[논문]최소항력을 갖는 비행선의 구조 및 공력 설계

윤성찬; 이재홍; 허현우; 유새롬; 김두만

문제 정의

본 논문에서는 요구조건에 부합하는 최소 항력 외형 설계 과정을 수행하여 항력이 가장 적게 발생하는 최적의 형상을 찾아내었고, 비행상황에 안전한 비행선의 설계를 하였다.
본 연구에서 공중에서 무인촬영을 목적으로 하는 항공 무인촬영용 비행선 개발의 공력설계와 구조 설계를 수행하였다.그 결과 기낭의 항력계수는 0.
기낭은 전체 비행선의 하중을 감당하는 부력을 발생해야 하기 때문에 부피가 크고, 표면적 또한 크다. 본 연구에서는 공기역학적 항력을 최소화하는 고 기능성 비행선의 공력설계를 하였다.
자연층류 형상이론은 비행중 기낭 주변의 공기흐름이 층류에서 난류로 천이되는 형상의 변화를 고려하여 비행선의 형상을 설계하는 이론이다. 이 이론은 부착물에서 발생되고 있는 국부적 유동박리와 기낭 주변의 경계층 천이의 촉진 가능성의 관계 및 대기의 난류도 등을 고려하는 것이다. 이러한 이유 때문에 자연층류 형상이론은 제작에 어려움이 있고 비행선 주위의 대기 조건에 대한 엄밀한 고려까지 이루어져야 하므로 이 이론이 본 연구에서는 비효율적인 방법으로 판단되었다.
또한 사용 분야가 민간 분야의 관측용, 광고용으로 사용 가능하고 전투감시나 국경감시용으로 사용되어 기술의 확장이 용이한 것이 큰 장점이다. 이와 같은 비행선의 장점을 바탕으로 친환경 비행체인 비행선의 설계를 하고자 한다.

가설 설정

본 논문에서 설계한 비행선 기낭의 재료로 L1412DEP라는 필름으로 기낭의 재료로 널리 쓰이는 재료로 비등방성 재료이다. 곤돌라의 재질 또한 FRP로 비등방성이지만 변형 정도가 기낭에 비해 미미하므로 등방성 재료로 가정하여 해석해도 결과에 영향을 주지 않을 것으로 판단된다.

제안 방법

FLUNET를 이용한 각 장축의 길이에 따라 받음각 변화에 따라 시뮬레이션의 결과를 통하여 비행선 기낭의 기하학적 형상을 설정하였다.
Payload의 무게와 그리고 자중을 고려하였으며, 5.5 m/s로 운용중일 때 2.5 m/s의 돌풍을 만난경우의 항력을 적용하였다.
기낭은 경계층의 천이를 늦춤으로써 마찰 항력을 대폭 줄일 수 있지만 실제에 적용 가능성이 불확실한 자연 층류 형상보다는 전통적인 회전체 형상을 채택하여 공력설계를 수행하였다. 항력을 최소화하면서도 구조적으로 유리하도록 세장비를 1:4 로 하고 장축 길이비가 1 : #2 의 2개의 타원을 회전시켜 기낭의 외형으로 하였다.
기본적으로 기낭의 형상이 유지되도록 하는 여압과 최대 상승시 지상과 기압차의 합을 내압으로 하였다.
단축길이를 2 m로 고정한 후 장축의 길이를 7.212 m, 8.414 m, 9.616 m, 10.816 m, 11.419 m, 12.020 m 으로 기낭의 형상을 변화시켜가며 받음각에 따른 공력해석을 실시하여 항력이 최소가 되는 형상으로 결정하였다. 속도는 비행선의 설계 순항속도인 5.
때문에 2Point, 2Line의 구속를 잡았으며 이는 기낭의 변형에 방해되지 않으면서 전체 시스템의 움직임에는 변동이 없도록 하였다.
또한 현재 널리 사용되는 FEM(유한요소해석)을 이용하여 구조 해석을 수행하고 그 안전성을 확인하였다.
보통 대칭형상의 경우 해석의 편의를 위해 절반의 모델을 해석 하지만 본 해석은 전체적인 경향을 파악하기위하여 Full Model을 해석 하였다
본 연구를 통하여 항공 무인촬영용 장치를 갖춘 비행선의 설계를 수행한다, 공력파트에서는 최소 항력 외형 설계, 구조파트에서는 고강도, 경량 소재의 발굴 및 적용, 추력파트에서는 벡터추력 기법 연구, 제어분야에서는 무인 촬영 시스템 구축 및 정점 체공 기술의 연구를 실시 하였다.
본 연구에서 설계하고자 하는 비행선은 관측용 무인 촬영용으로써 제작이 편리하며 효율적으로 최소의 항력을 발생시킬 수 있는 전통적 형상 이론을 활용하여 공력설계를 실시하였다.
제작한 모델을 바탕으로 2-D Solid로 메쉬한다. 본 해석에서는 ANSYSY를 이용하여 Meshing과 Solving작업을 하였다.
비행선이 비행중 처하게 되는 극한 상태의 기동 상태는 없으나 구조적으로 주의 깊게 고려해야 할 상태에 대해 평가하였다.
위의 경험식에 비행선에서 주로 사용되는 꼬리날개의 Aspect Ratio 1.6을, Taper Ratio는 0.5로 선정하여 꼬리날개를 설계하였다.
그리고 환경문제가 대두되고 있는 현실을 볼 때 친환경 비행체에 대한 연구는 반드시 수행되어야 하고 그 연구의 방향으로 비행선은 매우 좋은 대안이 될 것이다. 저 소음/진동 상태에서 장시간 체공 가능한 비행선의 장점을 이용하여 관측이 가능한 비행선을 설계하고자 한다.
하지만 비행선의 비행 중에 발생할 수 있는 받음각이 변화를 함께 고려하여야 하므로, 받음각 효과를 함께 고려하여 각 장축길이에 따라 받음각이 변할 때 항력의 값을 알기 위해 시뮬레이션을 실시하였다.

