무인기는 관측, 통신중계, 정보 수집 등 여러 분야에서 다양한 목적으로 활용되고 있다. 최근 개발되는 무인기는 장시간 체공을 하면서 현재 수준보다 정밀하고 다량의 정보 수집이 가능하도록 고사양의 성능이 요구되고 있다. 현재, 국내에서는 인공위성의 일부 기능 대체를 목적으로 성층권에서 장기간 비행하기 위한 고고도 장기체공무인기가 개발되고 있다. 본 연구는 고고도 장기체공 무인기용으로 개발 중인 기체구조에 대한 구조 건전성 평가의 일환으로 동체 및 미익 체결부에 대한 안전여유 계산을 통하여 구조 건전성을 평가하였다. 그 결과로, 개발 중인 무인 비행체의 기체 구조 체결부에 대한 설계 타당성을 확인하였다.
무인기는 관측, 통신중계, 정보 수집 등 여러 분야에서 다양한 목적으로 활용되고 있다. 최근 개발되는 무인기는 장시간 체공을 하면서 현재 수준보다 정밀하고 다량의 정보 수집이 가능하도록 고사양의 성능이 요구되고 있다. 현재, 국내에서는 인공위성의 일부 기능 대체를 목적으로 성층권에서 장기간 비행하기 위한 고고도 장기체공무인기가 개발되고 있다. 본 연구는 고고도 장기체공 무인기용으로 개발 중인 기체구조에 대한 구조 건전성 평가의 일환으로 동체 및 미익 체결부에 대한 안전여유 계산을 통하여 구조 건전성을 평가하였다. 그 결과로, 개발 중인 무인 비행체의 기체 구조 체결부에 대한 설계 타당성을 확인하였다.
Unmanned Aerial Vehicles (UAV) have been used for various purposes in multiple fields, such as observation, communication relaying, and information acquisition. Nowadays, UAVs must have high performance in order to acquire more precise information in larger amounts than is now possible while perform...
Unmanned Aerial Vehicles (UAV) have been used for various purposes in multiple fields, such as observation, communication relaying, and information acquisition. Nowadays, UAVs must have high performance in order to acquire more precise information in larger amounts than is now possible while performing for long periods. At present, domestically, a high-altitude long-endurance UAV (HALE UAV) for long-term flight in the stratosphere has been developed in order to replace some functions of the satellite. In this study, as a part of structural soundness evaluation of the aircraft structure developed for the HALE UAV, the structural soundness of the fasteners of the fuselage and tail is evaluated by calculating the margin of safety(M.S). The result confirms the validity of the design of the fasteners in the aircraft structure of the UAV.
Unmanned Aerial Vehicles (UAV) have been used for various purposes in multiple fields, such as observation, communication relaying, and information acquisition. Nowadays, UAVs must have high performance in order to acquire more precise information in larger amounts than is now possible while performing for long periods. At present, domestically, a high-altitude long-endurance UAV (HALE UAV) for long-term flight in the stratosphere has been developed in order to replace some functions of the satellite. In this study, as a part of structural soundness evaluation of the aircraft structure developed for the HALE UAV, the structural soundness of the fasteners of the fuselage and tail is evaluated by calculating the margin of safety(M.S). The result confirms the validity of the design of the fasteners in the aircraft structure of the UAV.
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문제 정의
본 연구에서는 성층권 장기체공 무인기용으로 개발 중인 기체 구조 체결부에 대한 구조해석을 통해 구조 건전성을 검토하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 성층권 환경에서 장기체공을 목적으로 개발 중인 고고도 장기체공 무인기용 기체구조의 구조해석 일환으로 동체-주익-미익 체결부에 대한 구조 건전성 평가를 수행하였다. 본문 2장에서는 고고도 장기체공 무인기의 기체구조 개요를 설명하였고, 3장에서는 각 체결부에 대한 안전여유(Margin of Safety)를 계산하였다.
