오로지 인간의 동력만을 이용하여 비행하는 것을 목표로 하는 인간동력 항공기에는 다양한 역학적인 도전요소가 다분하다. 엔진과 비교하여 매우 낮은 동력을 사용하는 인간동력 항공기는 중량과 재료, 공력과 구조 분야의 분석 등이 고려되어야 한다. 또한 항공기가 매우 낮은 속도에서 비행하므로 저속비행에서의 공력 특성을 파악하여야 한다. 서울대학교 인간동력 항공기에서는 이러한 요소들을 만족시키기 위하여 기존의 인간동력 항공기의 비교와 더불어 역학적인 분석을 통하여 설계변수들을 계산하고 설계를 제안하였다. 더불어 복합재를 사용하여 실재 인간동력항공기를 제작하는데 필요한 절차에 대하여 논의하였다.
오로지 인간의 동력만을 이용하여 비행하는 것을 목표로 하는 인간동력 항공기에는 다양한 역학적인 도전요소가 다분하다. 엔진과 비교하여 매우 낮은 동력을 사용하는 인간동력 항공기는 중량과 재료, 공력과 구조 분야의 분석 등이 고려되어야 한다. 또한 항공기가 매우 낮은 속도에서 비행하므로 저속비행에서의 공력 특성을 파악하여야 한다. 서울대학교 인간동력 항공기에서는 이러한 요소들을 만족시키기 위하여 기존의 인간동력 항공기의 비교와 더불어 역학적인 분석을 통하여 설계변수들을 계산하고 설계를 제안하였다. 더불어 복합재를 사용하여 실재 인간동력항공기를 제작하는데 필요한 절차에 대하여 논의하였다.
Human powered aircraft: the aim is to fly only by human power, features many challenging issues. Contrary to the general aircraft operated by an engine, human powered aircraft, that manoeuvres by lower power, requires additional consideration about weight, material, aerodynamical and structural anal...
Human powered aircraft: the aim is to fly only by human power, features many challenging issues. Contrary to the general aircraft operated by an engine, human powered aircraft, that manoeuvres by lower power, requires additional consideration about weight, material, aerodynamical and structural analysis. Since this aircraft flies at a low speed, low Reynolds number flight will need to be taken into account. In this paper, SNU (Seoul National University) Human Powered Aircraft was designed by comparing it with the existing human power aircrafts, as well as by using theoretical analysis that obtains the design parameters. Also, this paper discuss about the manufacturing process using composite material for real human powered aircraft.
Human powered aircraft: the aim is to fly only by human power, features many challenging issues. Contrary to the general aircraft operated by an engine, human powered aircraft, that manoeuvres by lower power, requires additional consideration about weight, material, aerodynamical and structural analysis. Since this aircraft flies at a low speed, low Reynolds number flight will need to be taken into account. In this paper, SNU (Seoul National University) Human Powered Aircraft was designed by comparing it with the existing human power aircrafts, as well as by using theoretical analysis that obtains the design parameters. Also, this paper discuss about the manufacturing process using composite material for real human powered aircraft.
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문제 정의
현재까지 인간동력 항공기에서 적용되는 에어포일은 대부분은 높은 양력을 발생시키도록 되어 있다. 이번에는 에어포일 선정부터 모든 가능성을 열어놓고 다양한 에어포일을 비교해보기로 하였다. 후보군으로 6개의 에어포일을 선정하였다.
이를 촉발시키게 된 것은 영국의 Kremer 상이다. 첫 번째 Kremer 상은 인간동력으로 움직이는 비행기를 가지고 0.5마일 떨어진 두 개의 기둥 사이를 8자 비행하는 것이 목표였다. 처음 이상이 제안된 것은 1959년이지만, 실제로 성공한첫 사례는 무려 18년 후인 1977년 MacCready의 Gossmar Condor의 비행이다.
제안 방법
현재 제작하고자 하는 항공기는 항공우주연구원에서 개최하는 대회의 목적에 맞게 단거리를 빠르게 비행하는 형태로 제작하여야 한다. 따라서 Velair나 Stork를 기준으로 하여 설계를 시작하였다.
비행 중 작용하는 하중을 견디기에는 적합하나, 이동 중 갑작스런 외부 충격등에 의하여 파손의 위험이 크다. 따라서 안전하게 이동할 수 있는 지그를 따로 제작하였다. 그림 21.
이와 같은 특징을 가지는 동시에 가벼운 동체를 만들기 위하여 탄소 스파로 이루어진 동체를 제작하였다. 또한 동체를 거치하고, 각종 실험 및 제작이 용이하도록 동체 크기에 맞추어 지그를 제작하였다.
인간동력항공기에서 미익은 ±10°의 변위를 요구한다. 미익 스파에 혼을 달고, 서보 모터와 연결하여 미익을 조종할 수 있는 메커니즘을 구현하였다.
