틸트로터 블레이드 공력 성능 개선을 위한 익형-플랜폼 동시 최적화 프로세스 연구 = A Study on the Concurrent Airfoil-Planform Optimization Process for Aerodynamic Performance Improvement of Tiltrotor Blades

국문 초록 (Abstract)

틸트로터 추진 방식을 갖는 AAM (Advanced Air Mobility) 기체는 수직이착륙(Vertical Take Off and Landing, VTOL), 제자리(Hover), 전진 (Forward) 비행 등 다양한 비행 조건에서 요구 성능을 만족하는 동시에 최대 추진 효율을 확보 할 수 있도록 고성능 설계가 요구된다. 본 연구에서는 다양한 운용 조건을 고려하여 Open-Source PIDO (Process Integration and Design Optimization) 소프트웨어인 RCE (Remote Component Environment)를 기반으로 통합 최적 설계 Framework를 구축 하고, 틸트로터의 효율 극대화를 목표로 형상 최적화를 수행했다. 에어포일 형상 최적화는 고정밀 감도 해석이 가능한 High-Fidelity 전 산유체역학 해석자인 SU2를 활용, Discrete Adjoint 기법에 기반해 수행했다. 설계 변수는 Hicks-Henne 함수를 통해 설정하며, 목적함수는 해당 익형의 양항비(L/D) 최대화로 정의했다. 플랜폼 형상 최적화는 RCE에 내장된 최적화 알고리즘인 DAKOTA 패키지를 이용하여 수행했다. 설계 변수는 반경 방향 5개 지점에서 정 의된 코드 길이(Chord)와 비틀림 각(Twist)이며, 목적함수는 전체 추진 효율의 최대화로 설정했다. 이때 설계 변수에 따라 수정된 형상은 Panel-Vortex Particle Method를 기반으로 하는 MFHAS (Multi-Fidelity Hybrid Aerodynamic Solver) 성능해석을 수행했다. 최종적으로 구축된 통합 최적 설계 Framework에 대해 미국 Bell 사의 XV-15의 틸트로터 형상을 기저 형상으로 선정하여 최적 설계를 수행하고, 익형 단일 최적 설계 결과, 플랜폼 단일 최적 설계 결과와 비교 및 분석했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Tiltrotor-based Advanced Air Mobility (AAM) vehicles are required to achieve high propulsive efficiency while meeting performance demands across a wide range of flight conditions, including vertical takeoff and landing (VTOL), hover, and forward flight. In this study, a fully integrated optimization framework is developed using the open-source Process Integration and Design Optimization (PIDO) software RCE (Remote Component Environment), with the objective of maximizing the propulsive efficiency of tiltrotor configurations under these varying operating conditions. The sectional airfoil optimization is performed using the high-fidelity computational fluid dynamics (CFD) solver SU2, which enables accurate sensitivity evaluation through the discrete adjoint method. Hicks-Henne shape functions are employed to parameterize the airfoil geometry, and the objective function is defined as the maximization of the sectional lift-to-drag ratio. Planform optimization is conducted using the DAKOTA package embedded within RCE. The design variables consist of the chord length and twist angle specified at five radial locations, and the objective function is set to maximize the overall propulsive efficiency of the rotor. For each candidate design, aerodynamic performance is evaluated through the Multi-Fidelity Hybrid Aerodynamic Solver (MFHAS), which integrates a panel-based vortex particle method with supplemental loss models. The proposed PIDO-based integrated optimization framework is finally applied to a tiltrotor blade using the XV-15 configuration developed by Bell as the baseline. The resulting optimal design is compared with the individual optimizations of the airfoil sections and the blade planform to assess the relative improvements in aerodynamic performance.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 선행 연구 1
• 1. 연구 배경 및 필요성 1
• 2. 국내외 연구 동향 4
• 제2절 연구 목표 및 방법 7
• 제 2 장 본론 8
• 제1절 PIDO(Process Integration and Design Optimization) 8
• 1. RCE(Remote Component Environment) 12
• 2. RCE 통합 Wrapper 구성 13
• 제2절 기저 형상 및 공력 해석자 검증 15
• 1. 기저 형상 선정 15
• 2. MFHAS (Multi-Fidelity Hybrid Aerodynamic Solver) 17
• 가. 수치 해석 기법 20
• 나. MFHAS (Multi-Fidelity Hybrid Aerodynamic Solver) 23
• 3. 해석 기법 검증 26
• 제3절 블레이드 익형 최적 설계 29
• 1. 수치 해석 기법 29
• 2. 익형 최적 설계 프로세스 35
• 가. 기저 형상 공력 해석 37
• 나. 익형 최적 설계(0.51R) 40
• 다. 익형 최적 설계(0.80R) 44
• 라. 최적 형상 공력 해석 및 결과 분석 48
• 제4절 블레이드 플랜폼 최적 설계 50
• 1. 최적화 알고리즘 선정 50
• 2. 플랜폼 최적 설계 프로세스 53
• 가. 기저 형상 공력 해석 54
• 나. 3D 블레이드 플랜폼 최적 설계 55
• 다. 최적 형상 공력 해석 및 결과 분석 58
• 제5절 익형-플랜폼 동시 최적 설계 60
• 1. 익형-플랜폼 동시 최적 설계 프로세스 60
• 2. 익형-플랜폼 동시 최적 설계 Framework 검증 63
• 가. 익형-플랜폼 동시 최적 설계 63
• 나. 최적 형상 공력 해석 및 결과 분석 71
• 제 3 장 결론 77
• 참고문헌 79
• ABSTRACT 84