제안 방법
본문 2장에서는 고고도 장기체공 무인기의 기체구조 개요를 설명하였고, 3장에서는 각 체결부에 대한 안전여유(Margin of Safety)를 계산하였다. 구조해석 전용 소프트웨어인 MSC-Nastran을 사용하였고, 수치해석 결과로 주요 체결부인 동체-주익, 동체-탑재장비 장착용 system floor, 미익 체결부에서의 안전여유 검토를 통해 체결 부에 대한 설계 타당성을 확인하였다.
Table 3은 각 프레임에서 system floor 체결부 하중에 대한 안전마진을 계산한 결과이다. 동체-주익 체결부 안전여유 계산방식과 동일하게 작용하중에 대해 Fitting Factor 1.15를 적용하였다. 계산결과, 프레임 #50에서 최소 안전여유 1.
주요 체결부는 동체-주익, 동체-탑재장비 장착용 system floor, 미익 체결부인데, 체결부에 대한 이해를 돕기 위해 다음과 같이 동체와 미익부 구조에 대해 소개하였다.
체결부 건전성 평가결과로 동체-주익, 동체-system floor, 미익부 엑츄에이터 체결부에 대한 구조 건전성을 확인하였다. 더불어, 본 연구를 통해 확보되는 성층권 등의 극한환경에서 운용되는 경량 복합재 비행체의 구조해석 기법은 향후 다양한 장기체공 무인비행체 구조 개발에 적용 가능하므로 국내 무인기 개발을 위한 기술 경쟁력 강화에 기여할 것으로 사료된다.
대상 데이터
Figure 1은 고고도 장기체공 무인기용으로 개발 중인 기체 구조의 유한요소 모델이다. 유한요소 모델에 적용된 총 요소 개수는 45,014개, 총 절점 개수는 41,471개로 구성되어 있다. 해석 모델 대부분의 영역은 쉘(shell) 요소를 적용하였는데, 미익부 조종면 구동을 위한 엑츄에이터(actuator) 모델링을 위해서 RBE2와 바(bar) 요소를 사용하였다.
해석 모델 대부분의 영역은 쉘(shell) 요소를 적용하였는데, 미익부 조종면 구동을 위한 엑츄에이터(actuator) 모델링을 위해서 RBE2와 바(bar) 요소를 사용하였다. 참고로, 기체구조 제작에는 T-800급 복합재가 사용되었다.
유한요소 모델에 적용된 총 요소 개수는 45,014개, 총 절점 개수는 41,471개로 구성되어 있다. 해석 모델 대부분의 영역은 쉘(shell) 요소를 적용하였는데, 미익부 조종면 구동을 위한 엑츄에이터(actuator) 모델링을 위해서 RBE2와 바(bar) 요소를 사용하였다. 참고로, 기체구조 제작에는 T-800급 복합재가 사용되었다.
성능/효과
각 영역의 체결부 하중을 계산한 결과, skin zone 3에서 최대하중이 발생하는 것으로 평가되었고, 해당 체결부의 최대하중은 fitting factor를 고려하여 900.45N으로 계산되었다. 참고로, skin zone 6의 체 결부 최대하중은 404.
15를 적용하였다. 계산결과, 프레임 #50에서 최소 안전여유 1.1로 계산되었고, 프레임 #10, #30, #100에서는 2.1 이상의 안전여유를 갖는 것으로 계산되어 현재의 구조설계는 동체내부 system floor 장착에 대한 구조 건전성을 확보하는 것으로 파악된다.
참고로, 안전여유는 식 (1)과 같이 정의된다. 본 논문의 고고도 장기체공 무인기용 구조는 전체적으로 0.15 이상의 안전여유를 확보하도록 설계되었으며, 동체-주익 체결부에서 설계 요구조건 이상의 안전여유를 확보하고 있는 것으로 확인되었다.
