양력 팬을 이용한 복합형 회전익기 개념설계 기법 : Conceptual Design Methodology of Compound Rotorcraft Using Lift Fan

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서울대학교 대학원
복합형 회전익기양력 팬초기 사이징개념설계 기법최적 설계팬 인 바디팬 인 윙
학위논문(석사)--서울대학교 대학원 :공과대학 항공우주공학과,2019. 8. 이관중.
지상 운송 수단의 수가 늘어감에 따라 대도시에서는 교통 체증 문제가 심각해지고 있다. 이를 해결하기 위해 하늘 길을 이용한 도심 간 공중 이동 수단 시스템의 개발이 대두되고 있다. 도심 간 공중 이동 수단으로 제시되고 있는 복합형 회전익기는 고속 기동과 제자리 비행 및 수직 이착륙이 가능한 비행체이다. 수많은 복합형 회전익기 중에, 양력 팬을 이용한 비행체는 저소음과 덕트의 추가 추력이 발생하는 등의 장점이 있다. 본 연구에서는 양력 팬을 이용한 복합형 회전익기의 개념 설계 기법을 개발하였다. 양력 팬을 동체에 장착한 팬 인바디, 날개에 장착한 팬 인 윙, 동체와 날개에 장착한 팬 인 바디윙 형상에 대해 수송 임무 해석과 이륙 총 중량 최소화를 목적 함수로 하는 최적 설계를 수행하였다. 임무 해석은 제자리/축 방향 비행, 전진 비행, 천이 비행 해석으로 구성되어있다. 제자리/ 축 방향 비행 해석은 덕트에서 발생하는 추가적인 추력을 고려한 운동량 이론을 이용하여 팬 해석을 수행하였고, 수직 축 방향 비행을 수행함에 충분한 수직 기동력을 확보하기 위한 추가적인 증량, 양력 팬의 위, 아래 베인에 의한 동력 손실을 고려하였다. 전진 비행 해석은 고정익 해석 기법으로 수행하며, 3차원 효과를 고려하기 위해 오스왈드 팩터를 계산하여 수행하였다. 천이 비행 해석은 천이 비행 간 덕트에서 발생하는 모멘텀 항력을 고려하였다. 최적 설계 결과 팬 인 바디 형상이 이륙 총 중량이 가장 작고 효율적인 형상으로 도출되었다. 양력 팬을 날개에 장착한 형상들은 덕트 깊이를 팬 인 바디보다 크게 할 수 없어 덕트에서 발생하는 추력이 작아 제자리/축 방향 비행의 효율이 현저히 떨어져 전체적인 중량이 증가하였다. 양력 팬이 날개에만 있는 팬 인 윙의 최대 동력이 천이 비행에서 가장 컸으며, 팬 인 바디윙은 양력 팬이 동체와 날개에 장착되어 있어 양력 팬 구동 시스템의 무게가 크게 증가해 공허 중량이 가장 크게 도출되었다. 각 최적 설계 결과를 CATIA를 이용하여 3D 모델링을 수행하였고 형상 별로 비교하였다.
Traffic congestion problems are becoming serious in large cities as the number of ground vehicles increases. To solve this problem, the development of an urban air mobility system is undergoing. The compound helicopter is an aircraft capable of high speed forward flight, hover and vertical take-off and landing. Among the numerous compound helicopter, an aircraft using lift fans has the advantages of low noise and safety due to surrounded by duct. In this study, a conceptual design method for compound helicopter using lift fans was developed. Optimal design was carried out as an object function of minimizing the take-off gross weight for compound helicopter using lift fans. Mission analysis consists of a hover/axis flight, a forward flight, and a transient flight analysis. The hover/axis flight analysis was performed using momentum theory considering the additional thrust generated by ducts. Forward flight analysis is performed with fixed-wing analytical techniques, and Oswald factors are calculated and performed to take into account the three-dimensional effect. The transient flight analysis took into account the momentum drag produced by duct.

Optimal design results were derived for transport missions. Optimal design results in fan-in body features having the smallest take-off gross weight and most efficient fuel consumption. Concepts with lift fans mounted on the wings could not make the duct depth larger than the Fan in Body, resulting in a smaller thrust from the duct, significantly reducing the efficiency of the hover/axial direction flight, increasing the overall weight. The maximum power of Fan in Wing was the largest in the transient flight, while Fan-in-BodyWing was mounted on the fuselage and wing, which greatly increased the weight of the lift fan drive system, resulting in the greatest empty weight. Each optimal design result was 3D modelled using CATIA and compared by concepts.
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