Determination of Operational Limits for High-Altitude Long-Endurance Aircraft Considering Propeller Icing

Abstract

High-Altitude Long-Endurance UAVs (HALE UAV) are being researched and developed by several research institutes and manufacturers around the world because they can perform various tasks such as providing broadcasting services, real-time disaster monitoring, and reconnaissance. However, icing may occur during the in-flight process of climbing and descending during the operation of a high-altitude long-term flight under icing conditions. This may cause damage because it is difficult to install the de-icing device due to its design characteristics. Therefore, this study selects icing environments that the aircraft could encounter and simulates icing on the fuselage, wing, and propeller. Then a method to determine the operating limit area of the aircraft by calculating the total amount of energy required for operation through performance analysis of the changed shape is presented. In this process, the computational efficiency is increased by using two-dimensional analysis method (BEMT) for propeller icing simulation, and individual icing simulation of propeller and fuselage & wing parts. The results showed three parameters: analysis of ice shape and performance changes in the fuselage & wing, analysis of ice shape and performance changes in the propeller, and confirmation that the icing on the propeller has a significant impact on determining the operating limitations of HALE UAV.

고고도 장기체공 무인기(HALE UAV)는 방송 서비스 제공, 실시간 재난 감시, 정찰 등 다양한 임무를 수행할 수 있기에 세계의 몇몇 연구기관과 제조사들에서 연구, 개발이 되고 있다. 하지만 결빙 조건에서 고고도 장기체공 항공기 운항 시 상승과 하강 비행 과정에서 결빙이 발생하면, 디자인 특성상 제빙 장치를 설치가 힘들기 때문에 결빙에 의한 피해가 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 항공기가 마주칠 수 있는 결빙 환경들을 선정하여, 동체, 날개, 그리고 프로펠러에서의 결빙을 시뮬레이션한 후, 바뀐 형상에 대한 성능 분석을 통해 운용에 필요한 총 에너지의 양을 계산하여 항공기의 운용한계 영역을 결정하는 방법을 제시하였다. 이 과정에서 프로펠러 결빙을 2차원 해석 방법(BEMT)을 이용하고, 프로펠러와 동체 & 날개 부분의 개별적인 결빙 해석을 통해 계산 효율성을 높였다. 결과는 동체 & 날개 부분에 발생하는 결빙 형상 및 성능 변화 분석, 프로펠러에 발생하는 결빙 형상 및 성능 변화 분석, 결빙 환경에서의 성능 제한 구역 3가지의 파라미터로 나타냈으며, 프로펠러의 결빙이 고고도 장기체공 무인기의 운용한계에 큰 영향을 끼친다는 것을 확인하였다.