Generic System Design Methodology for eVTOL Aircraft using Enhanced Electric Propulsion Modeling

Abstract

항공기 전동화와 더불어, 항법 시스템 및 수직이착륙 기술의 발전은 새로운 항공 운송시스템인 차세대 항공교통(Advanced Air Mobility) 이라고 하는 항공 운송 시스템의 혁신을 가능케 하였다. 현재 700여종 이상의 차세대 항공교통용 전기동력 수직이착륙 항공기가 개발 중인 것으로 알려지고 있으며, 이들은 전기동력 기반 추진시스템을 이용함에 따라 얻어지는 높은 설계 자유도에 의해 다양한 수직이착륙 항공기 형상, 비행 메커니즘을 가진다. 즉, 차세대 항공용 수직이착륙 항공기를 설계하기 위해선 특정 컨셉에 국한되지 않는 범용성을 갖춰야 한다. 또한 도심을 비롯해 지역 거점 간 비행하기 때문에 회전익 시스템으로부터 발생하는 소음 또한 설계의 성능 지표로 활용되어야 한다. 한편, 현재 배터리 기술이 갖는 한계에 의해, 차세대 항공교통용 전기동력 수직이착륙 항공기는 도심 주변 비행 용도로 완전 전기추진방식을, 지역 거점 간 비행 용도로 하이브리드 전기추진방식을 채택하고 있다. 향후 배터리 기술이 충분히 발전한다면, 완전 전기추진방식은 탄소중립 실현을 위해 모든 차세대 항공교통 비행 임무용도로 채택될 것으로 예상되며, 이에 따라 개념설계 단계에서부터 모터의 위상각 제어, 배터리 전압 강하와 같은 전기적 특성을 고려할 수 있는 모델링에 대한 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 차세대 항공교통용 전기동력 수직이착륙 항공기만의 특징들을 고려할 수 있는 범용적인 설계 기법을 제안하였다. 제시된 설계 기법은 항공기 형상, 비행 메커니즘 및 전기추진시스템의 다양성과 소음 예측을 포함한 성능 평가를 고려할 수 있는 5개의 새로운 모듈(비행 분석, 추진 시스템 사이징, 임무 해석, 중량 추정, 소음 예측)로 구성된다. 먼저, 기존의 고정익 및 회전익 연구들에서 제시한 날개, 틸팅시스템, 덕티드 로터 및 분산추진장치등에 대한 해석 기법들을 하나의 비행 해석 모듈로 결합하여, 해석 대상의 범용성을 높였다. 또한, 추진 시스템 사이징, 임무 해석 및 중량 추정 대상의 범위를 완전 전기추진방식뿐만 아니라 하이브리드 전기추진방식(직렬, 병렬, 그리고 직병렬)까지 포함할 수 있도록 확장하였다. 그리고 음향상사식 Farassat 1A formulation을 이용하여 특정 고도에서의 두께 및 하중 소음을 예측할 수 있도록 하였다. 또한 본 연구에서는 완전 전기추진방식을 이루는 각 전기장치 (전기모터, 인버터, 배터리)의 전기적 특성을 보다 정확하게 고려할 수 있는 새로운 전기추진시스템 모델링 방법을 제안한다. 제시된 전기추진시스템 모델링 방법은 영구자석 전기모터의 MTPA (Maximum Torque Per Ampere) 제어 전략이 접목된 등가회로 모델, 인버터의 스위칭 및 전도 손실 모델, 상용 배터리 방전 그래프의 선형화 모델 등으로 구성된다. 그리고 모터 및 인버터 매개변수에 대한 회귀 모델을 추가적으로 구축하여, 새로운 전기추진시스템 모델링 방법을 개념 설계 기법에 적용 가능하게 하였다. 차세대 항공교통용 전기동력 수직이착륙 항공기 개념 설계를 위해, 본 연구에서 제안된 수치 기법들의 필요성과 기능을 입증하기 위해 세 가지 유형의 응용 연구를 수행하였다. 첫 번째 응용 연구는 완전 전기추진방식과 하이브리드 전기추진방식과의 비교 연구로, 최적의 하이브리드화 비율을 구현한다면 비행 거리를 완전 전기추진방식 대비 3배 가량 확장시킬 수 있음을 보였다. 두 번째 응용 연구는 전기추진시스템 모델링 방법 간의 차이점과 완전 전기추진방식의 모터 구동 시스템(직접 혹은 간접) 및 기어비의 변화가 전기추진시스템의 효율 및 사이즈에 미치는 영향을 확인하였다. 마지막 응용 연구로, 소음 저감이라는 설계 요구조건이 전기동력 수직이착륙 항공기 설계에 미치는 영향에 대해 알아보았으며, 소음과 항공기 총 중량은 서로 명확한 반비례 관계를 가지는 것을 확인하였다.

