Planform optimization of Unmanned Combat Aerial Vehicle considering longitudinal stability and Low-Observability using Variable-Fidelity Method

Abstract

Considering the mission profile of the Unmanned Combat Aerial Vehicle(UCAV), efficient long-range and long-endurance flight must be available for penetrating enemy lines with weapons. At the same time, survivability undetected by enemy radar and moderate stability are needed. As a result, it is necessary to consider not only aerodynamics but also various performances from the design stage. In particular, due to the vortex generated from the leading edge, a high fidelity solver is required for the flow analysis. Existing studies, however, have an obvious limitation in that they considered only aerodynamic characteristics or used low fidelity flow solver though with consideration of other characteristics of UCAV. Accordingly, optimization of the UCAV planform with RANS flow solver and Radar Cross Section(RCS) analysis is conducted in this research. A generic measure of aerodynamic performance, L/D at cruising flight and for considering the stability during the climbing, maximum available lift before pitchbreak onset where aircraft loses longitudinal stability are set to be objectives. Also, RCS is regarded as a constraint for Low-Observability of the UCAV. Accordingly, to reduce excessive computational cost due to the multi-point and multi-disciplinary design, Variable Fidelity Modeling(VFM) is used as a Hierarchical Kriging surrogate model. The Pareto set is derived from the Multi-Objective Genetic Algorithm in the constructed surrogate model, and three configurations on the Pareto set were selected and analyzed through high fidelity analyses. As a result, the performance of the two objectives improves than the baseline, and the sensitivity analysis is conducted to analyze how their trends move as the design variables change. This study has significance in that it improves the performance of cruising flight and longitudinal stability of climbing flight while assuring Low-Observability of the UCAV planform.

무인전투기는 무기를 싣고 적진으로 침투하는 임무 형상에 따라 장거리 및 장기 체공 왕복 비행이 가능해야 하며 이와 동시에 비행 안정성 및 적군의 레이더에 탐지되지 않는 생존성이 보장되어야 한다. 이에 따라 무인전투기 형상 설계 단계부터 공력 뿐만 아니라 다양한 성능을 동시에 고려한 해석이 필요하다. 특히 공력에 있어 앞전에서 발생하는 와류의 영향으로 인해 높은 정확도의 해석자를 필요로 한다. 하지만 기존 연구들은 형상 설계 단계에서 공력 특성만을 고려하거나 다른 특성들을 고려하여도 낮은 신뢰도의 유동 해석자를 사용한 점에서 분명한 한계를 지닌다. 따라서 본 연구는 RANS 솔버와 레이더 단면적 분석을 통한 무인전투기 플랜폼 최적화를 수행하였다. 장거리 및 장기 체공 성능과 관련되어 공력 성능 척도로 흔히 사용되는 순항 비행시의 양항비와 상승 비행 시 종방향 안정성을 잃게 되는 pitchbreak 현상이 발생하기 이전의 받음각 영역에서 발생시킬 수 있는 최대 양력을 증가시키도록 두 목적 함수를 설정하였고, 저피탐성을 고려하기 위하여 레이더 단면적을 제약조건으로 설정하였다. 이에 따라 다지점 및 다학제간 설계로 인한 과도한 계산 비용을 줄이기 위하여 다중정확도 모델링 기법으로 계층적 크리깅 대리 모델이 사용되었다. 생성된 대리 모델을 기반으로 다목적 유전자 알고리즘을 통하여 Pareto set을 도출하였으며, 그 중 3개의 형상을 선정하여 고정확도 해석을 진행하였다. 그 결과 기존 형상에 비하여 두 목적 함수의 성능이 향상되었으며, 민감도 분석을 통하여 설계 변수가 변화함에 따라 그들의 거동이 어떻게 변하는지 분석하였다. 본 연구는 UCAV플랜폼의 저피탐성을 보장하면서 순항 비행시의 성능과 상승 비행시 종방향 안정성을 향상시켰다는 점에서 의의가 있다.