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멀티콥터형 PAV(Personal Air Vehicle)의 동축반전 프로펠러에 대한 성능해석
Performance analysis of Coaxial Propeller for Multicopter Type PAV (Personal Air Vehicle) 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.3, 2019년, pp.56 - 63  

김영태 (한서대학교 항공시스템공학과) ,  박창환 (한서대학교 항공시스템공학과) ,  김학윤 (한서대학교 항공시스템공학과)

초록
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최대이륙중량 600 kg급의 멀티콥터형 PAV(Personal Air Vehicle)에 사용될 프로펠러의 성능해석을 하였다. 배터리의 중량을 고정하고 최대중량 변화에 따른 정지비행 가능 시간을 추정하기 위하여 Actuator disc 해석과 CFD 해석을 병행하여 수행하였고 결과를 비교하였다. 동축반전형 프로펠러 사이의 유동간섭 영향을 고려하기 위하여 유도동력 간섭계수(kint)를 도입하였고, 이를 이용하여 하나의 프로펠러에 대한 해석 결과로 동축 반전 프로펠러의 성능을 추정하였다. 피치각을 변화시키며 전산해석을 수행하여 Figure of Merit (FM)이 최대가 되는 피치각의 범위를 찾았으며 요구추력에 대한 프로펠러의 설계 RPM을 역 추적하였다. 연구결과는 현용 배터리의 비에너지 밀도로 대형 멀티콥터의 비행시간은 매우 한정적이며 프로펠러 간섭계수의 값을 줄이기 위한 피치 및 프로펠러 간격 설정이 중요하다는 것을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Performance analyses were performed on a propeller developed for use in a PAV (Personal Air Vehicle) under 600 kg Maximum Take-Off Weight (MTOW). The actuator disc theory and CFD analyses were used to estimate the hovering time with regards to MTOW variation for a given battery weight. The interfere...

주제어

#멀티콥터   #회전익기   #개념 설계   #전산유체역학   #프로펠러 성능  

표/그림 (13)

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 현재까지 용어가 정착되지 않았지만 전기추진 소형 비행체, PAV, 또는 유인 드론의 경우 촬영의 목적으로 널리 사용되는 소형 드론과 달리 한정된 배터리와 높은 유상하중(Payload)을 가지고 비행을 해야 하므로 효율성 및 안전성, 그리고 비행지속성을 극대화 한 설계를 하여야 한다. 따라서 현재 이와 같은 요건들을 모두 충족하는 플랫폼에 대한 연구들이 많이 진행되고 있으나 본 연구에서는 동축 반전 전기추진 멀티 프로펠러 방식의 플랫폼을 설정하고 프로펠러 성능 해석에 대한 연구를 하였다.
  • 본 연구에서는 최대이륙중량 600 kg급의 동축반전멀티콥터 형태의 PAV를 대상으로 하여 주어진 배터리와 프로펠러로 정지비행 가능시간을 추정하는 연구를 수행하였다. 프로펠러에 대한 구체적인 정보 없이 유도동력 간섭계수(Interference induced power factor; kint)와 단순 Actuator disc 이론으로 정지비행 시간을 추정하였고, 구체적인 프로펠러 제원으로부터 설계된 프로펠러를 STAR-CCM+(13.

