후류 조종면이 장착된 고정 기울임 로터 VTOL 비행체에 관한 연구 = (A) Study for Fixed-Inclined Rotor VTOL UAV with Slipstream Control Device

국문 초록 (Abstract)

본 학위논문에서는 날개 시위선에 비스듬히 장착된 로터를 가지고, 러 더베인을 이용해 요축 제어를 달성하는 비행체에 대한 동역학 모델링과 성능 해석, 그리고 이 비행체에 적합한 비행제어법칙을 제시하였다. 이 비행체는 일반적인 VTOL 비행체와 다르게 단순히 비행체의 피치 자세만을 변화시켜 고정익과 회전익 모드 간 천이를 안정적으로 달성한 다. 로터가 비스듬히 장착되어 있다. 이러한 특징으로 인해 이 비행체는 고정익 모드로 순항 비행 중일 때에는 비행체를 부양시키기 위한 힘의 대부분을 날개가 담당하고, 통상 고정익 모드에서 사용하는 조종면 대신 분산 추진을 통해 롤과 피치 자세를 제어하여 비행효율이 우수하다. 제어의 관점에서 이 비행체는 호버링 뿐만 아니라 수평 비행시에도 앞 뒤 차등추력을 이용해 피치제어가 가능하고, 좌우 차등추력을 이용하여 롤 제어를 할 수 있다. 또한 이 비행체는 러더베인을 갖추어 호버링 시 빠른 요 축 응답특성을 기대할 수 있고, 수평 비행중에는 자연스럽게 방 향 안정성을 확보하는 특징을 갖고 있다. 본 학위논문에서는 고정 기울임 로터 VTOL 비행체를 소개하면서 이 비행체에 대하여 충실도가 높은 비행 운동 모델링을 설계한다. 여기서 소개하는 비행체는 러더베인을 가지므로 러더베인에 대한 공력 모델링 의 수행 방법에 대해서 추가로 논한다. 수행한 비행 운동 모델링을 바탕 으로 본 학위 논문에서는 비행체의 비행 성능, 특히 비행 효율의 계산 방법과 측방향 비행 성능에 대해 중점적으로 논한다. 이후에 비행 운동 모델링을 바탕으로, 소개하는 비행체가 갖는 비행 특성을 비행 영역별로 전개하여 이 비행체가 갖는 비행 운동 특성을 논한다. 논한 비행 운동 특성을 바탕으로 본 학위논문에서는 이 비행체에 적합한 비행제어법칙 을 추가적으로 제안한다. 이렇게 제안한 모든 내용들을 본 학위논문에서 는 비행시험을 통해 검증하는 과정을 보여준다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 25
• 1.1. 연구동기 및 배경 25
• 1.2. 관련 연구 27
• 1.2.1. 고정 기울임 추진형 비행체 27
• 1.2.2. 전기 동력 비행체에 대한 성능 해석 28
• 1.3. 연구 내용 및 구성 29
• 1.4. 본 연구의 공헌 31
• 제 2 장 비행 운동 모델링 33
• 2.1. 비행 운동학 모델링 33
• 2.2. 프로펠러 공력 모델링 35
• 2.2.1. 깃 요소 운동량 이론 35
• 2.2.2. 유입류 모델을 고려한 프로펠러 공력 모델링 44
• 2.2.3. 프로펠러 좌표계 49
• 2.3. 날개 공력 모델링 50
• 2.3.1. 익형 모델링 50
• 2.3.2. 비선형 양력선 이론 55
• 2.4. 러더베인 공력 모델링 60
• 2.4.1. 러더베인 좌표계 60
• 2.4.2. 운동량 이론에 의한 프로펠러 후방의 후류속도 61
• 2.4.3. 러더베인에서 발생하는 힘 64
• 2.4.4. 개선된 러더베인 모델링 68
• 2.5. 브러시리스 모터 모델링 70
• 2.5.1. 브러시리스 모터 해석 70
• 2.5.2. ESC 의 반응 시상수 모델링 81
• 제 3 장 비행 성능 86
• 3.1. 고정 기울임 추진형 비행체의 종방향 지배방정식 86
• 3.2. 수직 방향 비행 성능 88
• 3.2.1. 호버링 성능 89
• 3.2.2. 수직 상승 성능 91
• 3.2.3. 수직 하강성능 95
• 3.3. 수평 방향 비행 성능 97
• 3.3.1. 요구동력의 계산 방법 97
• 3.3.2. 여유 동력의 결정 방법 101
• 3.3.3. 수평 상승 성능의 계산 방법 103
• 3.4. 측면 방향 기동성 해석 104
• 3.4.1. 횡방향 및 방향 축 운동 해석을 위한 3 차원 운동 모델 105
• 3.4.2. 횡방향 및 방향 축 운동에 대한 트림 해석 방법 107
• 3.5. 프로펠러 후류와 주익의 간섭 109
• 3.5.1. Biot-Savart 법칙 109
• 3.5.2. Beddoes 의 지정 후류 모델 112
• 3.5.3. Leishman-Beddoes 의 동적 실속 모델. 114
• 3.6. 성능 해석 결과 120
• 3.6.1. 호버링, 상승 및 하강 성능 123
• 3.6.2. 등속 수평 비행 성능 123
• 3.6.3. 수평 비행 중 상승 및 하강 성능 125
• 3.6.4. 측방향 수평 비행 성능 125
• 3.6.5. 추진시스템을 고려한 소모동력 해석 결과 126
• 3.6.6. 비행속도에 따른 추력 및 양력 분담 특성 128
• 3.6.7. 날개 위치에 따른 프로펠러-주익 간섭 분석 129
• 3.6.8. 프로펠러 공력 모델링 별 성능 해석 133
• 3.6.9. 프로펠러 피치와 소모동력간 상관 관계 136
• 3.6.10. 프로펠러 고정 기울임각과 비행체의 성능간 상관관계 분석 137
• 3.7. 성능 비행 시험 결과 및 비교 141
• 3.7.1. 비행체의 호버링 및 순항 중의 성능 시험 141
• 3.7.2. 비행체의 측방향 비행 시험 149
• 제 4 장 비행동역학 및 제어 153
• 4.1. 트림해석 153
• 4.2. 비행 동특성 분석 157
• 4.2.1. 종방향 선형 모델 157
• 4.2.2. 단주기 운동 근사 161
• 4.2.3. 장주기 운동 근사 161
• 4.2.4. 종방향 운동 특성에 대한 분석 162
• 4.2.5. 횡방향 및 방향 축 선형 모델 164
• 4.2.6. 횡방향 운동 특성에 대한 분석 169
• 4.3. 비행제어법칙 171
• 4.3.1. Super-Augmentation 의 유도 171
• 4.3.2. Super-Augmentation 시스템의 안정성 증명 173
• 4.3.3. 상태 미분을 안정화하는 문제에 대한 안정성 증명 176
• 4.3.4. 복소 도메인에서 비행제어법칙의 특징 178
• 4.3.5. 비행체에 대한 자세제어법칙의 적용 183
• 4.3.6. 비행 제어 시스템의 구성 197
• 4.3.7. 제어 법칙에 대한 비행시험 198
• 제 5 장 결 론 215
• 5.1. 연구 요약 및 의의 215
• 제 6 장 참고문헌 218
• 제 7 장 부 록 227