[논문]인간동력 항공기 개발 고찰

한철희

doi:10.22710/jict.2014.4.2.035

인간동력 항공기 개발 고찰
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Human powered aircraft (HPA) is an airplane that uses only human power for its propulsion. It's development is completely different from conventional aircraft that use fuels as a power source. In the present study, special features for the development of HPA are discussed by studying the design requirements, weight estimation, aerodynamics and propulsion studies, power analysis, and mossion profile design. It is found that the development of the HPA is completely different from conventional aircraft. Mission profile is crucial to the successful flight of the sport HPA when the pilots are changed.

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문제 정의

그러나 인간동력 항공기 개발은 여전히 순수한 인간동력만을 사용한 이착륙 및 순항비행, 저속 비행으로 인한 기체 이륙총중량 제한, 100% 수제 제작 등의 많은 어려움을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 2014년도 인간동력 항공기 경진대회에 참가한 한국 교통대학교 AEOLUS팀의 TORUK MAKTO I 개발 경험을 바탕으로, 인간동력 항공기 개발을 위한 항공기 설계방법에 대하여 논의하고자 한다.
본 연구에서는 인간동력 항공기 개발과 관련하여 기체 중량추정, 공력 및 구조 연계해석, 프로펠러 공력 설계 및 성능해석, 조종성 및 비행제어, 조종사 훈련 및 비행성능 기반 임무형상 등의 분야에 대한 설계 방법을 제시하였으며, 아울러 최근 진행되고 있는 연구 동향 또한 언급하였다.

제안 방법

최근에 천제현 등³⁹⁾은 지속적이고 체계적인 조종사 훈련을 통해 임계동력 값과 AEC값이 모두 증가할 수 있음을 보여 주었다. 또한, 이륙단계에서 이륙보조요원의 도움으로 인한 조종사 동력 절약, 상승단계에서 상승각 증가에 따른 요구동력 증가를 분석하였다. 이를 바탕으로 기체 총 중량, 상승각, 순항속도, 시간의 변화에 따른 조종사 동력변화에 적합한 임무현상을 개발 하였다.
또한, 이륙단계에서 이륙보조요원의 도움으로 인한 조종사 동력 절약, 상승단계에서 상승각 증가에 따른 요구동력 증가를 분석하였다. 이를 바탕으로 기체 총 중량, 상승각, 순항속도, 시간의 변화에 따른 조종사 동력변화에 적합한 임무현상을 개발 하였다.

이론/모형

최근 박부민²⁸⁾은 Prop. Designer²⁹⁾를 사용하여 지름, 피치각, 축동력 등의 변화에 따른 인간 동력 항공기용 프로펠러의 추력 및 추진효율을 계산했다.

