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문제 정의
- 본 연구의 목적은 한국 항공우주연구원에서 주최하는 2012년 인간 동력 항공기 시범 경진대회에 참가하는 HPA ‘VOLANTE' 주익구조 설계 및 해석과 프로펠러의 설계이다.
가설 설정
- 대표적인 propeller인 Daedalus를 기준으로 하여 data를 얻었다. 항우연에서 측정한 시간에 따른 동력data를 이용해 예상동력을 500W로 정하였다. 프로펠러의 정확한 성능 계산 및 설계를 위하여 r/R에 따른 프로펠러의 Chord distribution 과 Twist distribution에 대한 내용을 검토하였다.
제안 방법
- 4개의 에어포일 후보군을 낮은 레이놀즈 영역에서 XFLR을 이용하여 확인해 보았다. 파란색(실선)은 Dae51, 초록색(점선)은 E193, 붉은 색(1점쇄선)은 Fx60-100을 나타내고 있다.
- 각각의 파이프를 결합하기 위해 Middle Joint, Side Joint를 각각 설계하였다. Middle Joint는 무게를 최소화하며 Bending Moment를 견딜 수 있는 탄소 섬유 복합재 파이프를 사용하였고, 적층 패턴은 Figure 20과 같다.
- 공력 : 2012년 인간동력항공기대회에 참가할수 있게 프로펠러설계와 제작을 하였고 프로펠러가 최대의 효율을 낼 수 있게끔 피치변화실험을 통하여 확인하였다. 파일럿의 변화를 주면서 실험을 하여 파일럿을 선정하고 남녀의 동력의 차이를 확인하였다.
- 구조 : 대회설계조건에 부합하는 Spar를 설계한 후 1.5G 조건에서의 변위와 Strain값을 해석 값과 실제 구조시험을 통해 얻은 값을 비교해 보았다. 해석으로 얻은 예상값과 시험값이 대체로 일치하는 것을 확인하였고 해석의 신뢰성을 확보 하였다.
- 날개의 구조시험은 항공기를 뒤집어놓은 형상 으로 양력 방향과 중력 방향이 일치하게 수행하 였다. 구조시험은 집중하중 조건으로, 앞선 계산을 이용하여 얻은 비행 시 분포하중과 Spar의 자중을 고려하여 Spar의 중심부로부터 0.5m 씩 떨어진 위치에 각각의 양력을 계산하여 Table 11과같이 0.5G, 1G, 1.5G의 하중을 구하였다. 또한 변위를 측정하기 위하여 Figure 23과 같이 2m 간격으로 변위측정용 줄을 설치하였다.
- 구조해석과 구조시험의 오차를 줄이기 위하여 실제 제작된 Spar의 제원을 이용하여 모델링을 수정하였다.
- 구조해석을 통해 얻은 데이터를 이용하여 복합재 원형 Spar를 제작하였다. 하지만, 제작상의 결함으로 설계 시의 제원과 제작 후의 제원이 Table 10와 같이 다른 것을 확인할 수 있다.
- 향후 유속이 있는 조건에서 프로펠러 실험을 하여 프로펠러의 성능 확인 할 것이다. 기어 비 변화 및 pully system으로 변화시켜 칠성기어와의 차이를 확인할 것이다.
- 날개의 구조시험은 대칭하중조건이기 때문에한 쪽 날개에만 Strain gage를 부착하였으며, 총 3개의 Strain Gage를 Spar에 부착하여 Strain 값을 측정하였다. Strain gage의 부착 위치는 Figure 24과 날개의 중심부(SG-1)와 Spar와 Wire가 만나는 지점을 전, 후로 하여 SG-2, SG-3로 선정하였다.
- 대회설계조건을 만족하는지 확인하기 위해 위와 같이 설계한 Spar와 Joint를 1.5G 분포하중 조건으로 FE 모델링을 이용하여 좌굴 해석 및파손 지수 해석을 수행하였다.
