AAM 분산전기추진 시스템 모델링 및 해석 기법 연구 = Research on Distributed Electric Propulsion System Modeling and Analysis Method for Advanced Air Mobility|RISS 상세보기

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 도심항공교통(Advanced Air Mobility, AAM)에 적용되는 분산전기추진(Distributed Electric Propulsion, DEP) 시스템의 아키텍처 설계 및 통합 해석 기법을 제시하였다. AAM 항공기는 저고도·도심 환경에서 높은 안전성, 신뢰성, 조종성, 저소음 운항을 동시에 요구하며, 이러한 운용 조건을 충족하기 위해 DEP 기반 전기추진 시스템이 핵심 기술로 부상하고 있다. 이에 본 연구는 DEP의 개념적 구조를 분석하고, 초기 사이징 결과와 추진 시스템 요구조건을 반영한 아키텍처 설계 절차를 정립하였다.
먼저 개념설계 단계에서는 항공기 임무 프로파일을 기반으로 추진 출력, 에너지 요구량, 모터·인버터·배터리 등 주요 구성품의 요구사양을 도출하고, DEP 구조에서 고려해야 할 전력 흐름, 제어 구조, 고장 허용성 요소를 분석하였다. 단순 구성품 중복으로는 시스템 신뢰도가 향상되지 않으며 오히려 전체 시스템 신뢰도가 저하되어 임의의 고장 발생 확률이 증가할 수 있음을 확인하였다. 이에 따라 본 연구는 초기 사이징 결과에서 가정한 추진 시스템 연결구조 및 구성품 개수에 따른 허용 가능한 고장확률 및 각 고장 별 위험도를 활용하여 안전한 DEP 구조를 가진 시스템을 설계하였다.다음으로 구성품 선정 단계에서는 초기 사이징을 통해 도출된 요구사양을 기준으로 배터리, 인버터, 모터, 프로펠러 등 주요 구성품을 평가하는 선정 과정을 정립하고 성능 적합성, 전기적 호환성을 고려하여 구성품 후보를 분석하고, 추진 시스템의 운전점을 기반으로 최적 구성품을 도출하였다.구성품 조합은 건국대학교에서 개발한 CADE 프로그램의 추진 시스템 해석 모듈에 통합하여 전기–기계–공력 연계 특성을 평가하였다. 이를 통해 전력 흐름, 모터–프로펠러 상호작용, 고장 시 잔여 추력 가능성 등 DEP 아키텍처의 운용 적합성을 검증하였다. 본 연구의 해석 결과는 상용 프로그램 및 제조사 제원과 비교하여 타당성을 확인하였다.
본 연구는 DEP 기반 전기추진 시스템 설계를 개념설계–구성품 선정–모델링–통합해석으로 이어지는 체계적 접근으로 정립하였다는 점에서 의의가 있다. 향후 연구에서는 공력–추력 연계 모델, 소음 해석, 모터 열관리 모델을 포함한 해석 범위를 확장하고, 축소기 풍동 시험 및 지상시험 데이터를 활용한 실증적 검증을 통해 추진 시스템 해석 프로그램의 신뢰성을 향상시키며, AAM 항공기 인증 과정에서 요구되는 추진 시스템 분석 및 검증을 지원할 수 있을 것으로 기대된다.
주제어 : eVTOL AAM, 분산 전기 추진 시스템, 모델링 및 해석 기법

This study presents an architecture design and integrated analysis methodology for Distributed Electric Propulsion (DEP) systems applied to Advanced Air Mobility (AAM) aircraft. AAM aircraft operating in low-altitude urban environments are required to simultaneously satisfy high levels of safety, reliability, controllability, and low-noise operation, and DEP-based electric propulsion systems have emerged as a key technology to meet these requirements. Accordingly, this research analyzes the conceptual configuration of DEP systems and establishes an architecture design procedure that incorporates initial sizing results and propulsion system requirements.
In the conceptual design, propulsion power and energy requirements are derived based on the aircraft mission profile, and the required specifications of major components—including motors, inverters, and batteries—are determined. In addition, power flow architecture, control structure, and fault-tolerance considerations inherent to DEP systems are systematically analyzed. The results confirm that simple component redundancy does not necessarily improve system reliability and may instead degrade overall system reliability by increasing the probability of arbitrary failure occurrences. Based on this finding, a DEP system architecture with enhanced safety is designed by utilizing allowable failure probabilities and failure-specific risk levels according to the propulsion system interconnection structure and component count assumed during the initial sizing process.
In the component selection, a structured selection procedure is established to evaluate major components such as batteries, inverters, motors, and propellers based on the requirements derived from initial sizing. Candidate components are analyzed in terms of performance suitability and electrical compatibility, and optimal components are identified according to the operating points of the propulsion system. The selected component combinations are integrated into the propulsion system analysis module of the Conceptual Aircraft Design Environment (CADE) developed at Konkuk University to evaluate coupled electrical–mechanical–aerodynamic characteristics. Through this integrated analysis, the operational feasibility of the DEP architecture—including power flow behavior, motor–propeller interactions, and residual thrust capability under failure conditions—is verified. The analysis results are validated through comparison with commercial software tools and manufacturer-provided data.
This study is significant in that it establishes a systematic approach to DEP-based electric propulsion system design, linking conceptual design, component selection, modeling, and integrated analysis. Future work will extend the scope of analysis by incorporating aero–propulsive coupling models, noise analysis, and motor thermal management models, and will perform experimental validation using scaled wind tunnel tests and ground test data, thereby improving the reliability of the propulsion system analysis program and supporting propulsion system analysis and verification required in the AAM aircraft certification process.
Keyword: eVTOL AAM, Distributed Electric Propulsion, Modeling and Analysis Method

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본 연구에서는 도심항공교통(Advanced Air Mobility, AAM)에 적용되는 분산전기추진(Distributed Electric Propulsion, DEP) 시스템의 아키텍처 설계 및 통합 해석 기법을 제시하였다. AAM 항공기는 저고도·도�...

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