본 연구의 목적은 중고도-장기체공 무인기의 성능을 역설계를 통해 분석하는 것이며, 역설계를 위한 모델로 RQ-1 Predator를 선정하였다. CATIA 프로그램을 사용하여 RQ-1 Predator의 외형에 대한 형상과 중량 분포를 생성하였다. RQ-1 Predator의 공력특성은 주로 와류격자법과 경험식을 조합하여 수행하였으며, 추진 성능은 Howe의 경험식을 통해 수행되었다. 상승률, 실용상승한도, 항속 거리, 그리고 체공 시간에 대한 역설계를 수행하였으며, 역설계 결과가 참고문헌과 잘 일치함을 확인하였다.
본 연구의 목적은 중고도-장기체공 무인기의 성능을 역설계를 통해 분석하는 것이며, 역설계를 위한 모델로 RQ-1 Predator를 선정하였다. CATIA 프로그램을 사용하여 RQ-1 Predator의 외형에 대한 형상과 중량 분포를 생성하였다. RQ-1 Predator의 공력특성은 주로 와류격자법과 경험식을 조합하여 수행하였으며, 추진 성능은 Howe의 경험식을 통해 수행되었다. 상승률, 실용상승한도, 항속 거리, 그리고 체공 시간에 대한 역설계를 수행하였으며, 역설계 결과가 참고문헌과 잘 일치함을 확인하였다.
The main purpose of this study was to analyze the performance of a medium-altitude long endurance unmanned aerial vehicle through reverse-engineering method. The external configuration data of the RQ-1 Predator was reverse-engineered from related photos and specification data available on public dom...
The main purpose of this study was to analyze the performance of a medium-altitude long endurance unmanned aerial vehicle through reverse-engineering method. The external configuration data of the RQ-1 Predator was reverse-engineered from related photos and specification data available on public domains, which also were used to generate the CATIA modeling and weigh distribution data of the UAV. The aerodynamic characteristics of RQ-1 Predator were mainly predicted the vortex lattice method and an empirical method, which the propeller performance was analyzed by the empirical method proposed by Howe. The rate of climb, service ceiling, range, and the loiter endurance of the UAV was analyzed, which showed good agreement with the reference data.
The main purpose of this study was to analyze the performance of a medium-altitude long endurance unmanned aerial vehicle through reverse-engineering method. The external configuration data of the RQ-1 Predator was reverse-engineered from related photos and specification data available on public domains, which also were used to generate the CATIA modeling and weigh distribution data of the UAV. The aerodynamic characteristics of RQ-1 Predator were mainly predicted the vortex lattice method and an empirical method, which the propeller performance was analyzed by the empirical method proposed by Howe. The rate of climb, service ceiling, range, and the loiter endurance of the UAV was analyzed, which showed good agreement with the reference data.
본 연구는 현재 운용되고 있는 중고도-장기체공 무인비행기에 대한 형상 및 성능 분석을 통해 역설계(reverse Engineering)를 수행하고, 동급의 무인항공기를 설계 또는 해석하는데 기초자료 확보를 목적으로 한다.
제안 방법
경험식과 상용코드 계산을 통해 고도와 속도에 따른 역설계 모델의 공력계수를 확인하였으며, 추진 성능은 Howe의 경험식을 적용하여 고도와 속도에 따른 프로펠러 효율과 비연료소모율을 계산하였다. 계산된 공력·추진 성능을 적용하여 역설계 모델의 상승, 순항, 체공 성능을 계산하였으며, 해석결과는 RQ-1 Predator의 임무 요구조건과 잘 일치함을 확인하였다.
중고도-장기체공 무인항공기는 체공 성능이 중시되는 비행체이며, 장시간 체공을 위하여 큰 가로세로비와 높은 양력계수를 위해 큰 캠버의 익형을 사용하고 있다. 본 연구에서는 중고도-장기체공 무인항공기 역설계를 위해 동급의 RQ-1 Predator를 모델로 선정하였으며, 각종 사진 및 도면 정보를 바탕으로 CATIA를 이용하여 비행체의 외형에 대한 3차원 형상과 중량 분포를 생성하였고, 이를 이용하여 공력특성과 성능을 해석하였다.
대상 데이터
RQ-1 Predator는 1994년 1월부터 1996년 6월까지 미국의 첨단개념기술시범 프로그램의 일환으로 개발된 기체로, 1997년 군에 배치된 이후 코소보 사태, 이라크 전쟁 등 여러 군사작전에서 우수한 성능으로 보였으며, 다른 종류의 기체보다 공개된 자료가 많다는 장점이 있다. 이에 역설계 모델로 RQ-1 Predator를 선정하였다.