- 비강도, 비강성이 우수한 복합재료를 적용하여 주익 Spar를 설계하여 FE 모델링 해석을 통해 변위 및 Strain 값을 예측하였다. 또한 해석값과 Spar 구조 시험을 통해 취득한 변위 및 Strain값을 비교하였다.
- 본 연구의 목적은 한국 항공우주연구원에서 주최하는 2012년 인간 동력 항공기 시범 경진대회에 참가하는 HPA ‘VOLANTE' 주익구조 설계 및 해석과 프로펠러의 설계이다. 비강도, 비강성이 우수한 복합재료를 적용하여 주익 Spar를 설계하여 FE 모델링 해석을 통해 변위 및 Strain 값을 예측하였다. 또한 해석값과 Spar 구조 시험을 통해 취득한 변위 및 Strain값을 비교하였다.
- 사용되는 센서는 프로펠러의 공력특성을 측정 할 수 있도록 2축 밸런스의 보정실험을 수행 하였다. 실험에 사용되는 2축 밸런스는 Thrust, Torque에 대한 공력데이터를 측정하는데 사용되 어지며 선형성을 가지는 것을 확인 하였다.
- 조종사가 발을 구르는 부분으로 강하게 측정 장치 축에 고정할 필요가 있었다. 알루미늄블록을 가장 크게 가공하여 고정 시켰으며, 고정부에 유격을 두어 조종사의 자세에 따라 조종이 가능 하도록 하였다. 기어시스템이기 때문에 shaft array 문제를 고려한 설계라고 할 수 있다.
- 리브와 리브사이의 앞전과 뒷전을 우드락으로 끼운 다음 열선을 이용하여 리브모양을 따라 커팅하였다. 앞전과 뒷전사이의 공간을 발사를 얹어서 구조적인 보강 및 형상유지에 힘썼다. 기본 형상이 만들어진 다음에 유리섬유를 이용하여 표면을 덮은 다음 레진과 알코올을 섞어서 발라 주어 스킨을 만들었다.
- 5, 16mm 카본파이프 3개를 이용하여 연결하여 프로펠러의 스파를 이루어서 테이퍼진 형태를 만들 었고 프로펠러 리브는 발사를 레이저커팅하여 만들었다. 얻어진 형상정보대로 카본파이프 3개를 연결한 스파에 위치를 표시하고 발사를 끼운 다음 각도기를 이용하여 발사의 비틀림각을 주었다. 리브와 리브사이의 앞전과 뒷전을 우드락으로 끼운 다음 열선을 이용하여 리브모양을 따라 커팅하였다.
- 8m여서 프로펠러지름 3m인관계로 실험을 못한 이유와 사람이 직접 구동을 하기 때문에 여러 가지 실험구현의 힘든 점 때문이다. 전진비가 1보다 작은 프로펠러라 Hover상태의 실험을 통하여 설계오차나 제작 과정에서 발생할 수 있는 문제를 성능 검증을 통하여 최대 추력조 건을 확인하였다. 프로펠러의 pitch를 변화 시키며 실험을 수행하였으며 75%R에서 pitch가 20° 인 설계목표로 잡은 프로펠러이다.
- Dae51에어포일을 이용하여 길이 3m, 무게 약 750g의 에어포일을 제작하였다. 직경 6.5, 9.5, 16mm 카본파이프 3개를 이용하여 연결하여 프로펠러의 스파를 이루어서 테이퍼진 형태를 만들 었고 프로펠러 리브는 발사를 레이저커팅하여 만들었다. 얻어진 형상정보대로 카본파이프 3개를 연결한 스파에 위치를 표시하고 발사를 끼운 다음 각도기를 이용하여 발사의 비틀림각을 주었다.
- 공력 : 2012년 인간동력항공기대회에 참가할수 있게 프로펠러설계와 제작을 하였고 프로펠러가 최대의 효율을 낼 수 있게끔 피치변화실험을 통하여 확인하였다. 파일럿의 변화를 주면서 실험을 하여 파일럿을 선정하고 남녀의 동력의 차이를 확인하였다. 향후 유속이 있는 조건에서 프로펠러 실험을 하여 프로펠러의 성능 확인 할 것이다.
