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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 현재 조사 가능한 해외 UAV의 임무 및 성능을 살펴보고, 각각의 UAV의 추진기관의 성능 특성을 정리하고자 한다. 이러한 데이터를 바탕으로 최신 무인기에서 요구 하는 추진기관의 성능 및 엔진 설계 파라미터에 대한 분석을 수행하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 현재 조사 가능한 해외 UAV의 임무 및 성능을 살펴보고, 각각의 UAV의 추진기관의 성능 특성을 정리하고자 한다. 이러한 데이터를 바탕으로 최신 무인기에서 요구 하는 추진기관의 성능 및 엔진 설계 파라미터에 대한 분석을 수행하고자 한다. 즉, 추진기관의 추력, SFC 및 설계변수인 압축비, BPR 등을 기존의 상용 항공기 엔진과 비교하여 그 특성을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 가스터빈 추진기관 성능 특성을 분석하기 위해 우선 항공기와 추진기관의 상관관계를 검토 하였다. UAV와의 비교를 위해 대표적인 민간항 공기와 군용항공기를 선정하여 비교 검토하였다[22].
- 현재 해외에서 개발이 진행되고 있거나 완료된 UAV의 임무 및 성능을 검토하고, 각각의 UAV 추진기관의 성능 특성을 분석하였다. 검토한 UAV는 총 10 종으로 무인기에 대한 임무, 최대 운용 고도 및 운용 시간 등의 제원을 조사 하였으며, 추진기관의 성능 및 설계 파라미터에 대한 분석을 수행하였다. 또한, UAV 성능 특성을 분석하고자 대표적인 민간항공기 및 군용항 공기를 선정하여 비교 검토하였다.
- 검토한 UAV는 총 10 종으로 무인기에 대한 임무, 최대 운용 고도 및 운용 시간 등의 제원을 조사 하였으며, 추진기관의 성능 및 설계 파라미터에 대한 분석을 수행하였다. 또한, UAV 성능 특성을 분석하고자 대표적인 민간항공기 및 군용항 공기를 선정하여 비교 검토하였다. 그 결과 UAV의 thrust loading은 0.
- 이러한 데이터를 바탕으로 최신 무인기에서 요구 하는 추진기관의 성능 및 엔진 설계 파라미터에 대한 분석을 수행하고자 한다. 즉, 추진기관의 추력, SFC 및 설계변수인 압축비, BPR 등을 기존의 상용 항공기 엔진과 비교하여 그 특성을 분석하고자 한다. 이러한 연구는 현재 국내에서 개발이 진행되거나 진행 예정인 무인기의 개발에 기초자료로 적절하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 현재 해외에서 개발이 진행되고 있거나 완료된 UAV의 임무 및 성능을 검토하고, 각각의 UAV 추진기관의 성능 특성을 분석하였다. 검토한 UAV는 총 10 종으로 무인기에 대한 임무, 최대 운용 고도 및 운용 시간 등의 제원을 조사 하였으며, 추진기관의 성능 및 설계 파라미터에 대한 분석을 수행하였다.
대상 데이터
- 22에 제시되어 있다. MK 951은 2002년 Rolls-Royce Turbomeca 사에서 제작하였으며, Fan 2단, HPC 5단, HPT 1단, LPT 1단으로 구성되어 있다. MK 951은 MK 951H 엔진으로 추력이 증가하여 2006년 개발을 완료하였다.
- 19에 제시되어 있다. TPE331-10은 1978년 Honeywell 사에서 제작하였으며, Compressor 2단, Turbine 3단으로 구성되어 있다. TPE331-10은 MQ-9 Reaper, Dornier Do 228, CASA 212-200 등 다양한 항공기에 적용되어 있다.
- 가스터빈 추진기관 성능 특성을 분석하기 위해 우선 항공기와 추진기관의 상관관계를 검토 하였다. UAV와의 비교를 위해 대표적인 민간항 공기와 군용항공기를 선정하여 비교 검토하였다[22]. Fig.
- 본 연구에서는 검토한 무인기는 총 10종으로, B-2, RQ-4 Global Hawk, X-45A, X-47A, Avenger (Predator C), MQ-9 Reaper (Predator B), X-47B, Phantom Ray, nEUROn, Taranis로무인기에 대한 임무, 최대 운용 고도 및 운용 시간 등의 무인기 제원과 각각의 추진기관에 대한 성능 및 설계변수를 Table 1 에 제시하였다.
성능/효과
- UAV에 적용된 가스터빈 추진기관의 성능분석 결과 대부분의 UAV 추진기관의 OPR은 10~ 30의 값을 가지고 있으며, 기존의 군용항공기 및민간항공기와 비슷한 제원을 갖고 있음을 확인 하였다. BPR가 증가함에 따라 SFC는 감소되는 일반적인 경향이 있음을 확인하였으며, 고고도에서 장시간 체공하여 임무를 수행하는 RQ-4 Global Hawk의 AE3007H 엔진의 경우 BPR이 4.8로 큰 값을 가지고 있었으며, 이때 SFC는 9.35 g/s/kN (0.33 lbm/h/lbf)로 우수한 값을 가지고 있음을 확인하였다. 비추력이 증가함에따라 SFC는 증가하는 경향을 보이고있다.