구조건전성 확인을 수행하기 위해서는 구조물에 작용하는 임계하중 정보들을 확보해야 한다. 비행하중 해석에 의해 56개의 임계하중 조건을 구축하고 각 하중들에 대한 평가를 통해 동체-주익 체결부에 가장 큰 영향을 미치는 하중은 돌풍조건(하중배수 3.5)으로 확인되었다. 참고로, 돌풍조건에 의해 동체에 작용하는 하중은 Fig.
12(b))하게 된다. 엑츄에이터 하중을 반영한 구조해석 결과, 수직미익에서는 장착점 A에서 최소 안전여유가 0.75로 계산되었고(Fig.13), 수평미익에서는 장착점 A에서 25.5의 최소 안전여유를 갖고 있는 것으로 계산되어(Fig.14), 미익부 엑츄에이터에 의한 장착하중에 대해서도 현재 설계안은 구조 건전성을 확보하는 것으로 파악된다.
체결부 건전성 평가시 체결부 작용하중에는 fitting factor 1.15를 고려하고, 각 체결부 영역에서 계산된 허용하중(allowable load)은 weight factor 0.95를 반영하여 구조안전성 측면에서 보수적인 평가를 수행하였다.
체결부 허용강도에 영향을 주는 체결부 직경과 두께 정보 및 각 skin zone의 체결부 허용 강도를 나타내었다. 최대 하중은 zone 3에서 발생하지만, 해당부위의 허용하중이 높아 안전여유는 1.6으로 충분한 안전여유를 확보하는 것으로 계산되었다. 최소 안전여유는 skin zone 8에서 0.
후속연구
체결부 건전성 평가결과로 동체-주익, 동체-system floor, 미익부 엑츄에이터 체결부에 대한 구조 건전성을 확인하였다. 더불어, 본 연구를 통해 확보되는 성층권 등의 극한환경에서 운용되는 경량 복합재 비행체의 구조해석 기법은 향후 다양한 장기체공 무인비행체 구조 개발에 적용 가능하므로 국내 무인기 개발을 위한 기술 경쟁력 강화에 기여할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무인기가 안정적으로 다양한 임무를 수행하기 위해 필요한 것은 무엇인가?
그러나, 기존 대부분의 무인기는 단시간 동안의 임무 수행은 가능하지만, 극한환경에서 장시간 체공하면서 다량의 정보를 획득하는 것은 현실적으로 많은 제약이 있다. 무인기가 안정적으로 다양한 임무를 수행하기 위해서는 고성능의 장비 탑재와 함께 성층권과 같은 극한환경에서도 구조 건전성을 유지하면서도 가벼운 기체구조의 개발이 필요하다.
본 논문에서 수행한, 기체 구조 체결부에 대한 구조해석을 통해 구조 건전성을 검토한 결과를 추후 사용 가능한 분야는 무엇인가?
체결부 건전성 평가결과로 동체-주익, 동체-system floor, 미익부 엑츄에이터 체결부에 대한 구조 건전성을 확인하였다. 더불어, 본 연구를 통해 확보되는 성층권 등의 극한환경에서 운용되는 경량 복합재 비행체의 구조해석 기법은 향후 다양한 장기체공 무인비행체 구조 개발에 적용 가능하므로 국내 무인기 개발을 위한 기술 경쟁력 강화에 기여할 것으로 사료된다.
최근, 높아진 기대로 말미암아 무인기 요구 성능으로 요구되는 것은 무엇인가?
최근, 무인기 요구 성능에 대한 기대가 높아지고 있는데, 성층권과 같은 고고도의 극한 환경에서도 장시간 비행하면서 기상 정보 수집, 통신 중계, 정밀 관측 등 다양한 임무를 수행하도록 요구되고 있다. 그러나, 기존 대부분의 무인기는 단시간 동안의 임무 수행은 가능하지만, 극한환경에서 장시간 체공하면서 다량의 정보를 획득하는 것은 현실적으로 많은 제약이 있다.
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