프로펠러는 두 개의 베어링에 의하여 지지하며, 각베어링은 삼발이 형태로 제작한 알루미늄 부품을 통하여 동체 붐에 고정되도록 하였다. 비틀림에 의한 변형을 최소화하기 위하여 크랭크는 두 베어링 사이에 위치하도록 설계하였다.
제작 과정에서는 무게를 최소화하기 위하여 탄소 섬유로 이루어진 부품들로 항공기를 제작하였으며, 시간과 비용을 단축하기 위하여 3d 프린터로 몰드를 만들어 각종 필요 부품을 탄소 섬유를 적층하여 제작하였다. 뿐만 아니라 무게 감량을 위하여 에폭시와 탄소 섬유를 이용하여 연결부분을 마감하였으며, 조종과 동력전달을 고려한 동체를 설계하였다. 마지막으로 지그를 제작하여, 외부 충격에 약한 항공기가 이동하는 중에 파손되지 않도록 하였다.
인간동력항공기를 제작하기 위하여, 기존의 인간동력항공기를 조사하여 설계 목표를 설정하였다. 사람이 낼 수 있는 동력을 고려하여, 공력설계를 진행하였고, 이 과정에서 3차원 공력계산을 통하여 주익의 설계와. 안정성과 조종성을 고려하여 미익 설계를 수행하였다.
항공기의 각 위치에 따라서 하중의 크기가 다르기 때문에 각 위치에 따라 탄소섬유의 적층패턴이 달라진다. 설계과정에서 구한 하중 값을 구조해석 프로그램인 MSC.NASTRAN에 적용하여 설계한 탄소섬유의 적층패턴이 하중을 견디기에 적합한지 확인하였다.
사람이 낼 수 있는 동력을 고려하여, 공력설계를 진행하였고, 이 과정에서 3차원 공력계산을 통하여 주익의 설계와. 안정성과 조종성을 고려하여 미익 설계를 수행하였다. 목표한 설계대로 제작하기 위하여, 제작을 고려한 상세설계를 진행하였고, 이 과정에서 구조해석을 수행하여 목표로 하는 설계가 구조적으로 문제가 없음을 확인하였다.
폼으로 이루어진 리브를 사용할 경우, 스파와 연결되는 부분에 발사 나무를 덧대어 보강한다. 이를 고려하여 리브와 스킨가드, 발사 보강재를 설계한다.
페달을 고정하기 위하여 자전거에서 사용하는 베어링 장비를 떼어 에폭시와 필러로 고정하였다. 이를 고정할 때에는, 레이저 수평계 등을 이용하여 페달 축이 어긋나지 않도록 하였고, 체인의 반경을 고려하여 위치를 선정하였다.
3차원 도면을 제작하기 위해서 상용프로그램인 CATIA를 활용하였다. 이를 통하여 각 부품의 연결과 필요한 수량도 파악하며, 동시에 각 부품의 밀도를 적용하여 전체 항공기의 무게중심을 파악하였다.
이를 통하여 두 종류의 인간동력항공기가 존재함을 파악하였다. 인간동력항공기는 Albatross 와 같은 장거리용 항공기와, Velair와 같은 단거리용 항공기로 나눌 수 있다.
동시에 착륙시의 충격을 최소할 할 수 있도록 하중을 분산하는 구조로 설계해야 한다. 이와 같은 특징을 가지는 동시에 가벼운 동체를 만들기 위하여 탄소 스파로 이루어진 동체를 제작하였다. 또한 동체를 거치하고, 각종 실험 및 제작이 용이하도록 동체 크기에 맞추어 지그를 제작하였다.
인간동력항공기를 제작하기 위하여, 기존의 인간동력항공기를 조사하여 설계 목표를 설정하였다. 사람이 낼 수 있는 동력을 고려하여, 공력설계를 진행하였고, 이 과정에서 3차원 공력계산을 통하여 주익의 설계와.
인간동력항공기의 설계를 위하여 우선 기존의 인간동력항공기를 조사하였다. 이를 통해서 2가지 형태의 인간동력항공기를 구분할 수 있다.
목표한 설계대로 제작하기 위하여, 제작을 고려한 상세설계를 진행하였고, 이 과정에서 구조해석을 수행하여 목표로 하는 설계가 구조적으로 문제가 없음을 확인하였다. 제작 과정에서는 무게를 최소화하기 위하여 탄소 섬유로 이루어진 부품들로 항공기를 제작하였으며, 시간과 비용을 단축하기 위하여 3d 프린터로 몰드를 만들어 각종 필요 부품을 탄소 섬유를 적층하여 제작하였다. 뿐만 아니라 무게 감량을 위하여 에폭시와 탄소 섬유를 이용하여 연결부분을 마감하였으며, 조종과 동력전달을 고려한 동체를 설계하였다.
