운용 조건을 고려한 태양광 추진 고고도 장기체공 항공기 날개의 다점 최적 설계

Abstract

본 연구에서는 태양광 추진 고고도 장기체공 항공기 날개에 대해 운용 조건을 고려한 다점 최적설계를 수행 하였다. 해당 항공기의 임무 형상을 설계에 반영하여 전 임무 영역에서 요구 동력 및 날개의 변형을 최소화하였다. 최적설계를 위해 공력해석과 구조해석을 연계하여 두 결과가 수렴할 때까지 계산을 반복하였다. 3차원 Euler equation으로 공력 해석을 하였으며, 구조 해석은 UM/VABS로 해석한 단면 해석 결과를 1차원 보 해석에 반영하여 수행하였다. 설계 시 적용된 기저형상은 가장 긴 무인체공비행기록을 갖고 있는QinetiQ사 Zephyr의 날개이다. 다목적 최적화 유전 알고리즘인 NSGA-II를 이용하여 날개의 공력 및 구조 성능을 향상시켰고 이를 통해 항공기의 장기체공 능력을 보다 향상 시킬 수 있었다.

Multi-point design optimization of S-HALE wing is conducted considering its operating conditions. The mission profile of the aircraft is reflected to optimization process and required power and deflection in every operating condition are minimized. The aero-structural characteristics according to design variables are analyzed iteratively to optimize design. 3-D Euler equation is used as a governing equation to calculate aerodynamic properties. For structural analysis, UM/VABS compute cross-sectional properties and the results are applied to 1-D beam analysis. Baseline shape is wing of QinetiQs Zephyr and it has the world record for the longest duration. Before the design optimization, parametric study of aeroelastic performance is performed to determine the design variables. The aerodynamic and structural performances are improved using the NSGA-II suitable for multi-objective design problem. From the results in this study, two optimized wing shape which have better endurance capability than baseline are obtained.