[논문]고고도 장기체공 무인기 동체 및 미익부 구조해석

김현기; 김성준; 김성찬; 신정우; 이승규; 박상욱; 김태욱

doi:10.12985/ksaa.2016.24.4.035

고고도 장기체공 무인기 동체 및 미익부 구조해석
Structural Analysis of Fuselage and Empennage of High Altitude Long Endurance UAV 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.24 no.4, 2016년, pp.35 - 43

김현기 (한국항공우주연구원 항공구조연구팀) , 김성준 (한국항공우주연구원 항공구조연구팀) , 김성찬 (한국항공우주연구원 항공구조연구팀) , 신정우 (한국항공우주연구원 항공구조연구팀) , 이승규 (한국항공우주연구원 항공구조연구팀) , 박상욱 (한국항공우주연구원 항공구조연구팀) , 김태욱 (한국항공우주연구원 항공구조연구팀)

Abstract ▼ AI-Helper

UAV has been promoted for practical use in the field of civilian and military. Recently, UAV is required high-specification performance such as long-term flight and precision observation. Among these UAVs, High Altitude Long Endurance UAV(HALE UAV) has been developed for the purpose to replace some of the functions of the satellite such as meteorological observation, communications and internet relay while flying a long period in the stratosphere. In order to fly a long period in harsh environment of the stratosphere, aircraft needs high Lift-Drag-Ratio and weight reduction of the structure. This paper performed the structural analysis for fuselage and empennage of HALE UAV. Critical loading conditions for structural analysis are acquired from flight load analysis and finally the results of structural sizing for weight reduction is presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기체구조 제작에는 국내개발 T-800급 복합재가 사용되었고, 구조해석은 고전복합재이론(Classical Laminate Theory, CLT), 파손기준은 최대변형율 이론을 적용하였다. 본 논문에서는 전기체 모델에서 동체와 미익부에 대한 강도 및 좌굴해석 결과를 통해 구조경량화를 수행하였다.
본 연구에서는 성층권 환경에서 장시간 운용을 목표로 하는 고고도 장기체공 무인기용 기체구조의 경량화를 위해 하중해석을 통해 선정된 임계하중을 적용하여 구조해석을 수행하고, 동체와 미익부의 취약부위를 파악하였다. 또한, 최소 안전여유를 확보하고 경량화를 위해 수행된 설계안 및 그에 따른 중량감소 결과를 제시하였다.

가설 설정

또한, 동체와 미익부에 작용하는 착륙하중을 구조해석 조건으로 선정하였다. 구체적으로, 동체 착륙하중은 기체중량(150kg)이 스키드(skid, 착륙장치) 장착부(프레임 #50 과 프레임 #100)에 작용하는 조건인데, 최악의 착륙상황을 고려하여 프레임 #50과 프레임 #100에 집중하중으로 작용하는 것으로 가정하였다. 또한, 수직미익 하단부에 장착되는 스키드 설계하중은 5.

