[논문]역설계 기법을 사용한 도심항공 모빌리티용 복합형(틸트로터 + 양력 + 순항) eVTOL의 공력 해석, 요구 동력 및 중량 예측

김동희; 이준희; 황호연

doi:10.12673/jant.2021.25.1.17

역설계 기법을 사용한 도심항공 모빌리티용 복합형(틸트로터 + 양력 + 순항) eVTOL의 공력 해석, 요구 동력 및 중량 예측
Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation of a Compound (Tilt rotor + Lift + Cruise) Type eVTOL for Urban Air Mobility using Reverse Engineering Techniques 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.25 no.1, 2021년, pp.17 - 28

김동희 (세종대학교 물리천문학과, 항공우주공학과) , 이준희 (세종대학교 항공우주공학과) , 황호연 (세종대학교 항공우주공학과, 지능형드론 융합전공학과)

초록
AI-Helper

최근 많은 나라 대도시의 교통체증과 더불어 지구온난화로 인해 차세대 친환경 교통수단인 eVTOL이 각광받고 있다. 본 연구에서는 많은 유형의 eVTOL 중 고정로터와 틸트로터가 결합된 복합형 eVTOL인 현대자동차 S-A1의 외부형상을 벤치마킹하여 역설계 기법을 활용하여 기본 형상을 구현하였다. CATIA를 사용하여 기본 형상을 구현한 후 항공기 설계 및 공력해석 프로그램인 OpenVSP, XFLR5를 사용하여 공력해석을 수행하였고 비교분석을 통해 익형과 붙임각, 상/하반각을 선택한 후 항공기 표면적 및 항력, 양력을 계산하였다. 또한 주어진 임무형상을 수행하기 위한 필요 동력을 산정하고 추정식과 자료조사를 통하여 구성품과 전체 무게를 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, eVTOL, the next-generation of eco-friendly transportation, has been in the spotlight due to global warming along with traffic jams in large cities of many countries. This study benchmark the external features of Hyundai Motors S-A1, a compound eVTOL combined fixed and tilt rotors among many types of eVTOLs, to create the basic configuration using reverse design techniques. Basic configurations were created using CATIA and aerodynamic analyses were performed using the aircraft design and aerodynamic analysis programs, OpenVSP, XFLR5, and the aircraft wetted area, drag, and lift were calculated after selecting the airfoil, incidence angle, and dihedral and anhedral angles through trade study. Also, required powers were estimated for completing the given mission profile and components weight and the total weight were predicted using the estimation formula and data survey.

주제어

표/그림 (34)

그림 그림 1. 미국 eVTOL 시장 예측[4] Fig. 1. US eVTOL market forecast [4].
그림 그림 2. 현대 S-A1 형상 1[2] Fig. 2. Hyundai S-A1 configuration 1 [2].
그림 그림 3. S-A1 임무형상 Fig. 3. S-A1 mission profiles.
표 표 1. eVTOL 국외 연구동향[1] Table 1. eVTOL overseas research trends [1].
그림 그림 4. 주 날개 익형별 Xflr5 3D 공력해석 결과 Fig. 4. Result of Xflr5 3D aerodynamic analysis for main wing airfoils.
그림 그림 5. 주 날개 붙임각 Xflr5 분석 결과 Fig. 5. Result of Xflr5 main wing incidence angle analysis.
표 표 2. 현대 S-A1 제원 Table 2. Hyundai S-A1 specification.
표 표 3. S-A1 설계요구도 Table 3. S-A1 design requirements.
표 표 4. S-A1과 유사한 순항 속도를 갖는 항공기[9] Table 4. Aircraft having similar cruising speed with S-A1 [9].
그림 그림 6. OpenVSP를 이용한 S-A1 형상1 Fig. 6. S-A1 configuration using OpenVSP 1.
그림 그림 7. 현대 S-A1 형상 2[2] Fig. 7. Hyundai S-A1 configuration 2 [2].
그림 그림 8. 꼬리날개 익형별 3D 공력해석 결과 Fig. 8. Result of Xflr5 3D aerodynamic analysis for tail wing airfoils.
그림 그림 9. NACA 0012, NACA 64A-010 익형 비교 Fig. 9. Comparison of NACA 0012 and NACA 64A-010 airfoil.
그림 그림 10. OpenVSP를 사용하여 계산한 주 날개와 꼬리날개의 양력계수 Fig. 10. Calculation of lift coefficient of main wing and tail wing using OpenVSP.
그림 그림 11. Xflr5를 사용하여 계산한 주 날개와 꼬리날개의 양력계수 Fig. 11. Calculation of lift coefficient of main wing and tail wing using Xflr5.
그림 그림 12. OpenVSP를 이용한 S-A1 형상2 Fig. 12. S-A1 configuration using OpenVSP 2.
그림 그림 13. OpenVSP를 사용하여 계산한 S-A1 양력계수 Fig. 13. S-A1 lift coefficient using OpenVSP.
그림 그림 14. 구성품별 유해항력 백분율 Fig. 14. Component parasite drag percentage.
표 표 5. OpenVSP을 사용하여 계산한 S-A1의 표면적 및 부위별 간섭계수 Table 5. Wetted area and the interference factor of S-A1 calculated using OpenVSP.
표 표 6. 순항 조건(M=0.195)에서 계산한 유해항력 Table 6. Parasite drag calculated for a cruise condition (M=0.195).
표 표 7. 순항 조건(M=0.195)에서 계산한 유도항력 데이터 Table 7. Induced drag data calculated for a cruise condition (M=0.195).
표 표 8. Tesla 2170, Tesla 4680 배터리 셀 제원[14][15] Table 8. Tesla 2170, Tesla 4680 battery cell specification [14][15].
그림 그림 15. 호버링 시 필요 동력[21] Fig. 15. Power required for hovering [21].
그림 그림 16. 고도별 호버링 시 필요 동력 Fig. 16. Power required for hovering by altitude.
그림 그림 17. 비에너지별 순항 시 필요 배터리 중량 Fig. 17. Required battery mass for cruise vs. specific energy.
그림 그림 18. 임무별 소모 에너지 백분율 Fig. 18. Energy consumption rate by missions.
표 표 9. 수직이착륙에 필요한 동력 Table 9. Power required for vertical takeoff and landing.
표 표 10. 순항 시 각 배터리별 필요 중량 Table 10. Required weight of each battery for cruise.
표 표 11. 임무별 필요 에너지 Table 11. Required energy for each mission segment.
표 표 12. 배터리 종류별 필요 총 중량 Table 12. Total required battery mass by battery types.
그림 그림 19. Simens 전기 모터[29] Fig. 19. Simens electric motors [29].
그림 그림 20. 각 구성품별 중량 비중 Fig. 20. Weight percentage of each component.
표 표 12. 각 구성품별 중량 예측 Table 12. Weight estimation of each component.
표 표 13. 각 항목별 보정계수[13] Table 13. Correction factor for each component [13].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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