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문제 정의
- 본 논문에서는 고고도 장기체공 전기동력무인기 주익 스파 설계 Trade-off 연구에 대해 간략히 설명하고 그 결과를 제시하였다. 고 세장비를 갖는 주익 스파에 대한 설계/해석 과정을 확립하고 이를 적용하였다.
- 본 논문에서는 세장비가 큰 고고도 장기체공 무인기의 주익 구조에서 가장 중요한 하중부재인 전방스파(Front Spar) 설계 과정에 대해 기술하고 그 결과를 제시한다. 고세장비 주익 스파를 설계하기 위한 설계 및 해석 방법을 정립한다.
제안 방법
- A 설계 형상에 대한 설계 검증을 위해 정적 구조시험을 수행하였다. 하중이 크지 않아 추와 스트랩을 이용해 하중을 부가 하였다.
- 성층권에서 14일 21분 연속비행에 성공한 Zephyr[2]는 EAV-3와 형상 및 중량이 유사하지만, 구조 설계에 대해서는 보고된 바 없다. Frulla와 Cestino는 주익 스팬 75 m인 고고도 장기체공 무인기 개발의 전 단계로 주익 스팬 24 m인 축소형 무인기에 대한 구조 설계를 수행하고, 설계 검증을 위한 구조시험을 수행하였다[3]. 상기 연구에서는 고고도 장기체공 무인기 주익 구조설계에 대해 비교적 상세히 기술하고 있다.
- Gf_pipe는 Pipe의 전단탄성계수이며, Ef Pipe와 Cap의 탄성계수이다. MSC.Nastran을 이용하여 설계된 전방스파의 선형구조해석을 수행하여 안전여유(Margin of Safety)를 확인하였다.
- Pipe에 적용한 직물 CFRP 45° 2장 대신 일방햔 CFRP ±45° 1장으로 수정하였다.
- 정립된 설계 및 해석 방법을 이용해 중량을 최소화하기 위한 다양한 형상의 스파를 설계한다. 각 스파에 대해 중량과 강도 등에 관한 Trade-off 분석을 수행하고 구조시험을 통해 검증한다. 최종적으로 최적화된 전방스파 형상을 확정하고 이를 고고도 장기체고 무인기 설계에 적용한다.
- 본 논문에서는 고고도 장기체공 전기동력무인기 주익 스파 설계 Trade-off 연구에 대해 간략히 설명하고 그 결과를 제시하였다. 고 세장비를 갖는 주익 스파에 대한 설계/해석 과정을 확립하고 이를 적용하였다. 주익의 형상 변경을 통한 굽힘 모멘트 감소, 스파 길이 축소, 스파 내부 벌크헤드 삽입, T-800급 CFRP 복합재료의 사용을 통해 중량을 최소화한 D 설계 형상을 최적화된 경량 주익 스파로 결정하였다.
- 리브는 익형을 유지하며, CFRP 또는 GFRP 복합재료와 발사(Balsa) 또는 폼(Foam)을 이용한 샌드위치로 설계하였다. 공력성능 유지를 위해 주익 전방과 후방에 GFRP 복합재료와 발사 샌드위치를 사용해 표피 가드를 설계하였다. 운송의 편의를 위해 분리 가능한 구조로 주익을 설계하였다.
- C 설계 형상은 효율적인 설계이나 여전히 목표 중량을 만족하지 못하고 있다. 구조 중량 경감을 위해 T-700급 CFRP 복합재료를 T-800급 CFRP 복합재료로 변경하였다. 또한 주익 스팬을 20 m에서 18 m로 축소하고, 세장비를 20에서 15로 수정하였다.
- 따라서, Cap의 일방향 CFRP 0° 8장을 일방향 CFRP 0° 4장과 직물 CFRP 0° 2장으로 수정하여 굽힘 강성을 감소시키고 2 방향 강도를 증가시켰다.
- 구조 중량 경감을 위해 T-700급 CFRP 복합재료를 T-800급 CFRP 복합재료로 변경하였다. 또한 주익 스팬을 20 m에서 18 m로 축소하고, 세장비를 20에서 15로 수정하였다. 주익 스팬 감소로 인해 주익 전체 전단력은 같지만 굽힘 모멘트는 9.
- 또한 직물 CFRP 0° 2장을 T-800 일방향 CFRP 0° 2장과 90° 2장으로 수정하였다.