가설 설정

  • 유상하중을 100kg로 한다고 하면 비행시간은 15분 정도에 불과하다. 회전익 이론을 인용하면 전진비행 상태에서 비행효율이 좋아지므로 이보다는 증가할 것이다. 이는 Ehang184의 공개된 비행시간의 타당성이 있음을 보여준다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
모터를 여러 개 사용하는 분산추진(Distributed propulsion)의 장점은? 이는 강력한 모터를 여러 개 사용하는 분산추진(Distributed propulsion)의 장점이 부각되었기 때문이다. PAV급의 경량 비행체는 단일 내연기관을 사용할 때 도심지 진입에 요구되는 엔진 고장율(Engine failure rate)을 비행시간당 10-9 이하로 맞출 수 없으므로 추력대 중량비(Thrust to weight ratio)가 매우 큰 BLDC 모터를 여러 개 채용한 분산추진 방식으로 이 문제를 해결할 수 있다. 이 개념을 먼저 도입하여가능성을 보여준 것이 독일의 e-Volo사이며 동사에서 개발된 Volocopter는 18개의 소형 모터를 사용한 분산추진 방식의 전기비행체이다[2].
드론의 특징은? 현재 통상 멀티콥터로 지칭되는 드론은 Jani Hirvinen과 그의 팀이 Arduino 플랫폼을 기반으로 DIY 드론인 Ardu-Copter를 처음 출시하면서 발전이 시작되었다[1]. 드론은 가볍고 고성능인 Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 센서류와 리튬-이온 배터리, 강력한 Brushless Direct Current(BLDC) 모터 기술과 고성능 프로세서 등이 결합되면서 탁월한 비행안정성 및 제어성을 확보하여 경량 카메라를 탑재한 3차원 근거리 영상정보 수집의 수단으로 각광받게 되었다. Ardu-Copter의 제어 알고리즘이 개방됨에 따라 과거 군사용으로만 개발되던 드론은 멀티콥터 형태의 레저, 농업, 건설, 택배 등 다양한 민간용 드론의 개발로 이어졌으며 최근에는 사람이 탑승 가능할 정도의 Sky taxi 개념 드론까지 개발되고 있다.
드론의 다양한 사용 용도는? 드론은 가볍고 고성능인 Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) 센서류와 리튬-이온 배터리, 강력한 Brushless Direct Current(BLDC) 모터 기술과 고성능 프로세서 등이 결합되면서 탁월한 비행안정성 및 제어성을 확보하여 경량 카메라를 탑재한 3차원 근거리 영상정보 수집의 수단으로 각광받게 되었다. Ardu-Copter의 제어 알고리즘이 개방됨에 따라 과거 군사용으로만 개발되던 드론은 멀티콥터 형태의 레저, 농업, 건설, 택배 등 다양한 민간용 드론의 개발로 이어졌으며 최근에는 사람이 탑승 가능할 정도의 Sky taxi 개념 드론까지 개발되고 있다. 이는 강력한 모터를 여러 개 사용하는 분산추진(Distributed propulsion)의 장점이 부각되었기 때문이다.
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참고문헌 (17)

  1. https://diydrones.com/profile/jpkh 

  2. https://www.volocopter.com/en/product/ 

  3. " First passenger drone makes its debut at CES," The ssociated Press. The Guardian. Retrieved, NO. 2, 2016, from http://www.thguardian.com/technology/2016/jan/07/first-passenger-drone-makes-world-debut. 

  4. https://www.davidullman.com/air-taxi-visions 

  5. W. Johnson, C. Silva, and E. Solis, "Concept Vehicles for VTOL Air Taxi Operations," American Helicopter Society Technical Conference on Aeromechanics Design for Transformative Vertical Flight, San Francisco, CA, Jan 16 - 19, 2018. 

  6. C. P. Coleman, "A survey of theoretical and experimental coaxial rotor aerodynamic research," NASA Technical Paper, Vol. 3675, National Aeronautics and Space Administration, Ames Research Center, 1997. 

  7. https://vahana.aero/ 

  8. M. Tariq, A. I. Maswood, C. J. Gajanayake, and A. K. Gupta, "Aircraft batteries : current trend towards more electric aircraft," IET Electr. Syst. Transp, Vol. 7, no. 2, pp. 93-103, 2017. 

  9. P. R. Payne, Helicopter Dynamics and Aerodynamics, The MacMillan Company, New York, pp.90-98, 1959. 

  10. https://tech.nikkeibp.co.jp/dm/english/NEWS_EN/ 

  11. J. G. Leishman, and M. Syal, "Figure of merit definition for coaxial rotors," Journal of the American Helicopter Society, Vol. 53, no. 3, pp. 290-300, 2008. 

    상세보기

  12. STAR-CCM+ Ver.13.03.11 User Guide 

  13. W. Choi, J. H. Kim, K. T. Lee, C. W. Park, "The study on the propeller aerodynamic characteristic of micro aerial vehicle using the MRF method," KSCFE Conference 2010, pp.32-36, 2010 

  14. M. S. Lee, S. S. Yoo, D. Y. Hwang, B. Y. Han, and H. K. Park, "CFD Analysis of aerodynamic characteristics of HWAT Based on the different twist angle using CFD," KSCFE Conference 2009, no. 11, pp.19-26, 2009. 

  15. H. A. Kutty, and P. Rajendran, "3D CFD Simulation and Experimental Validation of small APC Slow Flyer Propeller Blade," MDPI Journal, Aerospace Vol. 4, Issue 1. 2017. 

  16. M. C. Sim, and K. T. Lee, "The hovering performance study for the multi-copter propeller using MRF method," KSAS Spring Conference 2018, no. 4, pp. 10-12, 2018. 

  17. R. H. Stroub, J. P. Rabbott, and C. F. Niebanck, "Rotor Blade Tip Shape Effects on Performance and Control Loads from Full­Scale Wind Tunnel Testing," Journal of the American Helicopter Society, Volume 24, Number 4, (1), pp. 28-35 October 1979. 

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