In recent years, various technological advances in electrification, automation, and vertical takeoff and landing (VTOL) have matured enough to enable innovation in urban aviation, resulting in the emergence of a new air transportation system known as advanced air mobility (AAM). VTOL aircraft for AAM is powered by an electric propulsion system, which provides new design freedom for the configuration and flight mechanism. To design the eVTOL aircraft for AAM, therefore, it is necessary to have generality rather than being limited to a specific concept. In addition, since eVTOL aircraft for AAM services between the intracity and intercity, the noise generated by the rotary-wing system should be considered a performance indicator for the eVTOL aircraft design. Meanwhile, due to the low specific energy of the current battery technology, the range of most full-EPS (FEPS) powered VTOL aircraft has been so far restricted to intracity operation. However, as the battery technology matures, VTOL aircraft for AAM will likely use a FEPS powered only by batteries. This requires sophisticated EPS modeling techniques to consider the electrical characteristics of each electrical device in a more accurate manner. To this end, this study proposes a generic design methodology that considers eVTOL AAM vehicles' characteristics. This design methodology comprises five modules (flight analysis, propulsion system sizing, mission analysis, weight estimation, and noise prediction) that can consider the diversity of configurations, flight mechanisms, EPS architectures, and performance assessment, including noise prediction. First, the comprehensive flight-analysis module is created by assembling component-analysis methods, including the shrouded rotor and distributed propulsor (DP). The proposed technique allows for analysis of the configurations and flight mechanisms of various types of VTOL aircraft—wingless, vectored-thrust, and lift+cruise. In addition, the scope of propulsion system sizing, mission analysis, and weight estimation has been expanded to include not only FEPS but also various Hybrid-EPSs (series, parallel, and series-parallel). Using the Farassat 1A formulation with compact loading models, it is possible to predict the thickness and load noise of eVTOL aircraft at the conceptual design stage. Also, this study proposes novel enhancements to the EPS modeling approach for FEPS-powered VTOL aircraft conceptual design by considering the electrical characteristics of each electrical device in a more accurate manner. To this end, three modules for motor, inverter, and battery analysis are constructed using equivalent circuits and semi-empirical models. First, the motor analysis module is developed using equivalent circuit analysis with the operation control strategy for a permanent-magnet synchronous motor. Second, the inverter analysis module is built using average loss models for the switching and conduction losses. Third, the battery analysis module is improved using the near-linear discharge model to consider the voltage drop during operation. Moreover, additional modules, such as those for calculating the battery stack in series and parallel, as well as regression models for the motor and inverter parameters and consideration of the drive system type (direct or indirect, including a reduction gear), are implemented. In addition, three types of applications are performed to demonstrate the necessity and capability of the proposed numerical methods for eVTOL conceptual design. In the first application, a comparative study is performed to demonstrate performance variations after replacing a FEPS with a HEPS; it is shown that HEPS with an optimal hybridization ratio has overwhelming superiority regarding payload capacity and mission range over FEPS based on the current battery technology level. In the second application, it is confirmed that changes in the type of drive system (direct or indirect) and gear ratio significantly impacted EPSs' efficiency and size, which can only be considered in the enhanced EPS approach. Lastly, the final application is to investigate the influence of noise prediction on the design optimization of an eVTOL aircraft. It is identified that there is a tradeoff relationship between noise mitigation and gross weight minimization depending on the rotor's torque and rotational speed.