- 프로펠러 연결부로 2-component Load cell(torque, thrust)이 탑재되어 있는 부분으로 프로펠러를 연결하여 각각의 Load cell로 토크와 추력을 측정하며 앞부분에 빨간색 원형부분에서 프로펠러가 헛도는 현상이 발생하는 것을 방지하기 프로펠러 허브를 알루미늄 블록에 고정시키는 방법을 이용하였다.
- 항우연에서 측정한 시간에 따른 동력data를 이용해 예상동력을 500W로 정하였다. 프로펠러의 정확한 성능 계산 및 설계를 위하여 r/R에 따른 프로펠러의 Chord distribution 과 Twist distribution에 대한 내용을 검토하였다. Prop designer를 통해 가상 설계를 해보았고 그결과 중에 신뢰할 수 있는 값 20개를 추출하여 Table5,6으로 작성해 보았다.
대상 데이터
- Dae51에어포일을 이용하여 길이 3m, 무게 약 750g의 에어포일을 제작하였다. 직경 6.
- 날개의 구조시험은 대칭하중조건이기 때문에한 쪽 날개에만 Strain gage를 부착하였으며, 총 3개의 Strain Gage를 Spar에 부착하여 Strain 값을 측정하였다. Strain gage의 부착 위치는 Figure 24과 날개의 중심부(SG-1)와 Spar와 Wire가 만나는 지점을 전, 후로 하여 SG-2, SG-3로 선정하였다.
- 파란색(실선)은 Dae51, 초록색(점선)은 E193, 붉은 색(1점쇄선)은 Fx60-100을 나타내고 있다. 결과를 보시면 레이놀즈 수 20,000 영역에서는 Fx60-100, Dae51, E193, 순으로 좋은 양항비를 보이고 있지만 제작성을 고려하여 Dae51 에어포일을 프로펠러의 에어포일로 선정했다.
- 날개는 총 4개의 원형 Carbon 파이프로 구성 되어있다. 날개 중심부를 기준으로 대칭이며 날개 중심부의 파이프의 길이는 5.75m, 날개 끝부 분의 파이프는 6m로 날개길이는 총 23.5m로 설계하였다. 1.
- 남자 키 167~177cm 사이, 몸무게 63~70kg 사이의 예비 파일럿들의 사람들을 똑같은 조건에서 실험을 해보았다. 5명의 피실험자가 비슷한 결과 값이 나왔으나 파일럿이었던 K가 높은 rpm과추력이 나오고 비슷한 추력을 내는 사람에 비해 높은 동력이 나오는 것을 확인 할 수 있다.
- Prop designer는 역대 HPA propeller data가내장되어 있는데 지름, 순항속도 RPM을 조정해서 요구동력과 추력 정보 등을 얻을 수 있다. 대표적인 propeller인 Daedalus를 기준으로 하여 data를 얻었다. 항우연에서 측정한 시간에 따른 동력data를 이용해 예상동력을 500W로 정하였다.
- 본 연구에서 사용하는 기어시스템의 단점은 구동부의 축이 무게가 무겁다는 점이다. 이러한 단점을 보완하기 위해서 외부 3k Twill Carbon Cloth 마감된 100g 카본 파이프(T :12mm)로를 축으로 사용하였다.
- 기어시스템이기 때문에 shaft array 문제를 고려한 설계라고 할 수 있다. 페달은 시중에 파는 저렴한 것을 사용하였으나 실제 대회 시에는 클릿페달을 사용하였다.
- 프로펠러의 pitch를 변화 시키며 실험을 수행하였으며 75%R에서 pitch가 20° 인 설계목표로 잡은 프로펠러이다.