제안 방법

비행 하중해석 결과로 부터, 동체부 임계하중은 2cases (L07M45/ L48M45)로 확인되었고, 수평미익 임계하중은 2cases(L20M45/L56M45), 수직미익 임계하중은 2cases(L47M45/L48M45)로 선정되었다. 또한, 동체와 미익부에 작용하는 착륙하중을 구조해석 조건으로 선정하였다. 구체적으로, 동체 착륙하중은 기체중량(150kg)이 스키드(skid, 착륙장치) 장착부(프레임 #50 과 프레임 #100)에 작용하는 조건인데, 최악의 착륙상황을 고려하여 프레임 #50과 프레임 #100에 집중하중으로 작용하는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 성층권 환경에서 장시간 운용을 목표로 하는 고고도 장기체공 무인기용 기체구조의 경량화를 위해 하중해석을 통해 선정된 임계하중을 적용하여 구조해석을 수행하고, 동체와 미익부의 취약부위를 파악하였다. 또한, 최소 안전여유를 확보하고 경량화를 위해 수행된 설계안 및 그에 따른 중량감소 결과를 제시하였다. 본 연구를 통해 고고도 장기체공 무인기에 적용 가능한 경량화 기술을 확보함으로써 성층권과 같은 극한 환경에서 효율적인 무인기 운용에 기여할수 있을 것으로 사료된다.
본 연구에서는 성층권 장기체공 무인기용 기체 구조의 동체 및 미익부에 대한 강도 및 좌굴해석을 통해 구조 사이징을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
45kg이다. 수평미익의 엘리베이터(Elevator)와 수직미익의 러더(Rudder) 구동을 위한 엑츄에이터(actuator)는 RBE2와 bar 요소를 사용하여 모델링하였다. 수평/수직미익에 적용된 엑츄에이터의 유한요소 모델링은 Fig.
임계하중 조건(동체부 2cases, 수평미익 2 cases, 수직미익 2 cases, 착륙하중 3 cases)에 대해 구조 안전성을 고려하여 load factor 1.3을 적용하여 강도해석과 좌굴해석을 수행하였고, 구조해석 결과를 기초로 하여 동체와 미익부에 대한 구조 사이징을 수행하였다.

대상 데이터

2는 동체와 미익부 유한요소 모델이다. 총 요소수는 22,882개이며, 동체/미익부 조립체 총 중량은 17.83kg이다. 각 영역별로, 동체 초기중량은 14.
1은 고고도 장기체공 무인기의 기체구조 형상이다. 총 요소수는 45,014개, 총 절점수는 41,471개로 구성되어 있다. 기체구조 제작에는 국내개발 T-800급 복합재가 사용되었고, 구조해석은 고전복합재이론(Classical Laminate Theory, CLT), 파손기준은 최대변형율 이론을 적용하였다.

이론/모형

총 요소수는 45,014개, 총 절점수는 41,471개로 구성되어 있다. 기체구조 제작에는 국내개발 T-800급 복합재가 사용되었고, 구조해석은 고전복합재이론(Classical Laminate Theory, CLT), 파손기준은 최대변형율 이론을 적용하였다. 본 논문에서는 전기체 모델에서 동체와 미익부에 대한 강도 및 좌굴해석 결과를 통해 구조경량화를 수행하였다.

