[논문]도심항공 모빌리티(UAM)를 위한 역설계 기법을 사용한 멀티콥터형 eVTOL의 기본 개념설계

최원석; 이동규; 황호연

doi:10.12673/jant.2021.25.1.29

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도심항공 모빌리티(UAM)를 위한 역설계 기법을 사용한 멀티콥터형 eVTOL의 기본 개념설계

Preliminary Conceptual Design of a Multicopter Type eVTOL using Reverse Engineering Techniques for Urban Air Mobility

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology v.25 no.1 , 2021년, pp.29 - 39

최원석 (세종대학교 항공우주공학과 ) ; 이동규 ( 세종대학교 항공우주공학과 ) ; 황호연 ( 세종대학교 항공우주공학과, 지능형드론 융합전공학과)

초록

용어
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대도시 도심의 교통 정체를 해결하기 위한 방법의 하나로 전기수직이착륙 개인항공기(eVTOL PAV)를 활용한 도심항공 모빌리티(UAM)의 관심이 증가하고 있다. 도심항공 모빌리티에 사용할 비행체인 eVTOL은 추진방식에 따라 복합형, 틸트 로터형, 틸트 날개형, 틸트 덕티드 팬형, 멀티콥터형으로 분류된다. 본 연구에서는 멀티콥터형인 에어버스사의 시티에어버스를 기본 모델로 주어진 임무 형상에 맞게 역설계 기법을 사용하여 기본 개념설계를 수행하였다. 공력해석 프로그램인 OpenVSP를 사용하여 표면적과 양항비, 항력계수를 계산하였다. 각 임무 구간별 소요되는 동력을 계산하였고, 그에 맞는 배터리와 모터를 비교하여 선정하였다. 또한 eVTOL 구성품별 중량을 추정하여 전체 총 중량을 예측하였다.

Abstract

As a means of solving traffic congestion in the downtown of large city, the interest in urban air mobility (UAM) using electric vertical take-off landing personal aerial vehicle (eVTOL PAV) is increasing. eVTOL configurations that will be used for UAM are classified by lift-and-cruise, tilt rotors, tilt-wings, tilted-ducted fans, multicopters, depending on propulsion types. This study tries to perform preliminary conceptual design for a given mission profile using reverse engineering techniques by taking the multicopter type Airbus's CityAirbus as a basic model. Wetted area, lift to drag ratio, drag coefficients were calculated using the OpenVSP which is an aerodynamic analysis software. The power required for each mission section of CityAirbus were calculated, and the corresponding battery and motor were selected. Also, total weight was predicted by estimating component weights of eVTOL.

주제어

#eVTOL #UAM #PAV #Multicopter #Aircraft design

표 / 그림 (24)

본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 에어버스 사에서 개발 중인 시티 에어버스의 자료를 바탕으로 역설계 기법을 통한 멀티콥터형 eVTOL 기본 개념설계를 수행하였다.

본 연구에서는 에어버스 사에서 개발 중인 시티 에어버스의 자료를 바탕으로 역설계 기법을 통한 멀티콥터형 eVTOL 기본 개념설계를 수행하였다.

가설 설정

그러나 본 연구에서는 도심에서 짧은 거리를 운행하는 출퇴근용으로 승객 무게 85 kg, 수하물 무게 15 kg으로, 한사람 당 100 kg으로 가정하여 총 유상하중은 400 kg이다.

상용 운송기(CAT aircraft; commercial air transport aircraft) 설계 시 승객 당 최대 중량은 수하물 포함 120 kg이다[26]. 그러나 본 연구에서는 도심에서 짧은 거리를 운행하는 출퇴근용으로 승객 무게 85 kg, 수하물 무게 15 kg으로, 한사람 당 100 kg으로 가정하여 총 유상하중은 400 kg이다.
본 연구에서도 PTOW는 시티에어버스의 설계이륙 총중량인 2, 200 kg으로 가정하였으며, eVTOL 구성품별 중량을 추정하여 CTOW를 계산하였다.

본 연구에서도 PTOW는 시티에어버스의 설계이륙 총중량인 2, 200 kg으로 가정하였으며, eVTOL 구성품별 중량을 추정하여 CTOW를 계산하였다.
수직이착륙 속도는 멀티콥터 항공기의 일반적인 이착륙속도인 5 m/s와 2.5 m/s로 가정하였다[24][25].

수직이착륙 속도는 멀티콥터 항공기의 일반적인 이착륙속도인 5 m/s와 2.5 m/s로 가정하였다[24][25]. 하강 시 필요한 동력은 하강속도와 호버링 속도의 비가 –2보다 작은 경우에만 유효하다.
 값은 알루미늄일 때 220, 유리섬유일 때는 160~180, 탄소 복합재일 때는 137로 가정하였다[33].

