[논문]전기 동력 소형 고정익 무인항공기 공력성능 연구

정성록

doi:10.20910/jase.2019.13.1.11

초록
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본 연구에서는 전기 동력 소형 고정익 무인항공기의 낮은 레이놀즈 영역 및 최소한의 제원으로 운용에 필요한 성능을 일반적인 이론 분석으로 예측하였다. 이를 간단한 전기모터 풍동시험과 실증 비행시험을 통해 비교 분석하여 이론 분석의 타당성을 확인하였다. 분석한 결과의 타당성 확인 결과, 3.5 kg의 고정익 소형 무인항공기는 일반적인 이론분석으로 공력 성능의 분석이 가능하지만, 필요추력은 설계오류가 발생할 가능성이 있는 것으로 확인된다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 낮은 레이놀즈 영역에서 비행하는 유사 소형 고정익 무인항공기 개발 시 설계오류를 최소화 하는 방법을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the performance of a small fixed wing unmanned aerial vehicle is predicted theoretically with the minimum specifications and a low Reynolds number. Based on the results, it was compared with the results of an actual flight test and simple electric motor wind tunnel test. As a result o...

In this paper, the performance of a small fixed wing unmanned aerial vehicle is predicted theoretically with the minimum specifications and a low Reynolds number. Based on the results, it was compared with the results of an actual flight test and simple electric motor wind tunnel test. As a result of the validity of the analysis, a 3.5 kilograms class fixed wing small UAV can predict aerodynamic performance by general theory analysis. However, the required thrust was analyzed as a possible design error. Based on the results of this study, this paper proposed a method to minimize the design error when developing small fixed wing UAV flying in a low Reynolds number.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Small UAV
표 Table 1 Small UAV specification
그림 Fig. 2 lift to drag ratio
그림 Fig. 3 Thrust system wind tunnel test
표 Table 2 Aerodynamic performance
표 Table 3 Thrust test result(1)
그림 Fig. 5 Take off velocity
표 Table 4 Take off velocity measured by flight test
표 Table 5 Cruising Speed measured by flight test

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 투척 이륙 방식의 전기 동력 소형 고정익 무인항공기를 일반적인 공력분석 기법과 최소한의 시험 방법으로 성능을 분석함으로써 운용에 필요한 성능 예측방법을 적절성을 연구하였다. 이론적 분석과 추력 모터 및 프로펠러만의 풍동시험의 결과를 현재 운용 중인 비행체의 실증 비행 시험으로 획득한 비행데이터로 비교, 검증하여 공력성능 분석의 적절성을 검증하였다.

가설 설정

본 연구 대상인 비행체는 테이퍼비가 거의 없는 직선에 가까운 날개형상을 가지고 있으므로 직선 날개(Straight Wings)로 가정하였다. 에어포일 형상이 타원에 가까울수록 e = 1에 가까우며 1을 넘지는 않으며, 본 연구 대상의 소형무인기는 0.
또한, 유도항력이 0일 때는 양력이 발생하지 않는 경우이므로 전항력은 형상항력과 일치하며 이때의 항력계수를 무양력 항력계수(Zero lift drag coefficient, C_D0)라고 할 수 있다.[11] 본 연구에서는 형상이 유사한 타 연구의 소형 고정익 무인항공기의 유해항력을 참고하여 C_Dp = C_D0 =0.026로 가정한다.[3] 유도항력은 Eq.

제안 방법

본 연구에서는 현재 운용 중인 소형 고정익 무인항공기를 대상으로 분석을 실시하였다. 비행시험에 사용한 고정익 무인항공기의 제원(Table 1)을 활용해 이론적으로 공력성능을 예측하고 실증 시험을 위해 비행 중 획득한 비행데이터를 통해 운용시간 및 순항속도 등을 비교, 분석하였으며 풍동시험결과를 토대로 요구 추력을 검증하였다. 본 연구 대상의 소형 고정익 무인항공기 형상은 Fig.
본 연구에서는 투척 이륙 방식의 전기 동력 소형 고정익 무인항공기를 일반적인 공력분석 기법과 최소한의 시험 방법으로 성능을 분석함으로써 운용에 필요한 성능 예측방법을 적절성을 연구하였다. 이론적 분석과 추력 모터 및 프로펠러만의 풍동시험의 결과를 현재 운용 중인 비행체의 실증 비행 시험으로 획득한 비행데이터로 비교, 검증하여 공력성능 분석의 적절성을 검증하였다.