성능/효과

4.1과 4.2의 강도 및 좌굴해석 결과로 부터, 구조 사이징에 의해 동체부와 미익부의 구조 건전성이 확보되었음을 확인 할 수 있다. 구조 사이징 결과, 동체/미익부 총중량은 13.
수평미익의 임계하중 조건 중에서 L56M45가 가장 위험하중인 것으로 파악되었다. L56M45 하중에 의한 최소 안전여유는 수평미익 전방스파에서 1.7로 계산되었고, 수평미익 앞전(leading edge)/뒷전(trailing edge)은 2.2/5.17, 수평미익 후방 스파/리브는 6.19/11.58, 엘리베이터 스파/리브는 8.58/23.63의 강도마진을 갖는 것으로 계산되었다. 좌굴해석에 대해서는 L20M45(HT Gust(Negative) @Vd, 45,000ft)이 가장 위험하중하며, 취약 부위는 수평미익 스파로 최소 안전률 2.
2의 강도 및 좌굴해석 결과로 부터, 구조 사이징에 의해 동체부와 미익부의 구조 건전성이 확보되었음을 확인 할 수 있다. 구조 사이징 결과, 동체/미익부 총중량은 13.83kg(유한요소 모델 기준)으로 초기 중량(17.83kg) 대비 4.00kg 경량화 되었다. Table 8∼Table 11은 사이징 결과에 따라 동체 및 미익부 주요 부재의 최종 적층 결과를 정리한 것이다.
구조 사이징 결과로 동체/미익부 초기 중량 17.83kg은 13.83kg(유한요소 모델 기준)으로 초기 중량 대비 4.00kg 경량화 되었으며, 강도해석 및 좌굴해석을 통하여 개발 진행 중인 고고도 장기체공 무인기의 구조 건전성을 확인하였다. 향후, 해당 기체구조에 대한 정적하중시험과 지상진동 시험을 수행하여 구조해석 결과에 대한 검증을 수행할 예정이다.
동체 임계하중들 중에서 L07M45와 동체 착륙하중(on frame #50)이 구조적으로 가장 위험하중인 것으로 파악되었다. 하중조건 L07M45에 의해 스킨, 프레임, 론저론에서의 최소 안전여유를 계산한 결과, 스킨의 최소 안전여유는 2.
7로 계산되었다. 또한, 좌굴해석에 대해서는 미익 착륙하중에 의해 3.7의 최소 안전 여유를 갖는 것으로 파악되었다. 임계하중 L47M48에 의한 수직미익 구조해석 결과가 Fig.
구조사이징을 위해서는 비행체에 작용하는 임계하중 정보를 구해야 한다. 비행 하중해석 결과로 부터, 동체부 임계하중은 2cases (L07M45/ L48M45)로 확인되었고, 수평미익 임계하중은 2cases(L20M45/L56M45), 수직미익 임계하중은 2cases(L47M45/L48M45)로 선정되었다. 또한, 동체와 미익부에 작용하는 착륙하중을 구조해석 조건으로 선정하였다.
수직미익 임계하중은 수직미익부에만 제한적으로 영향을 주고, 동체와 수평미익부에는 거의 영향을 주지 않는 것으로 파악되었다. 가장 위험하중 조건은 L47M45이며 최소 강도마진은 수직미익 앞전에서 0.
수평미익의 임계하중 조건 중에서 L56M45가 가장 위험하중인 것으로 파악되었다. L56M45 하중에 의한 최소 안전여유는 수평미익 전방스파에서 1.
63의 강도마진을 갖는 것으로 계산되었다. 좌굴해석에 대해서는 L20M45(HT Gust(Negative) @Vd, 45,000ft)이 가장 위험하중하며, 취약 부위는 수평미익 스파로 최소 안전률 2.6을 확보하는 것으로 파악되었다. 임계하중 L56M45에 의한 수평미익 구조해석 결과가 Fig.
동체 임계하중들 중에서 L07M45와 동체 착륙하중(on frame #50)이 구조적으로 가장 위험하중인 것으로 파악되었다. 하중조건 L07M45에 의해 스킨, 프레임, 론저론에서의 최소 안전여유를 계산한 결과, 스킨의 최소 안전여유는 2.08, 프레임은 0.40, 론저론은 1.73으로 계산되었으며, 프레임에서 최소 안전여유가 발생하는 부재는 프레임#50으로 파악되었다. 동체 착륙하중(on frame #50)에서도 프레임 #50에서 최소 안전여유 0.

