설계 관점에서의 틸트로터 eVTOL 비행제어에 관한 연구 = (A) Study on Flight Control of a Tiltrotor eVTOL from a Design Perspective

국문 초록 (Abstract)

도심 항공 모빌리티(UAM) 및 선진 항공 모빌리티(AAM) 산업의 발전과 함께, 수직 이착륙 능력과 고정익 순항 비행의 효율성을 동 시에 만족할 수 있는 틸트로터(Tiltrotor) 형식의 전기수직이착륙기 (eVTOL)가 유망한 항공 플랫폼으로 주목받고 있다. 그러나 틸트로 터 항공기는 멀티콥터 비행 모드와 고정익 비행 모드 사이를 전환 하는 천이(Transition) 비행 구간에서 강한 공력 비선형성, 제어축 간 의 교차, 그리고 추력 벡터 방향의 연속적 변화가 발생하여 비행 안 정성 확보가 매우 어려운 문제가 존재한다.

본 연구의 목적은 이러한 문제를 해결하기 위해, 불필요한 천이 시간 지연을 최소화하면서도 안정적 천이 비행을 보장할 수 있는 설계 관점의 천이 비행 제어 프레임워크를 제안하는 것이다. 이를 위해 OPPAV(Optionally Piloted Personal Air Vehicle) 기술실증기 모 델을 기반으로, 6자유도 운동 방정식과 3차원 블레이드 요소 운동량 이론(BEMT)을 포함한 고충실도 시뮬레이션 환경을 구축하였다. 기존의 천이 제어 전략들이 비행 속도나 틸트각[5]과 같은 직접적 인 상태 변수에 의존하는 반면, 본 연구에서는 천이 진행도를 작용 량(Action) 이라는 물리량을 이용해 정의하는 작용량 기반 가중치 천 이 혼합 제어기를 제안하였다. 여기서 작용량은 기체의 운동에너지 와 위치에너지의 차이로 정의되는 라그랑지안을 시간에 대해 적분 한 값으로, 기체 운동의 누적 특성을 반영하는 지표이다. 제안된 제 어 기법은 멀티콥터 제어기와 고정익 제어기의 출력을 작용량의 진 행 정도에 따라 연속적으로 혼합함으로써, 순간적인 상태 변동이나 튜닝 파라미터에 대한 민감도를 줄이고 물리적으로 더욱 안정된 천 이 비행을 가능하게 한다.

아울러 본 연구에서는 천이 비행 성능에 영향을 미치는 주요 설 계 변수로서 1) 틸트 메커니즘 구성(All Tilt 및 Front Tilt), 2) 프로펠 러 피치 제어 방식(Fixed Pitch 및 Variable Pitch), 3) 주익 붙임각 (Incidence Angle), 그리고 4) 고정익 종방향 제어 기법(SISO 및 총 에너지 제어 시스템, TECS)을 선정하고, 각 변수에 따른 비행 안정 성과 성능 변화를 시뮬레이션을 통해 체계적으로 비교·분석하였다.

시뮬레이션 결과, 제안된 작용량 기반 천이 혼합 제어기는 기존의 틸트각 기반 천이 제어 방식 대비 전방 천이 시간이 단축되는 조건 에서도 더욱 안정적인 속도, 고도 및 자세 응답을 제공함을 확인하 였다. 또한 Front Tilt 구성은 구조적 단순성에도 불구하고 천이 구간 에서 종방향 불안정성이 발생하기 쉬우며, 이는 가변 피치 프로펠러 시스템의 적용을 통해 효과적으로 완화될 수 있음을 확인하였다. 한 편, 고정익 제어 기법 측면에서는 TECS가 속도와 고도 에너지를 통 합적으로 관리함으로써 천이 후반부에서 더 강건한 제어 성능을 보 이는 것이 확인되었다.

결론적으로 본 연구는 틸트로터 eVTOL 항공기의 안정적인 천이 비행을 위해 작용량 기반 천이 혼합 제어 전략과 기체 형상 및 추 진 시스템을 연계한 설계 접근법이 효과적임을 제시하며, 본 연구에 서 도출된 설계 관점의 분석 결과와 가이드라인은 향후 UAM 항공 기 개발 및 천이 비행 제어 시스템 설계에 유용한 기술 자료로 활 용될 수 있을 것으로 기대된다.


