eVTOL 무인기 날개의 양력 로터 부착 위치에 따른 공력 특성 연구 :A Study on the Aerodynamic Characteristics According to the Position of Lift-Rotors on the eVTOL UAV Wing

권순목

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자료유형: 학위논문

저자정보: 권순목 (세종대학교, 세종대학교 대학원)

지도교수: 안존

발행연도: 2022

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

eVTOL 무인기 날개의 양력 로터 부착 위치에 따른 공력 특성 연구

권순목 항공우주공 2022.01 학위논문

2021

eVTOL 무인기 날개의 양력 로터 부착 위치에 따른 정지비행 시 공력 특성 연구

권순목 , 홍원섭 , 김도연 외 1명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2021.07 학술대회자료

2020

eVTOL 무인기 날개의 양력 로터 부착 위치에 따른 순항 시 공력 특성 연구

권순목 , 홍원섭 , 김도연 외 1명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.11 학술대회자료

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Lift&Cruise(Lift+Cruise), 혹은 SLT(Separate Lift and Thrust)라고 불리는 유형의 eVTOL(Electric Vertical Take-Off and Landing) 항공기는 수직이착륙 시에는 멀티콥터처럼 여러 개의 양력 로터를 통해 양력을 발생시키며, 순항 시에는 양력 로터를 멈추고 동체에 부착된 추력 로터를 작동하여 비행한다. 양력 로터는 항공기 개발사에 따라서 로터가 붐의 상부에 부착되는 경우, 하부에 부착되는 경우, 동축반전 로터 형태로 부착되는 경우 등 다양한 모습을 보이나, 양력 로터의 부착 위치가 항공기의 공력 성능에 미치는 영향에 대해서는 체계적인 연구가 진행되지 않은 상태이다.
본 연구에서는 전산유체해석을 통해 Lift&Cruise eVTOL 무인기 날개의 양력 로터 부착 위치에 따른 정지비행 시, 천이비행 시의 공력 성능을 비교하고, 공력적인 관점에서 가장 우수한 성능을 가지는 양력 로터 부착 위치를 파악하고자 하였다. 해석 형상은 4개의 양력 로터를 가지는 Lift&Cruise eVTOL 무인기의 한쪽 날개를 모사하여 자체 설계한 형상을 사용하였으며, 양력 로터 부착 위치에 따라 4개의 형상으로 나누어 해석을 진행하였다. 유동장의 전산 해석을 위해 상용 프로그램인 ANSYS Fluent 2020 R2를 사용하였고, 회전하는 로터 주위의 복잡한 유동을 모사하기 위해 비정상 상태로 해석을 수행하였으며, 회전 영역의 격자가 비회전 영역에 대해 강체처럼 회전하는 Sliding Mesh 기법을 사용하였다. 해석 결과, 정지비행 조건에서는 양력 로터 부착 위치에 따른 양력 특성이 큰 차이를 보이지 않았다. 그러나 천이비행 조건에서는 전·후면 로터 사이의 효율, 전체 날개 시스템의 양력과 항력 및 피칭모멘트 특성에서 뚜렷한 차이가 나타나는 것을 확인하였다.
본 연구를 통하여 최근 각광받고 있는 소형 eVTOL 무인기 시스템 형상 설계에 대한 방향성을 일부 제시하였고, 제어 모델링에 필수적인 천이비행 시 공력 특성 해석 기법을 제시하였다. Phantom4 로터와 비슷한 크기의 양력 로터를 사용하는 소형 Lift&Cruise eVTOL 무인기를 설계할 경우, 양력 로터 부착 위치 결정을 위한 기초 자료로서 본 연구 내용을 활용할 수 있을 것으로 기대한다. 또한, eVTOL 로터의 디스크 하중은 비행체 중량 및 전진 속도에 따라 선정하게 되는데, 본 연구의 문제 접근 방법 및 결과는 scailing을 통하여 UAM 등의 유·무인 복합 eVTOL 설계에 확대 적용이 가능하다.

A type of eVTOL(Electric Vertical Take-Off and Landing) aircraft called Lift&Cruise(Lift+Cruise) or Separate Lift and Thrust(SLT) generates lift through several lift-rotors, such as multicopters, upon vertical take-off and landing. And on cruise flight, aircraft stop lift-rotors and operate thrust rotor attached to the fuselage. The lift-rotor has a variety of appearances depending on the aircraft developer, such as when the rotor is attached to the top of the boom, when it is attached to the bottom of the boom, and in the form of a coaxial rotors. However, no systematic research has been conducted on the aircraft''s aerodynamic performance according to the position of lift-rotors.
Through computational fluid analysis, this study attempted to compare the aerodynamic performance during hovering and transition condition according to the lift-rotor attachment position of the wing of the Lift&Cruise eVTOL UAV, and to determine the location of the lift-rotor with the best performance from an aerodynamic perspective. The eVTOL UAV wing geometries for computational analysis were self-designed by imitate half wing of a Lift&Cruise eVTOL UAV with four lift-rotors, and were divided into four shapes according to the position of the lift-rotor attachment. The commercial program ANSYS Fluent 2020 R2 was used for computational fluid analysis. The analysis was performed in an transient state to simulate complex flow around the rotating rotor, and the Sliding Mesh method was used in which the mesh of the rotation area rotates like a rigid body. As a result of the analysis, there was no significant difference in lift characteristics according to the position of attachment of the lift-rotor under the hovering condition. However, under transition conditions, it was confirmed that there were distinct differences in efficiency between front and rear rotors, lift, drag, and pitching moment characteristics of the entire wing system.
Through this research, some directions for shape design of small eVTOL UAV systems that have recently been in the spotlight, and a technique for analyzing aerodynamic characteristics in transition flight, which is essential for control modeling, were presented. When designing a small Lift&Cruise eVTOL UAV using a lift-rotor similar in size to the Phantom4 rotor, it is expected that the contents of this study can be used as basic data for determining the location of the lift-rotor attachment. In addition, disk loading of the eVTOL rotor is selected according to the vehicle weight and forward speed, and the problem approach and result of this research can be extended to the design of eVTOL, etc. such as UAM, through scaling.

#양력 로터(Lift-Rotor) #복합형 항공기(Lift&Cruise Aircraft) #전기 추진 수직이착륙기(eVTOL) #공력 특성(Aerodynamic Characteristics) #전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 선행 연구 사례 3
3. 연구 목적 7
Ⅱ. 해석 모델 10
1. 모델 선정 10
1.1 로터 형상 선정 10
1.2 해석 모델 선정 11
2. 해석 영역 설정 13
Ⅲ. 전산유체해석 14
1. 해석 경계 조건 14
2. 해석 격자 생성 18
3. 전산 해석 기법 20
3.1 RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes) 방정식 20
3.2 MRF(Moving Reference Frame) 해석 기법 21
3.3 SMM(Sliding Mesh Model) 해석 기법 23
3.4 난류 모델(SST k-ω Model) 25
3.5 Fluent Solver 설정 26
Ⅳ. 전산 해석 결과 27
1. 추력 실험 결과와 전산 해석 비교 27
2. 비행 조건에 따른 공력 특성 비교 31
2.1 정지비행 조건 31
2.2 천이비행 조건 37
Ⅴ. 결 론 63
참고문헌 66
ABSTRACT 69

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