본 연구에서는 공기역학적 성능을 고려하여 인간의 힘만으로 이륙할 수 있는 초경량 인간동력 항공기의 개념설계를 수행하였다. 이를 위해 조종사를 포함한 항공기 전체 무게를 결정한 이후 적절한 익형을 선정하여 주날개/보조날개를 설계하였다. 설계된 비행기의 형상을 기초로 3차원 전산해석을 하였으며, 이를 통해 양력/항력 등의 성능계수 및 항공기 무게 중심(CG)에 대한 계산을 수행하였다. 그 결과 비행기의 양력 및 추력이 양력 및 추력의 제한 조건을 만족하였다. 또한 비행기의 무게 중심(CG)이 주익의 공력 중심(AC)에 위치함으로써 26%의 정적 안정성이 보장되었다.
본 연구에서는 전기 동력 소형 고정익 무인항공기의 낮은 레이놀즈 영역 및 최소한의 제원으로 운용에 필요한 성능을 일반적인 이론 분석으로 예측하였다. 이를 간단한 전기모터 풍동시험과 실증 비행시험을 통해 비교 분석하여 이론 분석의 타당성을 확인하였다. 분석한 결과의 타당성 확인 결과, 3.5 kg의 고정익 소형 무인항공기는 일반적인 이론분석으로 공력 성능의 분석이 가능하지만, 필요추력은 설계오류가 발생할 가능성이 있는 것으로 확인된다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 낮은 레이놀즈 영역에서 비행하는 유사 소형 고정익 무인항공기 개발 시 설계오류를 최소화 하는 방법을 제안하였다.
군용항공기 감항인증은 감항성을 가지고 요구된 성능과 기능을 발휘할 수 있음에 대한 정부의 인증이다. 북대서양조약기구(NATO)는 최대이륙중량 150kg 이상의 군용무인기에 대한 감항인증 요구도인 STANAG-4671을 2009년에 배포하였다. 최근 150kg 미만의 소형무인기에 대한 감항인증 요구도인 STANAG-4703을 내부적으로 배포하여 검토 중에 있다. 우리나라는 국제적으로 통용되는 감항인증 기준인 STANAG-4671을 기타감항인증 기준으로 준용하여 군용무인기에 적용하고 있다. 하지만 STANAG-4671은 중량에 관계없이 동일한 목표안전수준을 요구하여 낮은 중량의 중 소형무인기에 대해서는 목표안전수준이나 설계 요구도가 과도하게 적용될 수 있다. 따라서 본 연구에서는 군용무인기 분류와 감항인증 기준을 분석하고, 지상피해 평가기법을 적용하여 최대이륙중량별 목표안전수준을 제시하였다.
윙렛은 유도항력을 줄이기 위한 장비로, 1980년대부터 보잉사에서 제작한 항공기에 장착되기 시작했고, 에어버스에서는 2009년부터 'Sharklet'이라는 이름의 윙렛을 개발하여 A320 Family에 장착 옵션으로 제공하기 시작했다. 윙렛은 날개 끝단에서 발생하는 유도항력을 감소시켜 이륙성능 향상, 연료소모량 감소, 유상탑재량 증대 및 운항거리 증가의 효과를 내고 있다. 본 연구는 Sharklet이 장착된 A321 항공기와 미장착된 A321 항공기의 실제 운항 데이터를 분석하여 윙렛 장착에 따른 연료 효율성 향상을 검증하고 이에 따른 경제성 분석을 목적으로 한다. 이를 통해 항공기 도입 시 윙렛 장착 사양 결정 혹은 기존 항공기의 업그레이드를 위한 의사 결정에 활용할 수 있다. 이를 위해 윙렛 장착에 따른 공력 특성 연구 사례조사와 효과 확인 연구를 수행하고 경제성을 검증하였다.
