[논문]스마트 무인기 비행하중 해석

신정우; 이상욱; 김성준; 김태욱; 김성찬; 황인희

스마트 무인기 비행하중 해석
Flight Loads Analysis of Smart UAV 원문보기

신정우 (한국항공우주연구원) , 이상욱 (한국항공우주연구원) , 김성준 (한국항공우주연구원) , 김태욱 (한국항공우주연구원) , 김성찬 (한국항공우주연구원) , 황인희 (한국항공우주연구원)

KARI(Korea Aerospace Research Institute) has developed smart unmaned aerial vehicle(UAV) since 2002. Smart UAV has tilt rotor configuration which can take off and land vertically. For designing and developing smart UAV, it is necessary to obtain design loads. ARGON which use the panel method is multidisciplinary aircraft design program developed and modified by KARI and TsAGI. Panel method is very useful to obtain aerodynamic loads, so it have been used widely for aircraft loads analysis. For flight loads analysis, we have to prepare regulations and load conditions, and then design aerodynamic panel model, mass model and structure model. In this paper, we introduce the flight loads analysis procedure briefly, and show the smart UAV loads analysis procedure and result using ARGON.

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문제 정의

본 논문에서는 항공기 통합설계 프로그램인 ARGON을 이용하여 스마트 무인기의 비행하중해석 과정과 결과를 간략히 소개하였다. 하중해석을 위해서는 정확한 규정분석 및 적용, 그리고 하중조건 선정이 필요하며, 적절한 공력, 중량 그리고 구조 모델을 설정하여야 한다.

가설 설정

천이 기동 하중을 해석하기 위해 오일러 (Euler) 운동 방정식의 해를 구한다. 축방향 하중계수는 0으로, 기동중 항공기 의 속도와 고도는 일정한 것으로 가정한다. 수치 해석적 방법을 써서 운동방정식을 풀 수 있으며, ARGON에서는 Runge-Kutta 방법⑸을 적용한다.
여기서 〃은 마하수이다. 포텐셜 의 해(4)의 수치해석을 위해 항공기를 사다리꼴 형상의 패널로 나누고 각 패널에 일정한 강도의 특이 와류 (Vortex Singularity)가 분포하는 것으로 가정한다. 받음각(Angle of Attack)이 주어질 때 무차원 압력 계수 ｛址｝ 를 Eq.

제안 방법

초기에 방향타(Rudder)가 없는 TR-E1 형상이 었으나, 보다 향상된 성능을 위해 T-tail 형상의 TR-S1으로 변경하였다. 2가지 형상에 대한 하중 해석을 수행하였으며, TR-E1은 항공기를 강체로 가정하고 해석을 수행하였으나 TR-S1은 탄성체로 모델링 하여 해석을 수행하였다. 여기서는 TR-S1의 순항모드(Cruising Mode)에 대한 하중해석 모델을 제시한다.
R-S1 항공기의 중량은 945kg 이며, 전체 744개의 질량패널(Mass Panel)과 질량점 (Point Mass) 으로 모델링 하였다. 주익과 수평/수직 미익과 같은 양력면은 분포 하중이 중요하므로 구조 무게 는 모두 질량 패널로 모델링 하였으며, 그 밖의 중량은 모두 질량점으로 모델링 하였다.
5는 주 익(Wing)의 익형(Airfoil) 모델이다. 공기력 모델은 항공기의 형상을 고려하여 기체의 절반만을 모델 링 하였으며, 전체를 846개의 공기력 패널 (Aerodynamic Panel)로 모델링 하였다.
균형 기동 운동에 해당하는 자세각, 힘, 그리고 모멘트를 초기해로 하여, 기동의 시간에 따른 변화를 고려하여 하중을 구한다. 천이 기동 하중을 해석하기 위해 오일러 (Euler) 운동 방정식의 해를 구한다.
수평/수직 미익 (Horizontal/Vertical Tail)은 대칭형 익형이므로 익형 모델을 하지 않았다. 날개 양쪽 끝의 로터(Rotor)는 모델링을 하 지 않고 나셀(Nacelle)만을 모델링 하였으며, 동체 와 마찬가지로 실제 면적보다 줄여서 모델링 하였다.
동체 (Fuselage)는 원통형임을 고려하여 공기력 모델을 실제 면적보다 줄여서 모델링 하였으며, 평면뿐만 아니라 수직면도 패널로 모델링 하였다. 동체는 양력면(Lift Surface)이 아니므로 실제 보다 면적을 줄여서 설계함으로서 양력을 거의 받지 않게 해야 한다.
본 논문에서는 ARGON을 이용한 스마트 무인 기의 비행하중해석 과정을 간략히 기술하고, 그 결과로서 항공기 구조설계에 기본이 되는 항공기 각 부분의 VMT(Shear, Bending Moment & Torsion)를 제시한다.
주익 이외의 모든 부분에 대해서도 구조 모델 링을 하였으며, 모든 구조물은 복합재료로 설계 하였다. Fig.
R-S1 항공기의 중량은 945kg 이며, 전체 744개의 질량패널(Mass Panel)과 질량점 (Point Mass) 으로 모델링 하였다. 주익과 수평/수직 미익과 같은 양력면은 분포 하중이 중요하므로 구조 무게 는 모두 질량 패널로 모델링 하였으며, 그 밖의 중량은 모두 질량점으로 모델링 하였다.
스마트 무인기 형상은 TR-E1과 TR-S1 2가지이다. 초기에 방향타(Rudder)가 없는 TR-E1 형상이 었으나, 보다 향상된 성능을 위해 T-tail 형상의 TR-S1으로 변경하였다. 2가지 형상에 대한 하중 해석을 수행하였으며, TR-E1은 항공기를 강체로 가정하고 해석을 수행하였으나 TR-S1은 탄성체로 모델링 하여 해석을 수행하였다.
하중 해석의 결과는 항공기 각 부분에 대해 전 단력 (Shear Force, V), 굽힘 모멘트(Bending Moment, M), 그리고 비틀림 모멘트(Torsion, T)로 나타낼 수 있으며, 모든 하중조건의 VMT를 비교하여 구조해석에 적용하기 위한 중요하중조건 (Critical Load Condition)을 선정하게 된다. 또한 구조해석에서 사용할 수 있는 각 공력 패널과 중 량점에서의 공기력과 관성력 값을 얻을 수 있다.

이론/모형

ARGONe 패널(Panel)해석 방법의 하나인 DLM (Doublet Lattice Method)을 사용한다. 항공기 에 작 용하는 압력분포는 속도 포텐셜(Velocity Potential) ©에 대한 선형 미분 방정식 (Eq.
축방향 하중계수는 0으로, 기동중 항공기 의 속도와 고도는 일정한 것으로 가정한다. 수치 해석적 방법을 써서 운동방정식을 풀 수 있으며, ARGON에서는 Runge-Kutta 방법⑸을 적용한다. 이는 균형기동하중 방법보다 약간 작은 하중을 구하게 되면 실제와 더 가깝다.
균형 기동 운동에 해당하는 자세각, 힘, 그리고 모멘트를 초기해로 하여, 기동의 시간에 따른 변화를 고려하여 하중을 구한다. 천이 기동 하중을 해석하기 위해 오일러 (Euler) 운동 방정식의 해를 구한다. 축방향 하중계수는 0으로, 기동중 항공기 의 속도와 고도는 일정한 것으로 가정한다.

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