값은 알루미늄일 때 220, 유리섬유일 때는 160~180, 탄소 복합재일 때는 137로 가정하였다[33]. 시티 에어버스는 탄소 섬유 프로펠러이므로 _=137로 정하였다[34].

제안 방법

배터리 중량을 계산하기 위해 표 6과 같이 Tesla사 배터리들의 성능을 비교하였고, 에너지 저장에 직접적으로 관여하지 않는 casing, cooling, cabling, connector 등의 구성요소들을 고려하여 패킹 계수(PF) 값을 0.75로 설정하였다 [18].

배터리 중량을 계산하기 위해 표 6과 같이 Tesla사 배터리들의 성능을 비교하였고, 에너지 저장에 직접적으로 관여하지 않는 casing, cooling, cabling, connector 등의 구성요소들을 고려하여 패킹 계수(PF) 값을 0.75로 설정하였다 [18].
본 연구는 표 3에 나타낸 이탈리아의 밀라노 폴리테크니 코 대학교에서 연구한 시티에어버스의 설계값[18]을 바탕으로 중량, 동력 및 항력에 대한 역설계를 통해서 멀티콥터형 eVTOL의 기본 개념설계를 수행하였다.

본 연구는 표 3에 나타낸 이탈리아의 밀라노 폴리테크니 코 대학교에서 연구한 시티에어버스의 설계값[18]을 바탕으로 중량, 동력 및 항력에 대한 역설계를 통해서 멀티콥터형 eVTOL의 기본 개념설계를 수행하였다. 여기서, PTOW는 예측 가능한 이륙중량, CTOW는 직접 계산한 중량의 총합, FoMe 제자리 비행성능이다.
본 연구의 멀티콥터 순항 시 받음각 변화에 따른 요구동력 값을 도출한 후, 현재 공개되어있는 시티에어버스 순항 요구동력과 비교하여 받음각(유동과 깃 끝 회전면 사이의 각)을 결정하는 방식으로 구하였다.

본 연구의 멀티콥터 순항 시 받음각 변화에 따른 요구동력 값을 도출한 후, 현재 공개되어있는 시티에어버스 순항 요구동력과 비교하여 받음각(유동과 깃 끝 회전면 사이의 각)을 결정하는 방식으로 구하였다.
시티에어버스는 멀티콥터형이므로 쿼드로터의 매개변수를 이용하여 순항에 대하여 계산을 수행하였다.

eVTOL 동력하중 값이다[23]. 시티에어버스는 멀티콥터형이므로 쿼드로터의 매개변수를 이용하여 순항에 대하여 계산을 수행하였다. 설계 이륙 총 중량은 2, 014.
현재까지 축소 모델로 100회 이상의 비행 시험을 거쳐 실제 크기의 공기역학적 성능을 입증하였다.

현재까지 축소 모델로 100회 이상의 비행 시험을 거쳐 실제 크기의 공기역학적 성능을 입증하였다.

대상 데이터

8개의 피치 로터는 지멘스(Siemens)사의 SP200D 다이렉트 드라이브 모터 8개를 사용하여 구동된다.

140 kW의 4배 출력을 낼 수 있다. 8개의 피치 로터는 지멘스(Siemens)사의 SP200D 다이렉트 드라이브 모터 8개를 사용하여 구동된다.
배터리는 테슬라 사의 18650, 2170, 4680이 모두 현재의 요구 비행시간인 15분에 적합하였고, 설계 이륙총중량을 낮출 수 있고, 상용화되어있는 2170 배터리를 선정하였다.

배터리는 테슬라 사의 18650, 2170, 4680이 모두 현재의 요구 비행시간인 15분에 적합하였고, 설계 이륙총중량을 낮출 수 있고, 상용화되어있는 2170 배터리를 선정하였다. 공력해석 프로그램인 OpenVSP를 사용하여 표면적을 구하였고, 균일한 유동에서 운동량 이론을 적용하여 각 임무 단계 별 요구동력을 계산하였고 통계 데이터에 기반한 중량 추정식들을 사용하여 각 구성품 및 전체 중량을 추정하였다.
시티에어버스는 3엽 프로펠러로, 각 덕트에 동축반전으로 2개씩, 총 8개의 프로펠러가 존재한다.

시티에어버스는 3엽 프로펠러로, 각 덕트에 동축반전으로 2개씩, 총 8개의 프로펠러가 존재한다. 프로펠러 중량은 아래의 식을 사용하여 계산하였다[33].
시티에어버스는 무게가 50 kg인 지멘스(Siemens)사의 SP 200D 모터(표 8)를 사용한다[30].