성능/효과
- 남자 키 167~177cm 사이, 몸무게 63~70kg 사이의 예비 파일럿들의 사람들을 똑같은 조건에서 실험을 해보았다. 5명의 피실험자가 비슷한 결과 값이 나왔으나 파일럿이었던 K가 높은 rpm과추력이 나오고 비슷한 추력을 내는 사람에 비해 높은 동력이 나오는 것을 확인 할 수 있다.
- 5G까지의 하중을 견디는 것을 확인하였다. Spar의 구조해석과 구조시험을 통하여 HPA의 날개 Spar로 사용하여도 안전하다는 것을 확인하였다. 또한 실제 순항비행 시의 변위가 1G 하중 상태의 변위인 1.
- 구조해석을 통한 Spar 설계에서 Table 9의 설계조건을 만족하는 것을 예측하고 구조시험을 통하여 Spar가 1.5G까지의 하중을 견디는 것을 확인하였다. Spar의 구조해석과 구조시험을 통하여 HPA의 날개 Spar로 사용하여도 안전하다는 것을 확인하였다.
- 하지만, 제작상의 결함으로 설계 시의 제원과 제작 후의 제원이 Table 10와 같이 다른 것을 확인할 수 있다. 또한, Spar의 무게가 12.01kg에서 15.65kg으로 증가한 것을 확인하였다.
- 그래프이다. 실험 시 측정된 데이터의 결과가 같은 회전수 근처에서 Ct와 Cp값이 모두 일정한 값에 모이는 것을 확인 할 수 있다. 본 실험은 모터를 이용한 일정한 동력과 회전수 조건에서 실험을 수행한 것이 아니라 일정한 힘을 유지하는데 한계가 있는 사람을 동력으로 실험을 수행함을 고려할 때 신뢰할만한 수준의 실험결과라고 판단된다.
- 사용되는 센서는 프로펠러의 공력특성을 측정 할 수 있도록 2축 밸런스의 보정실험을 수행 하였다. 실험에 사용되는 2축 밸런스는 Thrust, Torque에 대한 공력데이터를 측정하는데 사용되 어지며 선형성을 가지는 것을 확인 하였다.
- 여자 키 160~165cm의 피실험자 5명을 실험해 본 결과 남자에 비해 낮은 rpm, 추력, 동력 값이 나왔다. 피실험자 5명중 K가 다른 피실험자 들에 비해 약간 나은 모습을 보이고 있으나 비슷한 값을 보이고 있다.
- 이로 인하여 금속재질을 이용한 경우보다 4300g의 무게를 줄일 수 있었다.
- Pitch10 @75%R 값들이 원래 설계한 것 보다 75%지점에서 10°가량 낮게 Pitch를 조절하였을 때 가장 좋은 추력을 내고 Pitch20 @75%R보다는 큰 동력이 드는 것을 Figure 27을 통하여알 수 있다. 이론상 이륙하기 위해서 정지 추력 상태에서 내어야하는 추력은 56.4N으로 Pitch10 @75%R에서는 충분히 추력을 낼 수 있음을 확인할 수 있다. Pitch0 @75%R의 값을 보면 rpm이큰 영역이 운용 되고 추력은 Pitch10 @75R과 비슷하게 내고 있지만 값이 일정하지 못하고 동력 또한 값이 일정하지 못한 불안정한 상태임을 알 수 있다.
- 5G 조건에서의 변위와 Strain값을 해석 값과 실제 구조시험을 통해 얻은 값을 비교해 보았다. 해석으로 얻은 예상값과 시험값이 대체로 일치하는 것을 확인하였고 해석의 신뢰성을 확보 하였다.
후속연구
- 파일럿의 변화를 주면서 실험을 하여 파일럿을 선정하고 남녀의 동력의 차이를 확인하였다. 향후 유속이 있는 조건에서 프로펠러 실험을 하여 프로펠러의 성능 확인 할 것이다. 기어 비 변화 및 pully system으로 변화시켜 칠성기어와의 차이를 확인할 것이다.
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