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저속 비행 3차원 유연날개 정적 공력-구조 연계해석
Static Aerodynamics-Structure Coupling Analysis of a 3D Flexible Wing Flying at Low Speed 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.9 no.2, 2015년, pp.1 - 6  

한형석 (한국교통대학교 항공기계설계학과) ,  박주희 (한국교통대학교 항공기계설계학과) ,  이나원 (한국교통대학교 항공기계설계학과) ,  한철희 (한국교통대학교 항공기계설계학과)

초록
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태양광 고고도 장기체공형 무인기나 인간동력 항공기 등에 사용되는 높은 종횡비를 가진 유연날개는 공력 및 구조 상호작용으로 인하여, 구조적 비선형 처짐 및 양력감소 등의 문제가 발생한다. 본 연구에서는 저속 비행하는 높은 종횡비를 가진 날개의 단방향 공력-구조 연계해석을 수행하였다. XFOIL을 사용하여 공력천이현상을 포함한 저 레이놀즈수 익형 공력특성 자료 확보를 기반으로 3차원 양력선 이론을 사용하여 공력해석 연구를 수행했다. 구조해석은 상용소프트웨어 ANSYS를 사용하여 구조변형이나 응력해석 연구를 수행했다. 단방향 공력-구조 연계해석 결과를 바탕으로 인간동력 항공기 주 날개의 형상설계 연구를 수행했다.

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  • 날개의 구조변형으로 인한 양항비 감소, 구조물 파손 등의 문제를 해결하기 위해서는 와이어를 장착하여 날개의 변형을 최소화시켜야 한다. 본 연구에서는 2개의 와이어를 날개에 장착한다고 가정하고 Fig. 3과 같이 와이어 부착위치에 따른 장력을 계산[19]한 후 구조해석 연구를 수행했다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
저 레이놀즈수에서 비행하는 항공기의 날개 특성은? 태양광 고고도 장기체공형 무인기나 인간동력 항공기와 같이 저 레이놀즈수에서 비행하는 항공기의 날개는 항공기 비행에 필요한 충분한 양력 확보를 위해 높은 종횡비(Aspect Ratio, AR)를 가진다[1]. 저 레이놀즈수에서 비행하는 항공기 날개의 공력 해석 및 설계는 천이나 층류박리 등의 발생으로 인한 양항비 감소, 피칭모멘트 특성 변화[2] 등을 고려할 수 있는 해석 기법이 필요하다.
저 레이놀즈수에서 비행하는 항공기 날개의 공력 해석 및 설계에 필요한 기법은? 태양광 고고도 장기체공형 무인기나 인간동력 항공기와 같이 저 레이놀즈수에서 비행하는 항공기의 날개는 항공기 비행에 필요한 충분한 양력 확보를 위해 높은 종횡비(Aspect Ratio, AR)를 가진다[1]. 저 레이놀즈수에서 비행하는 항공기 날개의 공력 해석 및 설계는 천이나 층류박리 등의 발생으로 인한 양항비 감소, 피칭모멘트 특성 변화[2] 등을 고려할 수 있는 해석 기법이 필요하다. 동시에 높은 종횡비를 가진 날개들은 대부분 날개 구조물의 유연성으로 인하여 날개에 비선형적으로 큰 처짐(대변형)이 발생한다.
와이어 유무에 따라 선형 및 비선형의 구조 변형이 발생했을 때 날개의 양항비 변화를 살펴 본 결론은 무엇인가? 그림을 보면 날개의 상반각이 증가함에 따라 피칭 모멘트의 기울기가 음의 기울기를 갖게 되며 크기 또한 증가함을 볼 수 있다. 따라서 높은 종횡비를 가진 날개는 와이어를 장착하지 않았을 경우 굽힘에 관한 높은 구조적 강도를 확보해야 하며, 높은 양력 감소와 피칭 모멘트 변화로 인한 비행 안정성에 큰 영향을 끼치게 된다.
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참고문헌 (19)

  1. 강형민, 김철완, "공기역학적 성능을 고려한 인간동력항공기 개념 설계", 항공우주기술, 제12권 제2호, pp.180-185, 2013. 

  2. 김정현, 안존, "고정익 초소형 비행체를 위한 익형설계 및 비행체 공력 특성 전산해석 연구", 한국항공우주학회 2011년도 춘계학술대회, pp.107-112, 2011. 

  3. 이창호, "유연한 날개를 갖는 비행체 설계 방법", 항공우주산업기술동향, 제11권 2호, 2013, pp.33-38. 

  4. M. Drela, "Method for Simultaneous Wing Aerodynamic and Structural Load Prediction", Journal of Aircraft, Vol.27, No.8, pp.692-699, 1990. 

  5. M. Drela, "Integrated Simulation Model for Reliminary Aerodynamic, Structural, and Control-Law Design of Aircraft", AIAA 99-1394, pp.1-13, 1993. 

  6. M. Patil, D. Hodges, and C. Cesnik, "Nonlinear Aeroelasticity and Flight Dynamics of High Altitude long Endurance Aircraft", Journal of Aircraft, Vol.38, No.1, pp.88-94, 2001. 

  7. R. Palacios, J. Murua, and R. Cook, "Structural and Aerodynamic Models in Nonlinear Flight Dynamics of Very Flexible Aircraft", AIAA Journal, Vol.48, No.11, pp.2648-2659, 2010. 

  8. J. Murua, R. Palacios, J. Michael, and R. Graham, "Applications of the Unsteady Vortex Lattice Method in Aircraft Aeroelasticity and Flight Dynamics", Progress in Aerospace Sciences, Vol.55, pp.46-72, 2012. 

  9. 김정화, 전상욱, 허도영, 이동호, "고고도 장기체공 항공기 날개의 다목적 최적화를 이용한 공력-구조 동시 설계", 한국항공우주학회지, 제 39권 1호, pp.50-55, 2011. 

  10. http://hpa.kari.re.kr/ 

  11. 박진호, "KAU 인간동력 항공기 Main Spar 설계 및 구조 시험", 한국항공우주학회 2013년도 추계학술대회, pp.218-222, 2013. 

  12. 우대현 외 7인, "인간동력항공기 구조 설계", 한국항공우주학회 2013년도 춘계학술대회, pp.122-125, 2013. 

  13. 이충렬 외 5인, "인간동력항공기 구조설계와 동력 측정", 항공우주기술, 제12권 2호, pp.209-220, 2013. 

  14. 이창호, 강형민, 김철완, "양력선 방법을 이용한 지면효과가 날개의 공력성능에 미치는 영향 분석", 한국항공우주학회지, 제 42권 제4호, pp.298-304, 2014. 

  15. http://web.mit.edu/drela/Public/web/xfoil/ 

  16. http://www.xflr5.com 

  17. 한국교통대학교 AEOLUS팀, "인간동력 항공기 기체 제작 최종 보고서" 

  18. http://www.ansys.kr/ 

  19. http://www.propdesigner.co.uk/, "Malcolm's Human Powered Aircraft Site" 

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