저속 실속 특성의 악화를 방지하기 위하여 두께비가 8%인 NASA의 캠버 익형[기을 사용한다.
결과적으로, 윙렛에 의한 양항비의 증가는 같은 받음각에서의 양력의 증가 및 같은 양력에서의 Oswald's Efficiency Factor증가의 두 가지 요인에 의하여 순항시의 양항비가 증가한다고 볼 수 있다. 본 설계에서는 민감도 분석에 의한 캔트 각산출에 요구되는 계산량이 지나치게 많으므로, Whitcomb[l]에 의하여 제안된 15도를 사용하였다. 이상의 설계개념으로 도출된 순항 마하수 0.
전기체 해석시에는 3차원 Navier-Stokes Solver 인 Fluent 를 이용하였으며, Spalart-Allmaras의 1-eqn 난류모델을 적용하였다. 대칭 유동장이므로 동체와 날개의 반만 모델링하여 계산하였고, 엔진과 꼬리날개의 효과는 무시하였다.
성능/효과
결과적으로, 윙렛에 의한 양항비의 증가는 같은 받음각에서의 양력의 증가 및 같은 양력에서의 Oswald's Efficiency Factor증가의 두 가지 요인에 의하여 순항시의 양항비가 증가한다고 볼 수 있다. 본 설계에서는 민감도 분석에 의한 캔트 각산출에 요구되는 계산량이 지나치게 많으므로, Whitcomb[l]에 의하여 제안된 15도를 사용하였다.
3을 가지는 소형제트기의 윙렛을 모델링하고 그 공력 특성을 살펴보고, 여러가지 윙렛 형상과 비교하였다. 그 결과, 유도항력 감소와 양력증가를 동반한 양항비 증가가 관찰되었으며, 적절하게 설계된 윙렛은 소형제트기의 순항성능을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
후속연구
향후에는 많은 계산이 요구되는 윙렛의 Toe-out 각과 캔트각 등에 대한 민감도 분석을 통하여 성능이 향상된 설계에 대한 연구를 지속적으로 수행할 예정이며, 이에 따라 윙렛의 공기역학적 작용의 규명과 구조 중량 감소 및 공력적인 효율성이 더욱 향상될 것으로 기대된다.
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