성능/효과

11km의 장거리 비행에 성공하였다.¹⁾ 최근에 영국의 Royal Aeronautical Society는 Kremer로부터 추가의 기금을 조성받아 4가지 항목에 대한 상을 제정했으며 이중 26마일의 마라톤 거리 코스를 1시간 이내 비행하는 Kremer International Marathon Competition (상금 5만파운드)과 영국에서 일상적으로 만날 수 있는 기후에서 비행이 가능한 스포츠 항공기 개발 Kremer International Sporting Aircraft Competition(상금 10만파운드) 두 개 부분의 상은 인간 동력 항공기를 사용한 장거리 왕복 비행 및 스포츠 비행 분야로의 새로운 영역 확장을 꽤하고 있다.¹⁾
다만 항공우주(연) 시범기가 1차 시도에서 120m(조종사: 이정원), 4차 시도에서 240m 비행(조종사: 장상현)에 성공하였다.²⁾ 2013년도 개최된 인간동력 항공기 대회(11개팀 참가)에서 기록이 다소 향상되어 항우연 시범기가 291m 비행에 성공하였으며, 울산대개 130m, 항공대가 5m 비행에 성공 했다.³⁾ 올해 열린 2014년도 인간동력 항공기 대회에는 14개팀이 참가하여 울산대학교가 400m를 55초에 완주하 였다.
²⁾ 2013년도 개최된 인간동력 항공기 대회(11개팀 참가)에서 기록이 다소 향상되어 항우연 시범기가 291m 비행에 성공하였으며, 울산대개 130m, 항공대가 5m 비행에 성공 했다.³⁾ 올해 열린 2014년도 인간동력 항공기 대회에는 14개팀이 참가하여 울산대학교가 400m를 55초에 완주하 였다.
34) 조종사 무게가 공허 중량의 약 150% 이상을 차지하며 주날개 무게 또한 공허중량의 대부분을 차지하는 인간동력 항공기는 조종사의 위치 선정 및 조종자세, 주날개의 장착 위치, 상승각 확보에 필요한 엘리베이터 제어특성에 크게 의존한다.³⁵⁾
무게중심으로부터 날개들의 수직거리가 피칭모멘트 미계수 값에 미치는 영향은 매우 컸으며, 지면효과가 항공기의 정적 여유에 미치는 영향은 매우 미미하였음을 보였다. 또한, 승강타 작동에 의한 항공기동안정성 해석 결과 장주기 진동특성을 보였다.
최근 박주희 등³⁵⁾은 인간동력 항공기에 대한 운동 방정식을 유도했으며, TORUK MAKTO I의 종방향 정안정성과 승강타 제어에 따른 동안정성을 해석했다. 무게중심으로부터 날개들의 수직거리가 피칭모멘트 미계수 값에 미치는 영향은 매우 컸으며, 지면효과가 항공기의 정적 여유에 미치는 영향은 매우 미미하였음을 보였다. 또한, 승강타 작동에 의한 항공기동안정성 해석 결과 장주기 진동특성을 보였다.
0²⁶⁾을 사용하여 S 5010 기본익형에 R-series 익형을 조합한 익형의 공력특성 비교 연구를 수행했다. 이를 통하여 난류모델 및 인공 점성항에 의한 와류 감쇠 효과로 Fluent 12.0의 해석결과가 항력 값을 과다 예측함을 보였다. ²⁴⁾일반적으로 층류에서 난류로 천이하는 천이유동에 대한 전산유체역학 해석기법은 불안정성 해석결과에 기반하지 않고, 난류모델의 계수 값을 조정하는 기법들을 사용한다.
자중에 의한 날개 정적 구조안정성에 큰 문제가 없다고 해도 착륙과 같은 동하중이 발생할 경우 날개 변형으로 인한 지면과의 충돌문제가 발생할 수 있으며. 이를 해결하기 위하여 와이어를 장착시켜 구조적 안정성 확보가 가능함을 보였다.

후속연구

일반적으로 기체 제작 재료비만 5천만원 정도의 비용이 드는 고비용 항공기임은 틀림었다. 따라서, 인간동력 항공기의 성공적 개발을 위해서는 설계 각 분야에서의 정확한 예측 및 설계 기법 개발과 각 분야에 대한 체계 종합적 최적 설계 연구가 필요하다. 마지막으로 최근 추진되고 있는 스포츠형 인간동력 항공기 개발을 위해서는 조종사에 따른 임무형상 개발 및 조종사 훈련 기법 개발이 매우 중요하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

일반적인 항공기 설계과정인 개념설계-예비설계-상세 설계 3가지 과정 중 개념설계는 어떠한 단계입니까?

일반적인 항공기 설계는 개념설계-예비설계-상세 설계 3가지 과정을 거치게 된다. 개념설계단계에서는 항공사의 니즈나 향후 개발이 되어야할 항공기의 설계요구조건을 충족시킬 수 있는 항공기의 크기 및 무게 추정, 임무형상설계, 주날개 및 꼬리날개 형상 설계 및 배치, 비행 정안정성 해석 등의 개략적인 항공기 형상 및 배치 등을 결정하는 단계이다. 초기 항공기 개념 설계 단계에서 항공기의 초기 공허중량에 관한 정확한 예측은 추력대 중량비, 익면 하중, 항공기의 정안정 성등과 관련한 중요 설계 변수이다.

인간동력 항공기란 무엇입니까?

인간동력 항공기(Human Powered Aircraft, HPA)는순수 인간의 동력만을 사용하여 프로펠러를 구동시켜 비행하는 항공기를 말한다.

인간동력 항공기 개발이 어려운 이유는 무엇입니까?

그러나 인간동력 항공기 개발은 여전히 순수한 인간동력만을 사용한 이착륙 및 순항비행, 저속 비행으로 인한 기체 이륙총중량 제한, 100% 수제 제작 등의 많은 어려움을 가지고 있다. 따라서, 본 연구에서는 2014년도 인간동력 항공기 경진대회에 참가한 한국 교통대학교 AEOLUS팀의 TORUK MAKTO I 개발 경험을 바탕으로, 인간동력 항공기 개발을 위한 항공기 설계방법에 대하여 논의하고자 한다.

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