전기모터와 배터리로 구성된 추진장치를 사용하는 소형무인항공기는 무게가 8kg 이하로 손으로 던져 이륙이 가능하고 운용이 간편하면서도 실시간으로 영상정보를 전송할 수 있어 활용이 증가하고 있다. 하지만 이러한 소형무인항공기의 비행 성능에 대한 해석방법이나 해석결과는 별로 알려진 게 없다. 본 논문에서는 전기추진방식의 무인항공기 연구를 위해 제작한 소형무인항공기의 성능해석방법을 기술하고 결과를 도출한다. 비행체의 공력 데이터는 실제 비행시험으로부터 얻은 활공성능 데이터를 이용하여 구하고 비행속도에 따른 요구추력과 요구동력을 예측한다. 배터리를 동력원으로 사용하는 경우의 항속거리와 항속시간을 예측하는 방법을 제시하고 결과를 도출한다.
전기모터와 배터리로 구성된 추진장치를 사용하는 소형무인항공기는 무게가 8kg 이하로 손으로 던져 이륙이 가능하고 운용이 간편하면서도 실시간으로 영상정보를 전송할 수 있어 활용이 증가하고 있다. 하지만 이러한 소형무인항공기의 비행 성능에 대한 해석방법이나 해석결과는 별로 알려진 게 없다. 본 논문에서는 전기추진방식의 무인항공기 연구를 위해 제작한 소형무인항공기의 성능해석방법을 기술하고 결과를 도출한다. 비행체의 공력 데이터는 실제 비행시험으로부터 얻은 활공성능 데이터를 이용하여 구하고 비행속도에 따른 요구추력과 요구동력을 예측한다. 배터리를 동력원으로 사용하는 경우의 항속거리와 항속시간을 예측하는 방법을 제시하고 결과를 도출한다.
A small unmanned aerial vehicle(UAV), which uses a propulsion system consisting of electric motor and battery, weighs less than 8 kg, capable of hand launch. Because it is easy to operate and able to transmit image information in real time, the use of small UAV has been increasing. However, very few...
A small unmanned aerial vehicle(UAV), which uses a propulsion system consisting of electric motor and battery, weighs less than 8 kg, capable of hand launch. Because it is easy to operate and able to transmit image information in real time, the use of small UAV has been increasing. However, very few analysis methods or analysis results on flight performance of the small UAV have been known so far. In this paper, the performance analysis methods of a small UAV, which is manufactured to study an electric powered UAV, are suggested and their results are achieved. Aerodynamic data of the vehicle are obtained by making use of gliding performance from actual flight test, and required thrust and required power by flight speed are predicted. In addition, the methods to predict range and endurance in case of using battery as power source are suggested and their results are achieved.
A small unmanned aerial vehicle(UAV), which uses a propulsion system consisting of electric motor and battery, weighs less than 8 kg, capable of hand launch. Because it is easy to operate and able to transmit image information in real time, the use of small UAV has been increasing. However, very few analysis methods or analysis results on flight performance of the small UAV have been known so far. In this paper, the performance analysis methods of a small UAV, which is manufactured to study an electric powered UAV, are suggested and their results are achieved. Aerodynamic data of the vehicle are obtained by making use of gliding performance from actual flight test, and required thrust and required power by flight speed are predicted. In addition, the methods to predict range and endurance in case of using battery as power source are suggested and their results are achieved.
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문제 정의
본 논문에서는 배터리와 전기모터 방식의 추진장치를 사용하는 소형무인항공기의 비행성능을 예측하기 위한 계산방법을 제시한다. 한국항공우주연구원에서 수행중인 연구과제의 일환으로 제작한 전기동력 소형무인항공기(Figure 1, Table 1)를 대상으로 실제 비행시험으로부터 얻은 활공성능 데이터를 이용하여 공력데이터를 구하고, 비행속도에 따른 요구추력과 요구동력을 예측한다.
가설 설정
본 연구에서는 프로펠러의 효율과 모터 효율을 별도로 구하지 않고 전체 효율을 η=0.5로 가정하여 사용한다.
실속속도 계산에서 비행체의 최대 양력계수는 CLmax = 1.2 로 가정한다.
제안 방법
한국항공우주연구원에서 수행중인 연구과제의 일환으로 제작한 전기동력 소형무인항공기(Figure 1, Table 1)를 대상으로 실제 비행시험으로부터 얻은 활공성능 데이터를 이용하여 공력데이터를 구하고, 비행속도에 따른 요구추력과 요구동력을 예측한다. 그리고 배터리를 동력원으로 사용하는 경우의 항속거리와 항속시간을 예측하는 방법을 제시하고 결과를 도출한다.
전기추진 방식의 소형무인항공기의 비행시험 데이터를 이용하여 비행성능을 예측하였다. 비행체의 공력특성을 파악하기 위해 활공비행시의 데이터로부터 양력-항력 관계식을 구하였다. 이러한 공력성능 데이터를 이용하여 이론적으로 계산한 소모전력은 실제 비행시험에서 측정한 소모전력과 잘 일치하였다.
전기추진 방식의 소형무인항공기의 비행시험 데이터를 이용하여 비행성능을 예측하였다. 비행체의 공력특성을 파악하기 위해 활공비행시의 데이터로부터 양력-항력 관계식을 구하였다.
