대한민국은 2013년 나로호 발사 성공으로 세계에서 11번째로 스페이스 클럽에 가입하였다. 이를 토대로 우주개발에 더욱 박차를 가하기 위하여 우주개발 중장기 계획을 수립하였다. 우주개발 중장기 계획에 따르면 2030년에 화성탐사를 계획하고 있지만, 현재 화성탐사에 관한 논의는 거의 이루지지 않고 있다. 화성의 경우 달과 달리 대기가 존재하기 때문에 달탐사에 이용된 기술 이외에 다른 세부기술들을 개발이 필요하다.
우주개발 강국으로 조기 진입을 위해서는 화성탐사 기술에 대한 논의와 연구개발도 시급하게 진행되어야 한다. 현재 우주개발 선진국으로 불리는 미국, 러시아 등은 이미 화성에 탐사선을 보내 활발하게 탐사를 진행 중이고, 유럽과 일본도 화성에 탐사선을 보내기 위한 연구개발이 한창이다. 현재까지 이루어진 화성탐사 방법으로는 궤도탐사와 표면 탐사가 있다. 궤도탐사는 넓은 범위를 탐사 가능하지만 데이터의 해상도가 낮다는 단점이 있다. 이에 반해 표면탐사는 데이터의 해상도가 높지만 탐사 범위가 좁고 험준한 지형으로 접근이 불가능하다는 단점이 있다. 이 두 탐사 방법의 단점을 보완하기 위하여 항공기를 이용한 탐사가 제안되었다. 하지만 화성의 대기 조건은 지구와 다른 관계로 화성탐사 항공기는 지구에서의 항공기와 다른 특성을 가져야 한다.
이런 특성들을 고려하여 본 연구에서는 화성탐사 항공기의 개념설계를 실시하였다. 이를 위하여 화성탐사 항공기에 필요한 익형을 설계하였고, 탐사 지역과 미션을 설정하고 이를 바탕으로 개념설계를 실시하였다.
익형 최적설계를 위하여 다목적 유전 알고리즘을 사용하였고, 층류-난류 천이 위치를 예측하기 위하여 γ- Reθ 모델을 사용하였다. 또한, 익형 형상의 자유도가 천이에 미치는 영향을 판단하기 위하여 PARSEC 함수와 NURBS 곡선을 이용한 형상을 정의하였고, 층류 박리 거품과 천이에 대하여 고찰하기 위하여 항력계수를 압력항력계수와 마찰항력계수로 나누어서 목적함수로 설정하였다. 최적설계된 익형은 NASA의 ARES 프로젝트에서 고려된 ss1f 익형과 성능을 비교하였다. PARSEC을 이용하여 최적설계된 익형은 설계 조건에서는 ss1f보다 천이가 더 후류에서 일어나고 안정성도 높지만, 설계 조건을 벗어나면 성능이 나빠진다. NURBS 곡선을 이용하여 최적설계된 익형은 실속을 지연시켜 최대양력계수가 높고 항력도 낮으며, 익형 주위에서 전면 층류 유동이 나타난다. 또한 넓은 받음각 영역에서 모멘트계수가 변하지 않아 ss1f보다 높은 안정성을 나타낸다. 압력항력계수와 마찰항력계수는 서로 Trade-off 관계 있지만 압력항력계수가 마찰항력계수보다 매우 크기 때문에 압력항력계수를 줄이는 것이 전체 항력을 낮추는데 효과적이다. 이런 이유로 목적함수를 압력항력계수와 마찰항력계수로 나누어 최적설계한 익형은 NURBS 곡선을 이용하여 최적설계된 익형과 성능이 매우 비슷하다.
과학적 탐사 가치 및 항공기를 이용한 탐사의 이점을 살릴 수 있는 지역으로 마리네리스 협곡을 탐사 지역으로 설정하고 그 중 일부 900km를 탐사하는 것을 미션으로 설정하였다. 설정된 탐사 지역 및 미션과 더불어 설계된 익형을 토대로 상용 항공기 개념설계 프로그램인 ADS (Aircraft Design Software)를 이용하여 개념설계를 실시하였다. 개념설계된 항공기는 추진계로 연료전지를 사용하며 Viking Aeroshell에 탑재 가능한 크기로 설계되었다. 또한 설계된 형상에 대해서 RANS 해석을 통하여 공력성능을 검증하였다.

The Republic of Korea has joined the Space Club for the 11th time in the world with the successful launch of the Naro in 2013. Based on this, we have established mid- and long-term plan for space development to spur further development of space. According to the mid- and long-term plan for space development, Mars plans to explore Mars in 2030, but discussions about Mars exploration are rarely done. In the case of Mars, unlike the moon, there are atmospheric conditions, so other detailed technologies other than those used for lunar exploration are needed.
So far, there are orbital and surface exploration methods. Orbital exploration has the disadvantage of low data resolution, although it can probe a wide range. On the other hand, the surface exploration has an advantage that the resolution of the data is high, but the range of the survey is narrow and inaccessibility of the rough terrain. In order to overcome the disadvantages of these two exploration methods, exploration using aircraft has been proposed. However, Mars''s atmospheric conditions are different from Earth''s, and Mars exploration aircraft must have different characteristics from those of Earth''s aircrafts.
In this study, the conceptual design of a Mars exploration aircraft was carried out considering the characteristics of Mars atmosphere. For this purpose, the exploration region and mission is set up, airfoil is designed for the aircraft, and the conceptual design is implemented based on those.
MOGA (Multi-Objective Genetic Algorithm) using the Kriging model is used for optimization and a γ - Reθ model is adopted to predict the laminar-turbulent transition point on the airfoil. Both PARSEC function and NURBS representations are used to define the geometry of the airfoil in order to investigate its effect on the transition. Furthermore, to investigate the laminar separation bubble and transition, the drag coefficient is divided into the pressure drag coefficient and the friction drag coefficient and set as an objective function. The aerodynamic performances of designed airfoils are compared with those of the ss1f airfoil, which was designed for the Mars exploration airplane from the ARES project. Transition of the airfoil using the PARSEC function occurs more downstream and shows more stability than that of the ss1f airfoil. However, the airfoil using the PARSEC function does not have robustness. The airfoil using the NURBS representation has a higher lift coefficient than the airfoil using the PARSEC function and ss1f because of delaying stall. The drag coefficient of the airfoil using the NURBS representation is lower than the airfoil using the PARSEC function, and the ss1f because separation bubble of the airfoil using the NURBS representation is delayed. Moment sensibility of the airfoil using the NURBS representation is lower than the airfoil using the PARSEC function and ss1f for a wide range of α. Although the pressure drag coefficient and the friction drag coefficient are related to each other in trade-off relationship, since the pressure drag coefficient is much larger than the friction drag coefficient, reducing the pressure drag coefficient is effective in lowering the total drag. For this reason, the airfoil of optimum design divided by the pressure drag coefficient and the friction drag coefficient is very similar to the airfoil using the NURBS representation.
By considering scientific value and merit of airplane, 900km near the upper stream of Marineris Valley is determined as exploration region. Aircraft Design Software (ADS), a commercial aircraft design program, was used to design the conceptual aircraft with the exploration region, missions and the designed airfoil. Conceptually designed aircraft use fuel cell as propulsion system and are designed to be mountable on Viking Aeroshell. Also, aerodynamic performance was verified by RANS analysis on the designed configuration.