Multidisciplinary Analysis and Simulation Framework for Wingless-type eVTOL

Abstract

A wingless-type electric vertical take-off and landing (eVTOL) is one of the representative aircrafts utilized logistics and delivery, search and rescue, military, agriculture, and inspection of structures. For a small unmanned aerial vehicles of the wingless-type eVTOL, a quadrotor is a representative configuration to operate those missions. For a large size of the wingless-type eVTOL, it is an aircraft for urban air mobility service (UAM) specialized for intracity point-to-point due to its advantages such as efficient hover performance, high gust resistance, and relatively low noisiness. The rotating speed of the multiple rotors in the wingless-type eVTOL has to be changed continuously to achieve stable flight. Moreover, the speed and the loaded torque of the motors also continuously change. Therefore, it is necessary to analyze the rotor thrust and torque with respect to the speed of each rotor as assigned by the controller to predict the flight performance of the wingless-type eVTOL. The electric power required by the motors is also necessary to be predicted based on the torque loaded to the motors to maintain the rotating speed. This study suggests a flight simulation framework based on these multidisciplinary analyses including control, rotor aerodynamics, and electric propulsion system analysis. Using the flight simulation framework, it is possible to predict the flight performance of the wingless-type eVTOL for given operating conditions. The flight simulation framework can predict the overall performance required to resist the winds and the corresponding battery energy of a quadrotor. Flight endurance of an industrial quadrotor was examined under light, moderate, and strong breeze modeled by von Kármán wind turbulence with Beaufort wind force scale. As a result, it is found that the excess battery energy is increased with ground speed, even under the same wind conditions. As the ground speed increases, the airspeed is increased, led to higher frame drag, position error, pitch angle, and required mechanical power, consequently. Moreover, the quadrotor is not operable beyond a certain wind and ground speed since the required rotational speed of rotors exceeds the speed limit of motors. The simulation framework can also predict the overall performance of a wingless eVTOL for UAM service. Because of its multiple rotors, rotor–rotor interference inevitably affects flight performance, mainly depending on inter-rotor distance and rotor rotation directions. In this case, there is an optimal rotation direction of the multiple rotors to be favorable in actual operation. In this study, it was proposed that a concept of rotor rotation direction that achieves the desirable flight performance in actual operation. The concept is called FRRA (Front rotors Retreating side and Rear rotors Advancing side). It was found that FRRA minimizes thrust loss due to rotor-rotor interference in high-speed forward flight. For a generic mission profile of UAM service, the rotation direction set by FRRA reduces the battery energy consumption of 7 % in comparison to the rotation direction of unfavorable rotor-rotor interference in operation.

무익기형 전기 추진 수직 이착륙기는 택배 및 운송 서비스, 수색 및 구조, 국방, 농업, 구조물 점검과 같은 분야에서 대표적으로 이용되고 있는 항공기이다. 쿼드로터는 이러한 임무를 수행하기 위한 대표적인 소형 무익기형 전기 추진 수직 이착륙기이다. 대형 무익기형 전기 추진 수직 이착륙기는 효율적인 제자리 비행 성능, 높은 내풍성, 낮은 소음 공해와 같은 특징으로 인해 도심 내 운항 서비스를 위한 항공기로 활용되고 있다. 무익기형 전기 추진 수직 이착륙기의 여러 회전 날개는 안정된 비행을 유지하기 위해, 지속해서 회전 속도를 변화시킨다. 게다가, 모터의 회전 속도와 부하되는 토크 또한 지속적으로 변화한다. 그러므로 무익기형 전기 추진 수직 이착륙기의 비행 성능을 예측하기 위해, 제어기에서 각 회전 날개에 부여된 회전 속도에 따른 추력 및 토크를 해석해야 한다. 그리고 이러한 회전 날개의 회전 속도를 유지하기 위해 모터에 부하 되는 토크를 기반으로, 모터에서 요구되는 전력을 예측해야 한다. 본 논문에서는 제어, 회전 날개 공력, 전기 추진 시스템 해석이 포함된 다학제 해석 기반의 비행 시뮬레이션 프레임워크를 제시한다. 비행 시뮬레이션 프레임워크를 이용하여, 실제 운용 환경에서의 무익기형 전기 추진 수직 이착륙기 비행 성능을 예측할 수 있다. 비행 시뮬레이션 프레임워크를 활용하여 쿼드로터에 대해 외풍을 저항하기 위한 비행 전반적인 성능과 그에 따른 배터리 에너지 소모를 예측하였다. Von Kármán 외풍 난류와 Beaufort 외풍 강도 등급을 활용하여 남실바람, 건들바람, 된바람 환경에 대한 산업용 쿼드로터의 비행시간을 조사하였다. 그 결과, 동일한 외풍 환경일지라도 전진 비행 속도가 증가할수록 배터리 소요 에너지가 증가한다는 것을 밝혔다. 전진 비행 속도의 증가로 인해 쿼드로터에 유입되는 유속이 증가하여, 동체 항력, 위치 오차, 기수 내림 각도, 요구 기계 동력이 증가하였다. 그리고 특정 외풍 속도와 전진 속도 이상에서의 쿼드로터는 요구되는 회전 날개의 회전 속도가 모터의 회전 속도의 한계보다 높으므로 비행할 수 없었다. 또한, 비행 시뮬레이션 프레임워크를 활용하여 도심 운항 서비스용 무익기형 전기 추진 수직 이착륙기의 전반적인 비행 성능을 예측하였다. 여러 회전 날개의 특징으로 인해, 회전 날개 간 거리와 회전 날개의 회전 방향에 따라 회전 날개 간 간섭효과가 필연적으로 비행 성능에 영향을 미친다. 이때, 운용에 유리한 최적의 회전 날개 회전 방향이 존재한다. 본 논문에서 실제 운용에서 바람직한 비행 성능을 발휘하는 회전 날개의 회전 방향에 대한 개념인 FRRA를 제시하였다. FRRA는 전방 로터의 후퇴 측과 후방 로터의 전진 측이 일직선으로 정렬된 상태의 회전 방향이다. FRRA 회전 방향은 고속 전진 비행에서 회전 날개 간 간섭효과로 인한 추력 손실이 최소화된다. 회전 날개 간 간섭효과로 인해 불리한 비행 성능을 가지는 회전 방향 대비 FRRA 회전 방향은 도심 항공 교통 서비스에 대한 일반적인 운용에서 배터리 소모율이 7% 정도 감소하였다.