Preliminary Design and Characteristics of Tiltrotor Aircraft Nacelle utilizing a Tilt-rotor-only Mechanism = Tilt-rotor-only 메커니즘을 적용한 틸트로터 항공기 나셀의 기본 설계 및 특성

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A tiltrotor aircraft has been widely utilized because it integrated the traits of both fixed- and rotary-wing aircraft. During takeoff and landing, the aircraft operates just as a rotary-wing aircraft, with its both nacelles mounted at the tip of the fixed main wing positioned vertically. In contrast, during the cruise flight, particularly when high-speed forward flight is required, both nacelles will be rotated downward into a horizontal orientation, thereby producing substantial forward thrust. Due to such capability, unlike a conventional aircraft, tiltrotor aircraft does not require a long runway for operation.
Traditionally, tiltrotor aircraft has employed a mechanism where the entire nacelle tilts during mode conversion, as exemplified by XV-15 and V-22 Osprey. However, with advance in modern flight control technology enabling significantly more precise actuation, recent tiltrotor design has adopted the so-called ‘tilt-rotor-only’ mechanism, where only the forward assembly of the nacelle—including the rotor and spinner cone assemblies—is tilted. Such configuration is known to increase the lifespan of internal nacelle hardware, since the engine and associated system remain fixed during the conversion. Moreover, because the engine remains in a horizontal orientation regardless of the flight mode, the exhaust jet will not be directed downward, thereby reducing potential damage to the sideward of aircraft fuselage and enhancing ground crew safety during the ground operation.
The present thesis suggests to design and evaluate the characteristics of a nacelle employing the ‘tilt-rotor-only’ mechanism in comparison with the conventional full-nacelle tilting system. For the baseline configuration, the main wing and nacelle of the XV-15 tiltrotor are reverse-engineered using the available design result and technical manuals. The resulting one is refined to ensure that its aeroelastic, structural, and modal characteristics are consistent with those of the original XV-15 wing–nacelle hardware. Based on such validated baseline, a new nacelle configuration incorporating the ‘tilt-rotor-only’ mechanism will be obtained. In this configuration, structural components such as the locations of the formers and longerons are carefully determined with respect to the weight of the engine and other major internal subsystems.
To quantitatively assess the advantages and characteristics of the proposed nacelle configuration, aeroelastic, structural robustness, and dynamic analyses will be performed using CAMRAD II, ANSYS, and RecurDyn. Furthermore, an aeroelastic assessment especially regarding to the whirl flutter instability in the high-speed cruise flight will be analyzed. Results indicate that the present nacelle provides the sufficient structural robustness and dynamic benefits while maintaining an aeroelastic margin comparable to that of the conventional design.
The findings regarding to the characteristics of the present design of the tiltrotor aircraft are expected to contribute to future detailed design effort for tiltrotor aircraft nacelle incorporating the ‘tilt-rotor-only’ mechanism.

국문 초록 (Abstract)

틸트로터 항공기는 고정익기와 회전익기의 특성을 통합하여 운용 효율을 극대화할 수 있다는 점에서 널리 활용되고 연구되어 왔다. 틸트로터 항공기는 이착륙 시 주익 끝 부분에 장착된 양쪽 나셀을 수직으로 회전시켜 회전익기와 동일한 방식으로 운용되며, 순항 시에는 나셀을 수평 방향으로 회전시켜 강한 전진 추력을 발생시킴으로써 고속 비행이 가능하다. 이러한 특성으로 인해 틸트로터 항공기는 긴 활주로 없이도 이착륙하여 긴 항속 거리를 비행할 수 있다는 장점을 가진다.
XV-15이나 V-22 같은 기존의 틸트로터 항공기는 모드 천이 시 나셀 전체를 회전시키는 방식을 사용해 왔다. 그러나 정밀한 구동 제어가 가능한 최신 항공기 설계기술의 발전에 따라, 최근 설계에서는 로터 결합부 등 나셀 전방부만을 회전시키는 이른바 ‘Tilt-rotor-only’ 메커니즘이 적용되고 있다. 이 방식은 엔진을 포함한 나셀 내부 구성품이 비행 별 모드와 무관하게 고정된 자세를 유지하므로 내구성과 신뢰성이 향상되는 것으로 알려져 있다. 또한 엔진 배기류가 후방 수평 방향으로만 분출되기 때문에, 기존 설계에서 문제되던 동체 측면 가열 및 이착륙 시 지상요원 안전 저해 요소가 감소되는 장점이 있다.
본 논문에서는 기존의 전체 나셀 회전 방식과 비교하여 tilt-rotor-only 메커니즘을 적용한 새로운 나셀 구조를 설계하고, 그 특성을 정량적으로 분석하였다. 이를 위해 XV-15 틸트로터 항공기의 주익-나셀 구조를 공개된 기술 자료와 정비 매뉴얼을 기반으로 역설계하였으며, 공력탄성, 구조, 진동, 중량 및 강성 분포 특성이 실기체와 일치하도록 보정하여 기준 모델을 구축하였다. 이를 토대로 tilt-rotor-only 메커니즘을 적용한 신규 나셀 구조를 설계하였으며, 엔진, 구동부 및 주요 내부 구성품의 배치와 질량 특성을 고려하여 보강재 골조 배치를 결정하였다.
기초 설계된 나셀 설계의 장점과 특성을 평가하기 위해 CAMRAD II, ANSYS, RecurDyn을 이용하여 구조 강도, 동역학, 공력탄성학적 분석을 수행하였다. 특히, 공력탄성학적 특성 해석의 경우 고속 비행 상황에서 훨 플러터(whirl flutter) 현상에 대해 분석하였다. 분석 결과, 본 논문에서 설계한 나셀 구조는 기존 XV-15의 설계와 유사한 공력탄성학적 여유를 유지하면서도, 구조적 건전성과 동역학적 성능 측면에서 충분한 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.
본 연구의 결과는 향후 tilt-rotor-only 메커니즘을 적용한 틸트로터 항공기 나셀의 상세 설계 및 차세대 틸트로터 기체 개발에 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background and Motivation 1
• 1.2 About Tilt-rotor-only Mechanism 4
• 1.3 Previous Studies 6
• 1.4 Objective and Thesis overview 10
• Chapter 2. Baseline Design 12
• 2.1 Background and Motivation 12
• 2.1.1 Main wing geometric analysis 12
• 2.1.2 Main wing component breakdown 14
• 2.2 Nacelle 17
• 2.2.1 Nacelle geometric analysis 17
• 2.2.2 Nacelle component breakdown 20
• 2.3 Characteristics Verification 20
• 2.3.1 Modal analysis 20
• 2.3.2 Structural analysis 27
• 2.3.3 Cross-section property analysis 28
• Chapter 3. Tilt-rotor-only Nacelle Design 32
• 3.1 Facade and Frame 32
• 3.2 Internal Components 34
• 3.2.1 Main gearbox 34
• 3.2.2 Conversion actuator 35
• 3.2.3 Engine 38
• 3.2.4 Hub 38
• 3.3 Finalized Design 39
• Chapter 4. Characteristic Analyses 43
• 4.1 Structural Analysis 43
• 4.2 Dynamic Analysis 51
• 4.3 Modal Analysis 57
• 4.4 Aeroelastic Analysis 61
• 4.5 Center of Gravity Analysis 70
• 4.6 Aerodynamic Drag Analysis 72
• Chapter 5. Conclusion 73
• 5.1 Conclusion 73
• 5.2 Suggestions for Future Works 75
• Appendix 77
• A. General Layout for the Final Design 77
• References 80
• 국문초록 86