AAM 항공기 개념 설계 통합 아키텍처 개발 연구 = Development of Integrated Architecture for AAM Aircraft Conceptual Design

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 전기 추진 시스템을 적용한 AAM 항공기의 설계를 위한 사이징 프로세스를 정립하고, 모듈화 기반의 다분야 통합 설계 해석 아키텍처를 개발하는 것을 목표로 한다. 개발된 사이징 프로세스의 특징은 고정익, Lift+Cruise, Tiltrotor 방식을 모두 고려할 수 있는 설계 변수 선정 방법을 제시하였다는 점, 전기 추진 시스템 구성 요소들의 무게 추정 방법을 포함하며 고정익 비행 모드와 수직 비행 모드의 성능 및 임무 요구 조건을 반영할 수 있다는 점, 목적에 맞는 설계 변수 조합을 찾기 위한 최적화 모듈과 트레이드 오프 모듈이 포함되어 있다는 점이다. 또한 통합 해석 아키텍처의 특징은 항공기 개념 설계를 위한 형상, 중량, 공력, 추진 해석뿐 아니라, 설계 평가를 위한 임무 성능 및 비행 성능 해석을 포함하며, 각 분야에서 요구되는 입출력 관계를 기반으로 상하위 관계를 정립해 설계자의 목적에 맞게 활용할 수 있도록 모듈화 되었다는 점이다. 각 분야의 해석 모듈은 경험식 기반의 방법과 저신뢰도 해석 프로그램이 내장되어 구성되었다. 해석 결과는 데이터베이스로 저장되어 다음 설계 단계인 시뮬레이션, 재실행을 위한 입력 데이터로 활용될 수 있으며, 외부의 고신뢰도 데이터를 직접 참조하여 하위 해석에 활용할 수 있다. 제시된 사이징 프로세스와 통합 해석 아키텍처는 AAM 항공기 설계 환경 CADE로 구현되었으며, 이에 기반해 사례 연구를 진행하여 항공기 설계에 활용될 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to develop a sizing process and a modular multidisciplinary integrated analysis architecture for electric-propulsion AAM aircraft. The sizing process supports fixed-wing, Lift+Cruise, and Tiltrotor configurations, incorporates electric component weight estimation, and performance requirements for both fixed-wing and vertical flight modes, featuring optimization and trade-off modules. The integrated analysis architecture performs configuration, weight, aerodynamic, propulsion, mission and flight performance evaluation. It is modularized with a defined hierarchy based on disciplinary input/output. Analysis results are saved to a database for simulation and re-execution, this approach allows touse of external high-fidelity data. This process and architecture were implemented in the CADE environment, verifying their applicability through a case study in AAM aircraft design.

목차 (Table of Contents)

• 표 목차 iv
• 그림 목차 v
• 국문초록 viii
• 제 1장 서론 1
• 제 1절 연구 배경 1
• 1. Advanced Air Mobility (AAM) 1
• 2. 항공기 설계 과정 2
• 3. CADE 3
• 제 2절 기존 유사 연구 분석 6
• 1. 사이징 연구 6
• 2. 통합 설계 해석 연구 7
• 제 3절 연구 목적 8
• 제 2장 AAM 항공기 사이징 10
• 제 1절 사이징 프로세스 10
• 제 2절 추진 시스템 아키텍처 13
• 제 3절 제약 조건 해석 15
• 1. 고정익 비행 모드 해석 16
• 2. 수직 비행 모드 해석 17
• 3. 단일 엔진(모터) 고장 18
• 4. 제약 조건 선도(Constraint Diagram) 19
• 제 4절 파워 시스템 및 열 관리 시스템 중량 계산 22
• 1. 모터, 엔진 22
• 2. 전력 조절기 23
• 3. 추력기 - 프로펠러 24
• 4. 추력기 - 로터 24
• 5. 수소 연료 전지 26
• 6. 열 관리 시스템 26
• 7. 파워 시스템 중량 27
• 제 5절 임무 해석 28
• 제 6절 에너지 중량 계산 30
• 1. 배터리 30
• 2. 수소 연료 시스템 31
• 3. 엔진 연료 시스템 31
• 4. 에너지 시스템 중량 32
• 제 7절 최대 이륙 중량 계산 32
• 제 8절 트레이드 오프와 최적화 33
• 제 3장 AAM 항공기 통합 해석 36
• 제 1절 통합 해석 36
• 1. 통합 해석 아키텍처 36
• 2. Communication Bus 42
• 3. 트레이드 오프 아키텍처 44
• 제 2절 해석 모듈 46
• 1. 형상 해석 모듈 46
• 2. 중량 해석 모듈 49
• 3. 공력 해석, 조종성 및 안정성 해석 모듈 51
• 4. 추진 해석 모듈 54
• 5. 임무 성능 해석 루프 56
• 6. 비행 성능 해석 모듈 60
• 제 4장 사례 연구 62
• 제 1절 사이징 63
• 1. 임무 형상 및 입력 63
• 2. 최적화 65
• 3. 트레이드 오프 67
• 4. 사이징 결과 68
• 제 2절 분야별 모듈 해석 70
• 1. 항공기 입력 70
• 2. 형상 해석 72
• 3. 중량 해석 74
• 4. 공력 및 트림 해석 76
• 5. 추진 해석 78
• 6. 임무 성능 해석 80
• 7. 비행 성능 해석 82
• 8. 트레이드 오프 84
• 제 5장 결론 86
• 제 1절 결론 86
• 제 2절 향후 계획 87
• 참고문헌 88
• ABSTRACT 94