SUAVE를 기반으로 한 틸트로터 비행체 사이징 프로그램 개발 = Development of a Tiltrotor Aircraft Sizing Program Based on SUAVE

국문 초록 (Abstract)

최근 도심 항공 모빌리티 (UAM) 의 핵심 이동수단으로 전기 추진 수직이착륙 (eVTOL) 항공기에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. eVTOL 설계 초기 단계에서 최대이륙중량 (MTOW) 를 정확하게 예측하는 것은 배터리 중량 비중이 높은 전기 추진 항공기의 성능과 경계심을 결정짓는 매우 중요한 요소이다.
본 연구에서는 틸트로터 비행체의 개념설계 단계에서 MTOW를 효과적으로 산출하기 위한 자동화된 사이징 프로그램을 개발하였다. 항공기 설계 및 해석 통합 프레임워크인 SUAVE를 기반으로 항공기의 형상, 공력, 중량, 그리고 전기 추진 시스템을 모델링하였다. 항공기 모델은 주익과 동체, 꼬리날개 등의 기체 구성품과 배터리, 모터, 프로펠러로 이루어진 동력 계통을 포함하며 실속 속도와 부피계수를 이용한 주익 면적과 꼬리날개 크기를 자동으로 결정하는 기능을 통합하였다.
특히. 중량 예측 모듈과 임무 형상 해석을 연동한 반복 계산 루프를 구축하여 목표 유상하중과 고정된 배터리 중량 조건 하에서 중량 추정치가 목표 최대이륙중량에 수렴하도록 설계하였다. 이 과정에서 이진 탐색 알고리즘을 적용하여 계산 효율성을 높였다.
그 결과, 설계 초기 변수 입력만으로 항공기의 전체 중량 구성과 주요 형상 제원을 신속하게 도출할 수 있는 통합 설계 환경을 구축하였다. 본 연구에서 개발된 사이징 프로그램은 틸트로터 비행체의 개념설계 과정에서 소요되는 시간을 단축하고 다양한 설계변수 변경에 따른 영향을 체계적으로 분석할 수 있는 기반을 제공할 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, research on electric Vertical Take-Off and Landing (eVTOL) aircraft has been actively conducted as a key means of transport for Urban Air Mobility (UAM). Accurately predicting the Maximum Take-Off Weight (MTOW) in the early design stage of eVTOL is a critically important factor that determines the performance and feasibility of electric propulsion aircraft, which have a high proportion of battery weight.
In this study, an automated sizing program was developed to effectively calculate the MTOW in the conceptual design stage of a tiltrotor aircraft. Based on SUAVE, an integrated framework for aircraft design and analysis, the aircraft’s geometry, aerodynamics, weight, and electric propulsion system were modeled. The aircraft model includes airframe components such as the main wing, fuselage, and tail, as well as the power system consisting of battery, motors and propellers. It integrates the function of automatically determining the main wing area and tail size using the stall speed and volume coefficient.
Specifically, an iterative calculation loop linking the weight prediction module with mission performance analysis was constructed to ensure that the weight estimate converges to the target MTOW under the conditions of a target payload and fixed battery weight. The binary search algorithm was applied in this process to increase computational efficiency.
As a results, an integrated design environment was established that can rapidly derive the overall weight breakdown and main geometric specifications of the aircraft with only the input of early design variables. The sizing program developed in this study is expected th shorten the time required for the conceptual design process of tiltrotor aircraft and provide a foundation for systematically analyzing the effects of changes in various design variables.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 연구 동향 분석 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 동향 분석 5
• 3. 연구의 필요성 및 차별성 9
• 제2절 연구 목표 및 방법 12
• 1. 연구 목표 12
• 2. 연구 방법 13
• 제 2 장 틸트로터 비행체 사이징 프로그램 개발 15
• 제1절 틸트로터 사이징 프로그램 개발 환경 15
• 1. 항공기 사이징 정의 15
• 2. 사이징 프로그램 개발 현황 및 비교·분석 16
• 3. 개발 플랫폼 선정 19
• 가. SUAVE 프레임워크 선정 19
• 나. 틸트로터 적용을 위한 기반 모델 수정 21
• 1) Lift-Cruise type eVTOL 스크립트 수정 21
• 2) 추진체의 틸팅 시스템 구현 25
• 제2절 틸트로터 비행체 구성 요소 모델링 26
• 1. 기체 형상 모델링 26
• 가. 주익 26
• 나. 꼬리날개 29
• 1) 수평꼬리날개 29
• 2) 수직꼬리날개 31
• 3) 주익과 꼬리날개 연관성 34
• 다. Nacelle 34
• 2. 동력 계통 모델링 36
• 제3절 틸트로터 비행체의 임무 해석 프로세스 정립 55
• 제4절 자동화된 통합 중량 추정 루프 개발 57
• 1. 기존 중량 추정의 한계 57
• 2. Contingency Factor 자동 탐색 루프 구현 58
• 제 3 장 틸트로터 사이징 프로그램 검증 62
• 제1절 틸트로터 사이징 프로그램의 신뢰성 62
• 1. 검증 대상 기체 선정 62
• 2. 검증 방법 63
• 3. 신뢰성 검증 결과 66
• 가. 무게 루프 결과 66
• 나. 자동화된 형상 설계 결과 67
• 다. 임무 형상에 따른 성능해석 결과 69
• 4. 천이 구간을 적용한 임무 형상 결과 71
• 가. 시간에 따른 고도, 거리, 받음각, 양항비 결과 72
• 나. 시간에 따른 쓰로틀, RPM, 추력, 토크 결과 73
• 다. 시간에 따른 배터리 SOC, Power, Energy 결과 74
• 제 4 장 결론 76
• 참고문헌 79
• ABSTRACT 83