시티에어버스는 무게가 50 kg인 지멘스(Siemens)사의 SP 200D 모터(표 8)를 사용한다[30]. 덕트 당 2개의 모터를 동축반전으로, 총 8개의 모터를 장착하므로 모터의 중량은 400 kg이다.
시티에어버스는 출력이 140 kW인 4개의 리튬이온 배터리팩을 사용하며, 상승 동력 2.95 kWh, 하강 동력 4.75 kWh을 포함하여 본 연구에서 계산된 전체 비행에 필요한 에너지를 저장하는데 요구되는 배터리 용량은 112.01 kWh 이다.

시티에어버스는 출력이 140 kW인 4개의 리튬이온 배터리팩을 사용하며, 상승 동력 2.95 kWh, 하강 동력 4.75 kWh을 포함하여 본 연구에서 계산된 전체 비행에 필요한 에너지를 저장하는데 요구되는 배터리 용량은 112.01 kWh 이다.
표 7과 그림 11에서 18650 배터리 팩보다 높은 에너지밀도와 적은 중량을 갖고 상용화된 테슬라 모델 3의 2170 셀 배터리 팩을 본 연구에 선정하였다.

표 7과 그림 11에서 18650 배터리 팩보다 높은 에너지밀도와 적은 중량을 갖고 상용화된 테슬라 모델 3의 2170 셀 배터리 팩을 본 연구에 선정하였다.

저자의 다른 논문

황호연(33)

참고문헌 (34)

1. Mentalfloss, Here's how much traffic congestion costs the world's biggest cities, [Internet]. Available : https://www.mentalfloss.com/article/530705/heres-how-much-traffic-congestion-costs-worlds-biggest-cities.
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12. Urban air taxi, Ehang 184, [Internet]. Available : https://www.urban-air-taxi.com/project/ehang-184/.
13. Theverge, Cora, [Internet]. Available : https://www.theverge.com/2020/2/4/21122341/wisk-flying-taxi-kitty-hawk-boeingcora-new-zealand.
14. eVTOL news, Joby s4, [Internet]. Available : https://evtol.news/joby-s4/.
15. Bellflight, Bell nexus 4, [Internet]. Available : https://www.bellflight.com/404?aspxerrorpath/products/bell-nexus.
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18. M. E. Balli, "eVTOL aircraft conceptual design and optimization," Master thesis, Politechnico Di Milano, Milan, Italy, 2020.
19. Business insider, Cityairbus, [Internet]. Available : https://www.businessinsider.com/cityairbus-makes-first-public-flightairbus-flying-taxi-evtol-2020-7.
20. J. G. Leishman, Principles of Helicopter Aerodynamics, 2nd ed. US: Cambridge Univ Pr, 2006.
21. M. J. Park, J. S. Jang, and D. J. Lee, "Numerical study on aerodynamic characteristics of ducted fan UAV depending on the shape of the duct in hover," in The Korean Society for Aero nautical and Space Sciences KSAS Fall Conference, Jeju: Korea, pp. 32-36, Nov. 2012.
22. P. Pradeep and P. Wei, "Energy efficient arrival with RTA constraint for urban eVTOL operations," American Institute of Aeronautics and Astronautics, Vol. 106, No. 1, pp. 25-57, 2006.
23. L. W. Kohlman, M. D. Patterson, and B. E. Raabe, Urban air mobility network and vehicle type-Modeling and assessment, NASA/TM-2019-220072, February 2019.
24. European Aviation Safety Agency, Certification specifications for small rotorcraft, Nov 2007.
25. M. Shamiyeh, R. Rothfeld, and M. Hornuug, "A performance benchmark of recent personal air vehicle concepts for urban air mobility," in 31st Congress of the International Council of the Aeronautical Sciences, Belo Horizonte: Brazil, pp.1-12, Sep 2018.
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28. Insideevs, Tesla 4680 battery, [Internet]. Available : https://insideevs.com/news/456644/tesla-shows-4860-cells-and-pack/.
29. A. Datta, "Commercial intra-city on demand electric VTOL status of technology," NASA Aeronautics Research Institute, FY 2017 TVF working group-2 report, Jan 2018.
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33. R. M. Plencner, P. Senty, and T. J. Wickenheiser, Propeller performance and weight predictions appended to the Navy/NASA engine program, National Aeronautics and Space Adminstration Lewis Research Center, Cleveland, Ohio, Tech nical Report NAS 1.15:83458, 1983.
34. eVTOL, Carbon fiber ducts, [Internet]. Available : https://evtol.com/features/cityairbus-performs-tethered-first-takeoff/.

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