이론/모형
경험식 구성유소 구축법을 적용하여 유해항력을 계산하였으며, 앞전 흡입법을 통해 유도항력을 계산하였다. 전체 항공기 항력 계산을 위해 엔진에 의해 발생하는 추가항력 또한 고려하였다.
설계된 항공기의 공력 해석을 위해서는 주로 포텐셜 이론에 기반을 둔 와류격자법(vortex lattice method, VLM)이 이용되며[8] 최근 들어 컴퓨팅 파워의 증가로 전산유체역학(CFD) 기법이 일부 또는 전체 해석에 적용[9] 되기도 한다. 본 연구에서는 비교적 간편하고 효율적인 공력해석 기법인 와류격자법(vortex lattice method, VLM) 기반 프로그램인 VLMpc와 경험식 (empirical method)을 적용하였다. 그러나 와류격자법은 낮은 받음각 영역의 해석에는 적합하나 실속 이후의 높은 받음각 영역을 해석하기에는 부적합하여, 실속 이후의 특성은 풍동실험 데이터[10]나 경험식을 결합하여 해석하였다.
성능/효과
경험식과 상용코드 계산을 통해 고도와 속도에 따른 역설계 모델의 공력계수를 확인하였으며, 추진 성능은 Howe의 경험식을 적용하여 고도와 속도에 따른 프로펠러 효율과 비연료소모율을 계산하였다. 계산된 공력·추진 성능을 적용하여 역설계 모델의 상승, 순항, 체공 성능을 계산하였으며, 해석결과는 RQ-1 Predator의 임무 요구조건과 잘 일치함을 확인하였다.
후속연구
본 연구를 진행하면서 경험식을 적용하여 공력해석 및 성능 해석에 대한 과정을 간편하게 만들었으며, 이를 토대로 동급의 무인항공기를 설계 또는 해석하는데 많은 도움이 될 것이라고 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무인항공기의 장점은 무엇인가?
무인항공기(Unmanned Aerial Vehicle, UAV) 는 초기에 군사적 목적으로 개발되었지만, 현재는 민간분야에서도 활발하게 개발 및 운영이 되고 있다. 무인항공기는 유인항공기나 정찰위성에 비해 획득비용이나 유지비가 상대적으로 작게 소요되며, 인명 손실이 없다는 장점이 있어 지금의 정찰위성이나 유인항공기가 맡고 있던 각종 임무를 대체할 것으로 예상된다.
2010년에서 2020년까지 무인항공기 시장이 얼마나 성장할 것으로 예상되는가?
무인항공기 시장은 꾸준히 성장하고 있으며, 다수의 시장 조사기관들은 세계 무인기 시장이 2010년 50억불에서 2020년 103억불로 2배 이상의 성장을 지속할 것으로 예상하고 있다[1-2].
역설계 모델로 RQ-1 Predator를 선정한 이유는 무엇인가?
RQ-1 Predator는 1994년 1월부터 1996년 6월까지 미국의 첨단개념기술시범 프로그램의 일환으로 개발된 기체로, 1997년 군에 배치된 이후 코소보 사태, 이라크 전쟁 등 여러 군사작전에서 우수한 성능으로 보였으며, 다른 종류의 기체보다 공개된 자료가 많다는 장점이 있다. 이에 역설계 모델로 RQ-1 Predator를 선정하였다.
참고문헌 (13)
Chang, D., Kang, W., Kim, J., "Global UAS market trends and forecase", The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences conference, 2013, pp. 1140-1145.
Teal Group, "World Unmanned Aerial Systems 2012 market profile and forecast", April, 2012, pp. 2.
Kim, H., Jeon, B., Lee, N., Choi, S., and Chang, Y., "Development of Mission Analysis and Design Tool for ISR UAV Mission Planning" Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 42(2), pp. 181-190.
Jane's Information Group, http://www.janes.com/
Raymer, D. P., "Aircraft Design : A Conceptual Approach Third Edition", AIAA Education Series, AIAA Inc., 1999.
Gundlach,. F., "Multi-Disciplinary Design Optimization of Subsonic Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicles Projected Through 2025", Ph. D. Dissertation, Department of Aerospace and Ocean Engineering, Virginia Tech., pp.155-161, Feb., 9, 2004.
Park, K., Min, S., Ahn, J., and Lee, D., "Multidisciplinary design optimization(MDO) of a Medium-Sized Solar Powered HALE UAV Considering Energy Balancing," Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, 40(2), pp. 129-138.
Panagiotou, P., Kaparos, P., and Yakinthos, K., "Winglet design and optimization for a MALE UAV using CFD," Aerospace Science and Technology, 39, pp. 190-205
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