- 대부분의 UAV 추진기관의 OPR 값은 10~30을 가지고 있으며, 기존의 민간항공기 및군용항공기와 비슷한 성능을 갖고 있음을 확인 하였다. UAV 중 가장 높은 OPR을 보이는 추진 기관은 B-2의 F118-GE-100 엔진으로 35.1 값을 가지고 있음을 확인하였다. 또한, SFC의 경우 정찰을 목적으로 고고도에서 장기체공의 임무를 수행하는 RQ-4 Global Hawk의 AE3007H 엔진 이가장 낮은 9.
- UAV에 적용된 가스터빈 추진기관의 성능분석 결과 대부분의 UAV 추진기관의 OPR은 10~ 30의 값을 가지고 있으며, 기존의 군용항공기 및민간항공기와 비슷한 제원을 갖고 있음을 확인 하였다. BPR가 증가함에 따라 SFC는 감소되는 일반적인 경향이 있음을 확인하였으며, 고고도에서 장시간 체공하여 임무를 수행하는 RQ-4 Global Hawk의 AE3007H 엔진의 경우 BPR이 4.
- 6 이하의 값을 보이며, 민간항공기와 유사한 수준임을 확인하였다. UAV의 wing loading은 400 kgf/m2 이하의 값을 가지고 있으며, 민간항공기 및 군용항공기와 비교해 UAV의 경우 동체에 비해 날개 면적이 상대적으로 크다는 것을 알 수 있으며, 아음속비행 속도영역에서 운용되고 있음을 확인하였다. 또한, 대부분의 UAV의 비행 속도는 1,000km/h 이하의 값으로 민간 및 군용항공기에 비해 상대적으로 느리지만 항속시간의 경우 일반적인 군용기가 5시간 이하인 것과 비교하여 UAV는 5시간에서 최대 35시간으로 큰 값을 가지고 있음을 알 수 있다.
- 가장 낮은 비추력과 SFC 값을 보이는 추진 기관은 RQ-4 Global Hawk의 AE3007H 엔진으로 비추력은 0.35 kN·s/kg 의 값을 가지고 있음을 확인하였다.
- 또한, UAV 성능 특성을 분석하고자 대표적인 민간항공기 및 군용항 공기를 선정하여 비교 검토하였다. 그 결과 UAV의 thrust loading은 0.6 이하의 값을 보이며, 민간항공기와 유사한 수준임을 확인하였다. UAV의 wing loading은 400 kgf/m2 이하의 값을 가지고 있으며, 민간항공기 및 군용항공기와 비교해 UAV의 경우 동체에 비해 날개 면적이 상대적으로 크다는 것을 알 수 있으며, 아음속비행 속도영역에서 운용되고 있음을 확인하였다.
- 8 정도로 큰 차이를 보이고 있기 때문으로 판단된다. 대부분의 UAV 추진기관의 OPR 값은 10~30을 가지고 있으며, 기존의 민간항공기 및군용항공기와 비슷한 성능을 갖고 있음을 확인 하였다. UAV 중 가장 높은 OPR을 보이는 추진 기관은 B-2의 F118-GE-100 엔진으로 35.
- 1 값을 가지고 있음을 확인하였다. 또한, SFC의 경우 정찰을 목적으로 고고도에서 장기체공의 임무를 수행하는 RQ-4 Global Hawk의 AE3007H 엔진 이가장 낮은 9.35 g/s/kN (0.33 lbm/h/lbf) 값을 가지고 있으며, Phantom Ray의 F404-102D 엔진의 경우 가장 높은 23.71 g/s/kN (0.84 lbm/h/lbf) 값을 가지고 있음을 확인하였다. BPR에 따른 SFC는 Fig.
- 또한, 가장 큰 비추력을 보이는 추진기관은 Phantom Ray의 F404-GE-102D이며, 0.81 kN·s/kg 의 값을 가지고 있음을 확인하였다.
- UAV의 wing loading은 400 kgf/m2 이하의 값을 가지고 있으며, 민간항공기 및 군용항공기와 비교해 UAV의 경우 동체에 비해 날개 면적이 상대적으로 크다는 것을 알 수 있으며, 아음속비행 속도영역에서 운용되고 있음을 확인하였다. 또한, 대부분의 UAV의 비행 속도는 1,000km/h 이하의 값으로 민간 및 군용항공기에 비해 상대적으로 느리지만 항속시간의 경우 일반적인 군용기가 5시간 이하인 것과 비교하여 UAV는 5시간에서 최대 35시간으로 큰 값을 가지고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구 결과는 추후 국내 UAV 관련 기술 개발 연구에 기초 연구 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 즉, 추진기관의 추력, SFC 및 설계변수인 압축비, BPR 등을 기존의 상용 항공기 엔진과 비교하여 그 특성을 분석하고자 한다. 이러한 연구는 현재 국내에서 개발이 진행되거나 진행 예정인 무인기의 개발에 기초자료로 적절하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
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