- 스파는 CFRP(Carbon Fiber Reinforcement Plastic) 복합재료를 이용해 설계하였다. 리브는 익형을 유지하며, CFRP 또는 GFRP 복합재료와 발사(Balsa) 또는 폼(Foam)을 이용한 샌드위치로 설계하였다. 공력성능 유지를 위해 주익 전방과 후방에 GFRP 복합재료와 발사 샌드위치를 사용해 표피 가드를 설계하였다.
- 공력성능 유지를 위해 주익 전방과 후방에 GFRP 복합재료와 발사 샌드위치를 사용해 표피 가드를 설계하였다. 운송의 편의를 위해 분리 가능한 구조로 주익을 설계하였다.
- 좌굴 방지의 한 방법으로 Pipe 내부에 보강재를 삽입하여 스파 측면의 국부 좌굴을 막는 방법이 과거 인간동력항공기인 Daedalus 설계에 사용된 적이 있다[5]. 이를 적용하여 스파 내부에 로하셀 폼(Lohacell Foam)/CFRP 샌드위치 벌크헤드(Bulkhead)를 삽입하였다. Fig.
- 고세장비 주익 스파를 설계하기 위한 설계 및 해석 방법을 정립한다. 정립된 설계 및 해석 방법을 이용해 중량을 최소화하기 위한 다양한 형상의 스파를 설계한다. 각 스파에 대해 중량과 강도 등에 관한 Trade-off 분석을 수행하고 구조시험을 통해 검증한다.
- 고 세장비를 갖는 주익 스파에 대한 설계/해석 과정을 확립하고 이를 적용하였다. 주익의 형상 변경을 통한 굽힘 모멘트 감소, 스파 길이 축소, 스파 내부 벌크헤드 삽입, T-800급 CFRP 복합재료의 사용을 통해 중량을 최소화한 D 설계 형상을 최적화된 경량 주익 스파로 결정하였다. 최종적으로 시제품을 제작해 시험평가를 거쳐 이를 고고도 장기 체공 무인기 설계에 적용할 예정이다.
- 중량 감소를 위해 원형 형상이 아닌 Fig. 12와 같은 삼각형 형상의 트러스(Truss) 스파를 설계 하였다[6]. 트러스 스파는 인간동력 회전익기인 Gamera II의 블레이드 설계에 사용되었다.
- 표피는 경량화를 위해 마일러로 설계하였다. 따라서 표피는 하중을 거의 지지하지 못한다.
대상 데이터
- 이로 인해 주익에 작용하는 대부분의 하중을 스파가 지지하게 된다. 스파는 CFRP(Carbon Fiber Reinforcement Plastic) 복합재료를 이용해 설계하였다. 리브는 익형을 유지하며, CFRP 또는 GFRP 복합재료와 발사(Balsa) 또는 폼(Foam)을 이용한 샌드위치로 설계하였다.
- 12와 같은 삼각형 형상의 트러스(Truss) 스파를 설계 하였다[6]. 트러스 스파는 인간동력 회전익기인 Gamera II의 블레이드 설계에 사용되었다. 원형 형상 스파와 비교를 위해 편의상 Fig.
이론/모형
- 이러한 설계 및 해석 과정을 통해 설계 형상을 최종 확정한다. 구조해석 및 플러터 해석은 MSC.Nastran을 이용하며 특히, 비선형 구조해석은 MSC.Nastran Marc(Sol 600)을 이용하였다. 본 논문에서는 상기 ③번까지만 다루도록 한다.
- 스파 설계에 사용한 하중은 돌풍하중이며, FAR 23.341에 따라 돌풍하중배수(Gust Loads Factor)를 구하고 이를 적용하였다[4]. 설계에 적용한 최대 돌풍하중배수는 3.
성능/효과
- 주익 스팬 축소로 인한 굽힘 모멘트 감소, 스파 길이 축소, T-800 복합재료 적용을 통해 중량을 크게 감소하였다. 향후 정적 구조시험을 통해 D 설계 형상을 검증할 예정이다.
후속연구
- 주익의 형상 변경을 통한 굽힘 모멘트 감소, 스파 길이 축소, 스파 내부 벌크헤드 삽입, T-800급 CFRP 복합재료의 사용을 통해 중량을 최소화한 D 설계 형상을 최적화된 경량 주익 스파로 결정하였다. 최종적으로 시제품을 제작해 시험평가를 거쳐 이를 고고도 장기 체공 무인기 설계에 적용할 예정이다.
- 주익 스팬 축소로 인한 굽힘 모멘트 감소, 스파 길이 축소, T-800 복합재료 적용을 통해 중량을 크게 감소하였다. 향후 정적 구조시험을 통해 D 설계 형상을 검증할 예정이다.
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