동체를 설계하는 단계에서 부터 선발된 조종사의 신체를 고려하였다. 조종사가 앉는 부분은 리컴번트 바이크의 안장부분을 이용하였고, 이 또한 탄소섬유로 만든 것을 사용하여 무게를 감소시켰다.
필플라이로 쌓인 몰드에 에폭시가 발라진 재단한 탄소섬유를 적층하고, 시중에서 판매하는 랩을 이용하여 단단하게 고정한다. 시중에서 판매하는 일반적은 랩은 에폭시에 달라붙지 않으므로 암몰드와 수몰드 사이에 적층된 탄소섬유에 압력을 제공할 수 있다.
대상 데이터
에어포일을 선정하기 위하여 주익의 초기 변수를 설정하여 3차원 공력해석을 수행하였을 때가장 높은 성능을 보이는 에어포일을 선정하기로 하였다. 표 3.
이번에는 에어포일 선정부터 모든 가능성을 열어놓고 다양한 에어포일을 비교해보기로 하였다. 후보군으로 6개의 에어포일을 선정하였다.
이론/모형
3차원 도면을 제작하기 위해서 상용프로그램인 CATIA를 활용하였다. 이를 통하여 각 부품의 연결과 필요한 수량도 파악하며, 동시에 각 부품의 밀도를 적용하여 전체 항공기의 무게중심을 파악하였다.
성능/효과
안정성과 조종성을 고려하여 미익 설계를 수행하였다. 목표한 설계대로 제작하기 위하여, 제작을 고려한 상세설계를 진행하였고, 이 과정에서 구조해석을 수행하여 목표로 하는 설계가 구조적으로 문제가 없음을 확인하였다. 제작 과정에서는 무게를 최소화하기 위하여 탄소 섬유로 이루어진 부품들로 항공기를 제작하였으며, 시간과 비용을 단축하기 위하여 3d 프린터로 몰드를 만들어 각종 필요 부품을 탄소 섬유를 적층하여 제작하였다.
이를 통하여 주익의 스파와 동체 붐의 연결부에서 가장 큰 하중이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 집중하중이 발생하는 부분에 탄소섬유를 보강한다.
후속연구
마지막으로 지그를 제작하여, 외부 충격에 약한 항공기가 이동하는 중에 파손되지 않도록 하였다. 향후에는 각 부품들의 제작을 완료하고 조립한 뒤, 예비비행 시험을 거쳐 항공우주연구원에서 주최하는 인간동력항공기 경진대회에 참가할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
인간의 날고자 하는 꿈을 실제로 구현하고자 공학적으로 시도한 사람은 누구인가?
인간의 날고자 하는 꿈은 이전부터 수많은 신화와 전설에서 잘 나타나 있다. 그러나 이를 실제로 구현하고자 시도한 최초의 공학적인 시도는 Leonardo da Vinci의 설계일 것이다. 그러나 당시에는 새를 참고하여 설계하였기 때문에 당연히 새의 날개짓과 유사한 형태로 양력을 얻으려고 하였다.
새의 날개짓과 유사한 형태로 양력을 얻으려고한 시도가 모두 실패한 이유는 무엇인가?
하지만 이런 형태는 모두 실패하였다. 인간의 팔의 움직임만으로는 충분한 힘을 얻을 수없었기 때문이었다. 1869년에 Spener는 날개가 움직이지 않는 고정익의 형태로 비행기를 만들기 시작하였다.
인간동력항공기의 종류는 무엇이 있는가?
이를 통하여 두 종류의 인간동력항공기가 존재함을 파악하였다. 인간동력항공기는 Albatross 와 같은 장거리용 항공기와, Velair와 같은 단거리용 항공기로 나눌 수 있다. 현재 제작하고자 하는 항공기는 항공우주연구원에서 개최하는 대회의 목적에 맞게 단거리를 빠르게 비행하는 형태로 제작하여야 한다.
참고문헌 (10)
Niccoli, R., "History of Flight, White Star S.p.A.," Via Candido Sassone, Vercelli, Italy, 2002
The Royal Aeronautical Society, "Human Powered Flight Regulations and Conditions for the Kremer International Marathon Competition," 1988
Drela, M., "Aerodynamics of Human-Powered Flight," Annu. Rev., Fluid Mech., Vol. 22, 1900, pp. 93-110
Langford, J. S., "The Daedalus Project: A Summary of Lessons Learned," AIAA-89-2048, 1989
항공기설계교육연구회, "Aircraft Conceptual Design," 경문사, 2010, pp. 38-40
Drela, M., "Low Reynolds-Number Airfoil Design for the M. I. T. Daedalus Prototype: Case Study," J. Aircraft, Vol. 25, No. 8, 1988, pp. 724-732
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