후속연구

향후, 해당 기체구조에 대한 정적하중시험과 지상진동 시험을 수행하여 구조해석 결과에 대한 검증을 수행할 예정이다. 본 연구개발에서 목표로 하는 무인기 경량화 기술의 확보를 통해 성층권과 같은 극한 환경에서 효율적인 무인기 운용에 기여할 수 있을 것으로 사료되며, 확보되는 초경량 유연복합재 비행체 설계 및 구조해석 기법은 향후 다양한 경량 및 장기체공 무인비행체 구조 개발에 적용 가능하여 국내 무인기 개발 경쟁력 강화에 기여할 것으로 사료된다.
또한, 최소 안전여유를 확보하고 경량화를 위해 수행된 설계안 및 그에 따른 중량감소 결과를 제시하였다. 본 연구를 통해 고고도 장기체공 무인기에 적용 가능한 경량화 기술을 확보함으로써 성층권과 같은 극한 환경에서 효율적인 무인기 운용에 기여할수 있을 것으로 사료된다.
00kg 경량화 되었으며, 강도해석 및 좌굴해석을 통하여 개발 진행 중인 고고도 장기체공 무인기의 구조 건전성을 확인하였다. 향후, 해당 기체구조에 대한 정적하중시험과 지상진동 시험을 수행하여 구조해석 결과에 대한 검증을 수행할 예정이다. 본 연구개발에서 목표로 하는 무인기 경량화 기술의 확보를 통해 성층권과 같은 극한 환경에서 효율적인 무인기 운용에 기여할 수 있을 것으로 사료되며, 확보되는 초경량 유연복합재 비행체 설계 및 구조해석 기법은 향후 다양한 경량 및 장기체공 무인비행체 구조 개발에 적용 가능하여 국내 무인기 개발 경쟁력 강화에 기여할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인기가 고도의 성능을 발휘하기 위해 필수적으로 개발되어야 할 것은 무엇인가	무인기가 고도의 성능을 발휘하기 위해서는 탑재장비의 정밀화와 대형화는 물론, 경량이면서 극한환경에서도 구조물의 파손에 대한 건전성을 모두 보장할 수 있는 기체구조의 개발이 필수적이다. 장기체공무인기 연구는 영국 Qinetiq사의 Zephyr가 개발에 성공한 바 있으며[1], 국내에서도 장기체공 전기동력무인기에 대한 연구가 성공적으로 수행된 바 있다[2].
	무인기의 주요 역할은 무엇인가	무인기의 주요 역할은 인공위성보다 낮은 고도에서 인명손실의 위험없이 원하는 지역을 관측하거나 통신 중계 등을 수행하는 것이다. 최근, 무인기 요구성능이 강화되어 성층권과 같은 극한 환경에서도 장시간 비행하면서 많은 정보와 정밀한 관측이 가능하도록 요구되고 있다.
	본 연구에서 고고도 장기체공 무인기의 구조해석과 파손기준은 어떠한 이론을 적용하였는가	총 요소수는 45,014개, 총 절점수는 41,471개로 구성되어 있다. 기체구조 제작에는 국내개발 T-800급 복합재가 사용되었고, 구조해석은 고전복합재이론(Classical Laminate Theory, CLT), 파손기준은 최대변형율 이론을 적용하였다. 본 논문에서는 전기체 모델에서 동체와 미익 부에 대한 강도 및 좌굴해석 결과를 통해 구조경량화를 수행하였다.

참고문헌 (7)

"FAI Record ID No.16052" Federation Aeronautique International. Retrieved 4 December 2012
SeungJae Hwang, SangGon Kim, YungGyo Lee, "Developing High Altitude Long Endurance(HALE) Solar-powered unmanned Aerial Vehicle(UAV)" Journal of The Society for Aerospace System Engineering, Vol.10, No.1, pp.59-65, 2016
Sang-Wook Park, Jeong-Woo Shin, Mu-Hyung Lee, Tae-Uk Kim, "Non-linear Structural Analysis of Main Wing Spar of High Altitude Long Endurance UAV", Journal of the Koreans Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 23, No. 1, pp.24-29, 2015.

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Jeong Woo Shin, Sang Wook Park, Mu-Hyung Lee, Tae-Uk Kim, "Light Wing Spar Design for High Altitude Long Endurance UAV", Journal of the Koreans Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 22, No. 2, pp.27-33, 2014.

원문보기 상세보기
Sung Joon Kim, Seunggyu Lee, Sung Chan Kim, Tae-Uk Kim, Seungho Kim, "Structural Design and Analysis for High Altitude Long Endurance UAV", Journal of the Koreans Society for Aviation and Aeronautics, Vol. 22, No. 3, pp.68-73, 2014.

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Sung Joon Kim, Dong Hyun Kim, Joosup Lim, Sang Wook Lee, Tae-Uk Kim, Seungho Kim, "Structural analysis of flexible wing using linear equivalent model", Journal of the Korea Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.43, No.8, pp.699-705, 2015

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Bae, H., Woo,K., "Analysis methods of wrinkle prediction for thin membrane", Journal of the Korea Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol.41, No.11, pp.865-873, 2013.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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