본 논문에서는 배터리와 전기모터 방식의 추진장치를 사용하는 소형무인항공기의 비행성능을 예측하기 위한 계산방법을 제시한다. 한국항공우주연구원에서 수행중인 연구과제의 일환으로 제작한 전기동력 소형무인항공기(Figure 1, Table 1)를 대상으로 실제 비행시험으로부터 얻은 활공성능 데이터를 이용하여 공력데이터를 구하고, 비행속도에 따른 요구추력과 요구동력을 예측한다. 그리고 배터리를 동력원으로 사용하는 경우의 항속거리와 항속시간을 예측하는 방법을 제시하고 결과를 도출한다.
대상 데이터
본 연구의 대상 비행체는 무게 1.8kg, BC=248.64 Wh의 리튬-이온 배터리를 탑재하고 있다. Fig.
이론/모형
연료를 사용하는 항공기의 경우는 항속거리와 항속시간을 계산할 때 잘 알려진 Brequet 식[5]을 사용한다. 하지만 배터리를 동력원으로 사용하는 비행체는 비행할 때 무게의 변화가 없어 Brequet 식을 사용할 수 없다.
성능/효과
비행시험에서는 5개의 비행속도에서 배터리로부터 모터로 공급되는 전압과 전류를 각각 측정한 것이다. 결과를 보면 비행시험에서 측정한 전력은 예측된 전력과 잘 일치하여 본 연구에서 비행시험으로부터 추출한 공력성능 데이터가 비교적 정확한 것으로 판단할 수 있다.
결과를 보면 비행체의 최소 요구동력속도는 최소 요구추력속 도보다 작은데 실속속도는 최소 요구동력속도보다 크다.
이러한 공력성능 데이터를 이용하여 이론적으로 계산한 소모전력은 실제 비행시험에서 측정한 소모전력과 잘 일치하였다. 대상 비행체의 비행 특성을 계산한 결과 최소 요구동력속도는 실속 속도보다 작아 최대 항속시간을 얻기 위한 적정 속도는 실속속도의 1.2배로 제안하였으며 이것은 최대 항속거리 속도에 가깝다. 비행체는 이 속도로 비행하는 경우 탑재된 배터리로 항속시간은 2.
결과를 보면 비행체의 최소 요구동력속도는 최소 요구추력속 도보다 작은데 실속속도는 최소 요구동력속도보다 크다. 즉 본 연구의 대상 비행체는 이론적으로 계산된 최소 요구동력속도로 비행할 수 없다는 것을 알 수 있다. 최소 요구추력속도는 최대 항속거리를 얻기 위한 속도에 해당되고, 최소 요구동력속도는 최대항속시간을 얻기 위한 속도에 해당된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소형무인항공기에 배터리와 전기모터로 구성된 추진장치를 사용하는 이유는 무엇인가?
소형무인항공기는 엔진보다는 배터리와 전기모터로 구성된 추진장치를 사용한다[1]. 이것은 전기 모터가 소음이 적고 운용하기가 쉬우며 리튬이온 종류의 배터리를 탑재하면 1시간 이상의 체공이 가능하기 때문이다. 전기동력을 사용하는 추진방식은 앞으로 많은 항공기로 확대될 것으로 예상된다[2,3,4].
무인항공기의 주된 임무는 무엇인가?
최근 언론에는 전장에서 미군에 의해 운용되는 Predator, Global Hawk와 같은 무인항공기 (Unmanned Aerial Vehicle)가 자주 등장하여 일반인에게도 무인항공기는 익숙한 용어가 되고 있다. 무인항공기는 다양한 임무를 수행할 수 있지만 민군 모두에서 필요로 하는 주된 임무는 실시간으로 영상정보를 제공하는 것이다. 원거리에서 정보를 얻을 수 있는 수단은 레이더를 비롯하여 여러 가지가 있지만 아직도 영상자료는 가장 빠르고 확실하게 상황을 알 수 있게 해준다.
배터리를 동력원으로 사용하는 비행체에 항속시간 계산을 위해 Brequet 식을 사용할 수 없는 이유는 무엇인가?
연료를 사용하는 항공기의 경우는 항속거리와 항속시간을 계산할 때 잘 알려진 Brequet 식[5] 을 사용한다. 하지만 배터리를 동력원으로 사용 하는 비행체는 비행할 때 무게의 변화가 없어 Brequet 식을 사용할 수 없다. 이러한 경우에 항속거리 및 항속시간을 예측하기 위해서는 새로운 접근법이 필요하다.
참고문헌 (5)
Gur, Ohad and Rosen, Aviv, "Optimizing Electric Propulsion Systems for Unmanned Aerial Vehicles," J. of Aircraft, Vol. 46, No. 4, Jul.-Aug., 2009, pp.1340-1353
Harmon, Frederick G., Frank, Andrew A., and Chattot, Jean-Jacques, "Conceptual Design and Simulation of a Small Hybrid-Electric Unmanned Aerial Vehicle," J. of Aircraft, Vol. 43, No. 5, Sep.-Oct., 2006, pp.1490-1498
Cavcar, Mustafa and Cavcar, Aydan, "Optimum Range and Endurance of a Piston Propeller Aircraft with Cambered Wing," J. of Aircraft, Vol. 42, No. 1, Jan.-Feb., 2005, pp.212-217
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