대상 데이터

본 논문에서 설계한 비행선 기낭의 재료로 L1412DEP라는 필름으로 기낭의 재료로 널리 쓰이는 재료로 비등방성 재료이다. 곤돌라의 재질 또한 FRP로 비등방성이지만 변형 정도가 기낭에 비해 미미하므로 등방성 재료로 가정하여 해석해도 결과에 영향을 주지 않을 것으로 판단된다.
본 연구에서 얻어진 비행선은 장축 길이 8.414m의 연식 비행선으로 Inverse Y Type의 꼬리날개를 갖는 것으로 결정하였다.
은 각 장축 길이의 받음각 변화에 따른 비행선의 x축 방향 항력의 변화를 나타낸 그래프이다. 장축 길이가 8.414 m일 때 받음각에 따른 항력의 변화가 크지 않고 받음각이 커질 때 항력의 증가가 가장 적게 발생하므로 비행선의 공력 특성이 가장 우수하여 이 형상으로 선정하였다.

데이터처리

각 장축길이에 따른 받음각의 항력 변화 해석결과를 비교하기 위해 Young과 Hoerner의 실험식의 결과를 비교하였다. 이 실험식은 체적이 같은 축대칭 형상 동체에 대하여 세장비(d/l)의 함수로 항력계수를 나타내었고, 그 결과를 나타내면 다음 표8과 같다.

이론/모형

항력을 최소화하면서도 구조적으로 유리하도록 세장비를 1:4 로 하고 장축 길이비가 1 : #2 의 2개의 타원을 회전시켜 기낭의 외형으로 하였다. 꼬리날개는 Inversed-Y Type으로 Goodyear사의 경험식을 사용하여 꼬리날개의 제원을 선정하였다.
먼저 꼬리날개의 면적을 결정하기 위해 비행선에서 주로 사용된 Goodyear사의 경험식을 사용하여 비행선 꼬리날개 면적을 계산하였다.

