Empennage Design of Solar-Electric Powered High Altitude Long Endurance Unmanned Aerial Vehicle

KARI is developing a solar-electric powered HALE UAV(EAV-3). For demonstrating the technology, EAV-2H, a down-scaled version of EAV-3, is developed and after EAV-2H's initial flight test, the directional stability and control need to be improved. Thus, the vertical tail and rudder of EAV-2H are redesigned with Advanced Aircraft Analysis(AAA). Size of the rudder is increased from mean chord ratio of rudder to vertical tail, $C_r/C_v(%)=30$ to $C_r/C_v(%)=60$ and size of the vertical tail is reduced 15%. As a result, the directional control to side wind($v_1$) is improved to sideslip angle, ${\beta}(deg)=25^{\circ}$ and $v_1(m/sec)=3.54$. Also, variation of airplane side force coefficient with sideslip angle ($C_{y_{\beta}}$) and variation of airplane side force coefficient with dimensionless rate of change of yaw rate ($C_{y_r}$) are reduced 15% and 22%, respectively to minimize the effect of side wind. The empennage design of EAV-2H is verified with flight tests and applied to design of KARI's solar-electric-powered EAV-3.

고고도 장기체공 전기 동력 무인기의 꼬리 날개 설계

한국항공우주연구원(KARI)은 고고도 전기추진 장기체공 무인기(EAV-3)를 개발하고 있는 중 이다. 우선 고고도 상승 기술 시연을 위한 축소형 비행체 EAV-2H를 개발하였고 EAV-2H로 초도 비행시험을 수행한 결과 측풍에 대한 방향 안정성 및 조종성의 향상이 요구되므로 Advanced Aircraft Analysis(AAA)를 이용한 수직 꼬리날개와 방향타의 재설계를 진행하였다. 방향 조종성을 개선하기위해 방향타의 크기를 기존의 평균 방향타 시위대 수직 꼬리날개 시위 $C_r/C_v(%)=30$을 $C_r/C_v(%)=60$로 늘려 EAV-2H가 가지는 측풍에 대한 방향 조종성(${\beta}(deg)=25^{\circ}$, $v_1(m/sec)=3.54$)을 개선하였다. 또한, 측풍에 의해 발생하는 측력(side force)의 영향을 최소화하기위해 EAV-2H의 수직미익 크기를 기존 대비 15% 줄여(최소한의 방향 안정성 확보, $Cn_{\beta}=0.0588rad^{-1}$), $C_{y_{\beta}}$는 15% $C_{y_r}$는 22% 감소시킴으로써 측풍이 EAV-2H에 미치는 영향을 최소화 하였다. 설계된 EAV-2H의 꼬리날개의 성능은 비행 시험을 통해 검증하였고 그 결과를 적용하여 고고도 장기체공 전기추진 무인기(EAV-3)의 꼬리날개를 설계하였다.