대상 데이터

본 연구 대상 비행체의 에어포일 형상은 SD7032이며 실제 비행을 통해 획득한 비행데이터 확인 결과,평균 순항속도는 약 15 m/sec 분석되었다. 레이놀즈수를 분석하여 15 m/sec에서의 SD7032 에어포일의 양력을 구할 수 있으며 Eq.
본 연구에서는 현재 운용 중인 소형 고정익 무인항공기를 대상으로 분석을 실시하였다. 비행시험에 사용한 고정익 무인항공기의 제원(Table 1)을 활용해 이론적으로 공력성능을 예측하고 실증 시험을 위해 비행 중 획득한 비행데이터를 통해 운용시간 및 순항속도 등을 비교, 분석하였으며 풍동시험결과를 토대로 요구 추력을 검증하였다.

데이터처리

이륙 및 순항속도와 풍동시험을 통해 분석한 결과를 비행체 실증 시험으로 획득한 비행데이터와 비교하여 2.1 절의 성능 분석의 타당성을 검증하였다.
추력을 비행 시험에서 획득하기에 어려움이 있어 모터 및 프로펠러를 설치한 풍동시험을 통해 발생 추력,최대 추력을 측정하여 2.1절의 비행성능 분석결과와 비교분석을 실시하였다.

성능/효과

80 N으로 다소 차이가 있다. 그러므로 동일한 방식으로 성능을 예측하고 설계를 한다면 10%의 오차를 고려하여 설계를 할 필요가 있다. 이륙속도는 실제 비행시험을 통해 획득한 데이터와 공력성능 분석 결과, 일반적인 공력분석 기법으로도 분석이 가능하여 이륙속도의 수준을 초기 설계 단계에서 설정할 수 있어 분석의 활용이 가능하며 투척 가능 수준을 판단할 수 있다.
이륙속도는 실제 비행시험을 통해 획득한 데이터와 공력성능 분석 결과, 일반적인 공력분석 기법으로도 분석이 가능하여 이륙속도의 수준을 초기 설계 단계에서 설정할 수 있어 분석의 활용이 가능하며 투척 가능 수준을 판단할 수 있다. 또한,이륙속도를 활용하여 순항속도는 이륙속도의 약 1.3배의 수준으로 이륙속도를 활용하여 순항속도의 대략적인 분석이 가능할 것으로 보인다. 초기에 순항속도를 설정한 후 추가적인 연구를 통해 비행시간, 비행거리를 예측한다면 활용도가 높을 것으로 사료된다.
5 kg급의 소형 고정익 무인항공기의 비행성능 및 전기추력시스템을 분석하여 소형 무인항공기의 순항 중 요구추력, 실속 속도, 투척 이륙속도를 분석하였다. 양항비의 이론적 분석을 통해 가장 높은 효율을 낼 수 있는 조건에서의 분석 결과, 순항에 필요한 요구추력은 3.13N이며 전기 동력 시스템의 풍동시험 결과가 2.80 N으로 다소 차이가 있다. 그러므로 동일한 방식으로 성능을 예측하고 설계를 한다면 10%의 오차를 고려하여 설계를 할 필요가 있다.