성능/효과

각 장축길이에 따라 받음각에 따른 시뮬레이션을 통하여 항력 변화의 결과를 바탕으로 장축의 길이비 1 : 2 이고 2개의 타원 회전체를 결합한 모양과 세장비 1 : 4 에 가장 근접한 형상인 장축 8.414 m와 단축 2 m인 형상이 받음각에 따라 저 항력을 가지는 형상임을 확인할 수 있었다. 이 시뮬레이션의 결과를 통하여 비행선 기낭의 기하학적 형상이 선정되었다 다음2에서부터 표7까지는 각 장축길이에 따른 비행선의 각 방향(x,y.
구조 해석을 통하여 변형과 응력분포 경향을 살펴보고 취약점을 분석 하여 본 연구에서 설계한 비행선은 구조적으로 안전한 것으로 평가되었다. 비행선의 최대 응력을 나타내는 부분은 패치부분으로 패이로드의 크기나 곤돌라의 크기에 따라 적절하게 설계를 되어야 됨을 확인할수 있었다.
본 연구에서 공중에서 무인촬영을 목적으로 하는 항공 무인촬영용 비행선 개발의 공력설계와 구조 설계를 수행하였다.그 결과 기낭의 항력계수는 0.02278로 타 연구 결과에 비해 5%이상의 항력계수값을 낮추었으며,이에 적합한 꼬리날개 형상을 설계 하였다.
본 연구의 공력 해석을 통해 얻은 항력계수 CD가 Young의 결과 보다 3.88%, Hoerner의 경우보다 5.87%적게 계산되어 최소의 항력을 얻을 수 있었다.
구조 해석을 통하여 변형과 응력분포 경향을 살펴보고 취약점을 분석 하여 본 연구에서 설계한 비행선은 구조적으로 안전한 것으로 평가되었다. 비행선의 최대 응력을 나타내는 부분은 패치부분으로 패이로드의 크기나 곤돌라의 크기에 따라 적절하게 설계를 되어야 됨을 확인할수 있었다.
이 이론은 부착물에서 발생되고 있는 국부적 유동박리와 기낭 주변의 경계층 천이의 촉진 가능성의 관계 및 대기의 난류도 등을 고려하는 것이다. 이러한 이유 때문에 자연층류 형상이론은 제작에 어려움이 있고 비행선 주위의 대기 조건에 대한 엄밀한 고려까지 이루어져야 하므로 이 이론이 본 연구에서는 비효율적인 방법으로 판단되었다.
Table 1. 장축길이에 따른 항력 변화단축을 고정시키고 장축길이의 변화에 따른 항력 변화를 고려하면, 장축의 길이가 길어질수록 항력이 감소하는 것을 알 수 있었다. 이는 장축의 길이가 길어질수록 비행선의 형상은 유선형이 되어서 항력이 감소하므로 장축 길이가 커질수록 항력이 작은 좋은 형상으로 보인다.

후속연구

광범위한 영역의 관측을 위해서는 경제적이며 장기 체공이 가능한 관측 시스템이 필요하다. 그리고 환경문제가 대두되고 있는 현실을 볼 때 친환경 비행체에 대한 연구는 반드시 수행되어야 하고 그 연구의 방향으로 비행선은 매우 좋은 대안이 될 것이다. 저 소음/진동 상태에서 장시간 체공 가능한 비행선의 장점을 이용하여 관측이 가능한 비행선을 설계하고자 한다.
추후 비행선의 제작이 된다면 지속적인 비행시험을 통하여 설계 데이터를 검증이 필요할 것으로 평가하고 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	광범위한 영역의 관측을 위해 필요한 것은 무엇인가?	광범위한 영역의 관측을 위해서는 경제적이며 장기 체공이 가능한 관측 시스템이 필요하다. 그리고 환경문제가 대두되고 있는 현실을 볼 때 친환경 비행체에 대한 연구는 반드시 수행되어야 하고 그 연구의 방향으로 비행선은 매우 좋은 대안이 될 것이다.
	비행선의 장점은 무엇인가?	비행선의 장점으로는 공기보다 가벼운 기체(헬륨)를 사용하여 안전한 운용이 가능하고 양력을 얻기 위한 독립된 동력기관이 필요하지 않아 경제적이다. 그리고 최근에 개발된 첨단 소재들을 이용하여 가벼우면서 강도와 강성을 확보할 수 있다.
	설계하고자 하는 비행선의 요구조건은 무엇인가?	① 순항 고도는 500 m이고, 최대운용고도는 1000 m로 제한 ② 평균운용속도는 20 km/h(5.5 m/s) ③ 운용시간은 30~60분 ④ 탑재장비(항공 촬영용 장비)의 중량은 카메라, 영상 송신장치 등 5 kg 이내

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
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