주제어: 도심 항공 모빌리티(UAM), 전기수직이착륙기(eVTOL), 틸 트로터(Tilt-rotor), 천이 비행(Transition Flight), 총 에너지 제어(TECS), 가변 피치 프로펠러(Variable Pitch Propeller), 비행제어(Flight Control)

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.1.1 UAM/AAM 및 eVTOL 기술 동향 1
• 1.1.2 천이 비행의 난이도와 기존 제어 기법의 한계 1
• 1.1.3 연구의 목적 2
• 1.2 연구 개요 3
• 제2장 이론적 배경 4
• 2.1 항공기 좌표계 및 운동 방정식 4
• 2.1.1 좌표계의 정의 4
• 2.1.2 6자유도 운동 방정식 10
• 2.2 틸트로터 비행 특성 12
• 2.2.1 틸트 매커니즘의 구조적 특성 12
• 2.2.2 멀티콥터와 고정익 모드 간의 천이비행 원리 14
• 2.2.3 틸트각에 따른 제어축 교차와 Control Allocation 문제 ·· 15
• 2.3 Total Energy Control System 18
• 2.3.1 TECS 개념 (Original TECS) 18
• 2.3.2 Nonlinear TECS 21
• 2.4 BEMT for Propeller Under Nonaxial Flow 23
• 제3장 모델링 24
• 3.1 OPPAV 기체 제원 및 관성 모델링 24
• 3.1.1 기체 형상 및 주요 제원 24
• 3.1.2 관성 모멘트 산출 및 모델링 25
• 3.2 공력 모델링 27
• 3.2.1 XFLR5를 이용한 기체 형상 설계 및 공력해석 27
• 3.2.2 AVL을 이용한 기체 공력해석 교차검증 및 적용 29
• 3.3 추력 모델링 31
• 3.3.1 BEMT 기반 프로펠러 설계 31
• 3.3.2 3D BEMT를 이용한 프로펠러 모델링 및 보정 33
• 3.3.3 가변 피치 시스템 프로펠러 모델링 38
• 제4장 제어기 41
• 4.1 모델링 및 시뮬레이션 구성 41
• 4.2 Trim 분석 및 선형화 43
• 4.2.1 멀티콥터 호버링 트림 43
• 4.2.2 고정익 순항 트림 44
• 4.3 MultiCopter Controller Design 46
• 4.3.1 자세 및 위치제어기 구조 46
• 4.4 FixedWing Controller Design 47
• 4.4.1 종 방향 제어기 설계 47
• 4.4.1 횡 방향 제어기 설계 48
• 4.5 Transition Controller Design 48
• 4.5.1 천이 제어 전략 개요 48
• 4.5.2 비행속도 기반 가중치 방식 51
• 4.5.3 틸트각 기반 가중치 방식 53
• 4.5.4 작용량 기반 가중치 방식 54
• 제5장 설계변수에 따른 시뮬레이션 및 성능 분석 56
• 5.1 시뮬레이션 환경 및 조건 56
• 5.1.1 시나리오 및 고정 변수 56
• 5.1.1 설계 변수 및 평가 지표 소개 58
• 5.2 천이 비행의 안정성 및 성능 비교 59
• 5.2.1 천이 제어 알고리즘에 따른 안정성 비교 59
• 5.2.2 틸트 매커니즘 방식에 따른 비교 66
• 5.2.3 가변피치 프로펠러 적용에 따른 비교 70
• 5.2.4 주익 붙임각 변화에 따른 비행 특성 비교 76
• 5.2.5 공력계수 오차에 따른 시스템 강건성 비교 79
• 5.3 결과 고찰 85
• 5.3.1 시뮬레이션 결과 종합 비교 85
• 5.3.2 안정적인 천이 비행을 위한 설계 가이드라인 87
• 제6장 결 론 90
• 6.1 연구 요약 및 결론 90
• 6.2 향후 연구 방향 91
• 참 고 문 헌 93
• ABSTRACT 95