후속연구

3배의 수준으로 이륙속도를 활용하여 순항속도의 대략적인 분석이 가능할 것으로 보인다. 초기에 순항속도를 설정한 후 추가적인 연구를 통해 비행시간, 비행거리를 예측한다면 활용도가 높을 것으로 사료된다. 또한,낮은 레이놀즈 영역에서의 소형무인항공기의 개발 초기 단계에서의 최소한의 정보를 활용하여 일반적인 기법으로도 비행 성능 및 비행 제한 조건 등을 분석이 가능하여 설계 초기에 오류를 줄일 수 있을 것으로 사료된다.
비행체 형상항력 및 2D 양력계수 등 가정을 통해 예측한 공력성능이다. 이러한 제원의 정확한 값을 획득 후 활용하여 3.5 kg급의 고정익 무인항공기의 공력성능을 분석한다면 좀 더 정확한 분석이 가능할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무인항공기의 분류는 어떤 기준으로 하는가?	무인항공기의 분류에는 다양한 기준이 있지만 중량을 기준으로 분류하는 것이 일반적이다. 각 나라마다 기준은 상이하지만 우리나라의 경우 한국 국가기술표준원에서 발행한 무인항공기 시스템(KS W 9000)[1] 에 따르면 2 kg이상 25 kg 미만의 무인기를 소형 무인동력비행장치로 분류하며 좀 더 세분화하여 동력으로 구분할 수 있다.
	무인항공기는 무엇인가?	무인항공기(UAV; unmanned aerial vehicle)는 조종사가 탑승하지 않고 지상에서 통제장비를 통해 원격으로 제어하는 항공기를 의미한다. 최근에 무인항공기는 탑재된 감지기 및 자율항법장치에 의해 스스로 비행하며 지상에서 이를 통제하는 장비와 통신장비 등과 같이 구성하여 운용하므로 통칭하여 무인항공기 시스템(UAS; unmanned aircraft system)으로도 불린다.
	낮은 레이놀즈 영역에서의 공기역학적 특성의 주요 현상으로는 무엇이 있는가?	하지만, 낮은 레이놀즈 영역에서의 공기역학적 특성은 기존의 일반적인 비행체가 비행하는 영역과는 다른 모습을 보인다. 주요 현상으로는 층류박리기포, 양항비감소, 동적 실속 등이 발생하며 일반적인 항공기에 비해 분석이 어렵다. 특히, 이륙은 사람이 비행체를 직접 투척하므로 저속 및 불안정한 자세에서 투척이 이루어지며 설계 단계에서부터 많은 분석이 필요하다.

참고문헌 (13)

Korean agency for technology and standards, "Unmanned Aircraft System-part 1 : Classification and definition", pp. 1-8, 2016
Joachim Schomann, "Hybrid-Electirc Propulsion Systems for Small Unmanned Aircraft. 2013
Changho Lee, Sungyug Kim, Dongmin Kim, "Performance Analysis of an Electric Powered small Unmanned Aerial Vehicle", Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, 14(4), pp. 65-70, 2010
Ahn jon, seunghun Park, ramhee Woo, "Optimized Design and Performance Analysis of a Propeller for an Electirc Powered Mini UAV", The Korea Society For Aeronautical And Space Sciences, pp. 209-212, 2014
Aviv rosen, Ohad Cur, "optimizing Electric Propulsion Systems for Unmmanned Aerial Vehicles", Journal of Aircraft Vol 46, No. 4, 2009
G.K. Ananda, P.P. Sukumar, M.S. Selig, "Measured aerodynamic characteristics of wings at low Reynolds numbers", Aerospace Science and Technology 42, pp. 392-406, 2015

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Yeonkyeong Oh, Pyeong Namgung, "A Study on improvement Direction of Airworthiness Certification for the Unmanned Aircraft System Through Application Case for Small Unmanned Aircraft System", The Korean Society For Aeronautical And Space Sciences, pp. 1031-1035, 2015
Hyojung Ahn, Jonhyuk Park, Seungwoo Yoo, "A Study of the status of UAS Certification System and Airworthiness Standards", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences 42(10), pp. 893-901, 2014

원문보기 상세보기
Janghyen Jo, Byungjun Hwang, "The study on designing and making small unmanned aerial vehicle robot", Journal of Korean Society of mechanical technology Vol.12(3), 2010
Jaewook Chung, "Development of memory type instrumentation device for measuring data of small flying object", Journal of Korean Society of mechanical technology Vol.17(4), pp. 721-726, 2015

상세보기
Seonjoo Yoon, "Aerodynamics", Book media group, korea, 2016, pp. 124, 171, 195-196
Michael S. Selig, James J. Guglielmo, Andy P. Broeren, Philippe Giguere, "Summary of low-Speed Airfoil Data", UNIVERSITY OF ILLINOIS at Urbana-champaign, SoarTech Publications, Virginia, 1995
M. Nita, D.sholz, "Estimating the Oswald Factor form basic aircraft egometrical parameters", Deutscher Luft- und Raumfahrkongress, 2012

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