본 연구에서는 비행 중 PW4000 엔진의 축류압축기에서 발생된 서지 현상이 엔진성능에 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 이륙조건에서는 항공기의 엔진성능이 급격히 변화하므로 순항할 때 보다 자주 서지가 발생할 수 있다고 판단된다. EPR은 서지 발생과 동시에 급격히 저하하는 것으로 나타나 민감도가 가장 컸다. 엔진 rpm과 Wf도 EPR과 거의 동일한 경향이었으며, Vibration 변화는 크지 않았으나 N1 Vibration 변화가 상대적으로 크게 나타났다. 따라서 비행 중 EPR, N1 rpm, Wf 값이 급격히 저하되고 EGT가 비선형적으로 상승하는 상태를 서지 발생 감지에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
가스터빈 엔진에 대한 엔진 진단기술에 대한 관심이 높아지고 있으며, 엔진 건전성 진단기술에 적용 가능한 정확한 엔진 성능모사 프로그램의 중요성은 점점 더 커지고 있다. 이를 위한 엔진 성능모사는 설계점 해석으로부터 시작하여 탈설계점 성능모사, 부분부하 성능모사를 정확하게 수행해야 할 필요가 있다. 이에 따라 본 연구에서는 2-스풀 분리 배기 방식 터보팬 엔진에 대한 엔진 시뮬레이션 프로그램을 개발하고 PW(Pratt & Whitney)사의 JT9D-7R4G 엔진을 해석하였다. 각 비행영역에서의 설계점과 탈설계점에서의 정상상태 성능모사를 수행하고, 최대이륙조건 설계점과 순항상태 설계점의 해석결과의 차이를 비교하였다. 또한 구성품 성능선도 축척법 중 하나인 Reynold's Correction의 효과를 분석하였다. 개발된 프로그램의 결과와 NPSS의 결과를 비교하여 프로그램을 검증하였다.
발사체는 발사되기 수일 전에 발사탑에 세워져 체크과정 및 연료공급 등을 수행하게 되므로 발사까지는 계속 외부의 열환경에 노출되게 된다. 발사체의 페어링에 대한 발사전 가열 해석(Prelaunch Thermal analysis)은 발사시 페어링의 최대/최소 온도 예측 및 공조 설비(air conditioning system)의 성능 예측을 목적으로 수행된다. 본 연구에서는 범용 열해석 프로그램인 Sinda/Fluint 이용하여 Delta II 페어링에 대하여 발사전 가열 해석을 수행하였으며, 그 결과를 Delta II 보고서 자료와 비교 및 분석하였다.
선진 각국에서는 고효율, 친환경 에너지 공급 및 이용 기술, 그리고 효율적인 에너지 절약 기술 개발에 관한 연구 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 연구 중 항공기 분야에서는 전동기로 프로펠러를 회전시키는 전기추진 항공기에 대한 관심과 수요가 증가하고 있다. 소형 항공기 추진용 전동기는 엔진과 함께 소형 항공기의 주 구동원으로서 중요성이 강조되고 있다. 또한 근래에 전동기의 비중이 커짐에 따라 고출력, 고효율화 되고 있는 추세이다. 본 논문에서는 항공 운항 패턴 중 이륙, 상승, 순항구간에 따라 각각 요구하는 성능을 만족하는 고출력, 고효율 전동기 개발에 대해 다루었다.
세계적으로 석유 연료를 대체할 에너지원인 전기에너지에 대한 관심이 높아지고 있고, 전기자동차 뿐만 아니라 항공기에 사용할 고출력 전동기에 관한 연구 및 개발이 진행되고 있다. 고출력 밀도를 갖는 전동기의 경우 방열설계가 잘되어 있지 않으면, 발열로 인한 전동기의 성능과 내구성 및 수명이 단축되게 된다. 본 논문에서는 소형 항공기의 이륙, 상승, 순항구간에 요구되는 출력특성을 만족하도록 설계된 전동기에 대해, 항공 운항 Mission Profile의 출력 및 시간변동에 따른 온도 특성을 분석해 보았다.
항공기의 날개에 걸리게 되는 하중은 설계단계에서 고정되기 때문에 이륙과 착륙 같은 특수한 상황에서는 Flap이나 슬렛 등의 고양력 장치를 이용하여 날개 단면 형상을 변화시킴으로서 양력계수의 변화를 유도하고 그에 따라 각 임무별 최적의 공력 성능을 제공할 수 있게 된다. 따라서 본 논문은 에어포일의 보다 효율적인 양력을 위해 slotted flap사이에 양력 향상 Tab을 설치하여 EDISON-CFD을 이용하여 분석하였다. 그리고 그 효과와 익형에 얻어지는 양력계수를 비교하였다. 에어포일의 Slotted Flap에 양력 향상 Tab의 유무에 따른 유동 장을 분석하여 양력을 수치 해석 적으로 비교해 보았다. 결과에서 얻어진 상수를 비교하였고 양력 향상 Tab의 효과를 분석해 보았다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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