Development of an improved framework for the conceptual design of a rotorcraft

Lim, JaeHoon,Shin, SangJoon,Laxman, Vaitla,Kim, Junemo,Jang, JinSeok Emerald Group Publishing Limited 2014 Aircraft engineering and aerospace technology Vol.86 No.5

<P><B>Purpose</B></P> <P> – The purpose of the present paper is to obtain the capability of designing modern rotorcrafts with enhanced accuracy and reliability. </P> <P><B>Design/methodology/approach</B></P> <P> – Among the existing rotorcraft design programs, an appropriate program was selected as a baseline for improvement. It was based on a database comprising conventional fleets of rotorcrafts. The baseline program was not robust because it contained a simple iteration loop, which only monitored the gross weight of the aircraft. Therefore, it is not accurate enough to fulfill the quality and sophistication of a conceptual design framework useful for present and future generations of rotorcrafts. In this paper, the estimation formulas for the sizing and weight of the rotorcraft subsystem were updated by referring to modern aircraft data. In addition, trend curves for various turboshaft engines available these days were established. Instead of using the power estimation algorithm based on the momentum theory with empirical corrections, blade element rotor aerodynamics and trim analysis were developed and incorporated into the present framework. Moreover, the simple iteration loop for the aircraft gross weight was reinforced by adding a mathematical optimization algorithm, such as a genetic algorithm. </P> <P><B>Findings</B></P> <P> – The improved optimization framework for rotorcraft conceptual design which has the capability of designing modern rotorcrafts with enhanced accuracy and reliability was constructed by using MATLAB optimization toolbox. </P> <P><B>Practical implications</B></P> <P> – The optimization framework can be used by the rotorcraft industries at an early stage of the rotorcraft design. </P> <P><B>Originality/value</B></P> <P> – It was verified that the improved optimization framework for the rotorcraft conceptual design has the capability of designing modern rotorcrafts with enhanced accuracy and reliability.</P>

세계 회전익기 산업 기술 동향

김준호(Kim, Joune-Ho),오경륜(Oh, Kyung-Ryoon),최석(Choi, Seok),김명집(Kim, Myung-Jib),안이기(Ahn, Iee-Ki),박중용(Park, Joong-Yong),황창전(Hwang, Chang-Jeon) 한국항공우주연구원 2013 항공우주산업기술동향 Vol.11 No.2

본 논문에서는 미국 정부의 회전익기 기술 개발 로드맵과 군용헬기 개발 현황 및 계획을 검토하고, NASA 및 업체들의 주력 사업을 분석하고, 유럽연합(EU)의 "항공 및 항공운송시스템(AAT)" 관련된 프로그램과 회전익기 기술의 연구개발 사업들을 소개한다. 그리고, 중국, 인도, 일본, 러시아의 회전익기 산업동향을 살펴본다. 또한, 세계 민수헬기 시장의 80%이상의 점유율을 가지고 있는 4대 헬기 제조사에 대한 사업 현황과 항공전자장비 기술개발 관점에서 미국의 NextGen 프로그램의 헬기 안전성 향상 활동 분석을 제시한다. 본 논문을 통해 세계 회전익기 산업과 기술동향을 고찰하고, 국내 회전익기 산업 육성 전략으로서 국제공동개발과 헬기 핵심기술 확보를 제안하고, 우리나라의 차세대 회전익기 개발 비전을 제시한다. This paper reviews rotorcraft technology road-map of USA government and military rotorcraft development plan and analyzes business and research of NASA and some American helicopter manufacturers. And it introduces European Union(EU)"s programs related to the area of "Aeronautics and Air Transport system(AAT)" and R&D projects of EU"s rotorcraft technologies. And it investigates the rotorcraft industrial trend of China, India, Japan and Russia. Also, this paper provides the current business situation of the worldwide four helicopter manufacturers which have over 80% civil helicopter market share and the activities analysis for improving helicopter flight safety of NextGen program(U.S.) in terms of technology development trend of helicopter avionics. Through this paper, it shows the current industrial and technological trend in the world rotorcraft. It proposes the strategy of international cooperated development and helicopter core technology development and the vision of Korean next generation rotorcraft for domestic rotorcraft industry.

Performance Analysis of a Conceptual Urban Air Mobility Configuration Using High-Fidelity Rotorcraft Flight Dynamic Model

Jun-Young An,최유승,이일령,임민규,김창주 한국항공우주학회 2023 International Journal of Aeronautical and Space Sc Vol.24 No.5

As the demand of designing the complex configuration like compound rotorcraft or tilt-rotor rotorcraft increased, prediction of performances for those complex configurations is important. Therefore, performance analysis for propeller or rotor-driven aircraft/rotorcraft has been performed to estimate the performance of several rotorcraft configurations. To achieve this goal, flight dynamic model, helicopter trim, linearization, and simulation (HETLAS) is used which could represent the flight dynamic characteristics of various rotorcraft from conventional rotorcraft, propeller-driven fixed-wing aircraft, to more complex configurations. Considering the detailed configuration, point performance analysis and mission performance analysis were performed. Point performance analysis predicts the maximum endurance and range and others with various flight conditions. Mission performance analysis predicts the performance based on given mission profiles. The proposed approach is validated with some reference data of the Bo-105 rotorcraft. And the proposed methods are applied to UAM (Urban Air Mobility) configuration at the end to estimate the performance of the developed conceptual UAM configuration.

차세대 회전익 기본개념설계/통합해석 프로그램의 개발

오세종(Sejong Oh),박동훈(Donghun Park),지형민(Hyung Min Ji) 한국항공우주학회 2021 韓國航空宇宙學會誌 Vol.49 No.1

저자는 이전 두 편의 논문[1,2]을 통하여 미국과 유럽의 헬리콥터/회전익 개발에 대한 현황을 발표하였다. 그러나, 최근 세계적으로 진행되고 있는 차세대 회전익의 개발은, 이제까지 전통적으로 사용되었던 헬리콥터의 단점을 보완하는 새로운 형상(틸트 로터, 동축반전, 복합형)의 회전익 수직이착륙기들이 나타나고 있다. 이러한 새로운 형상의 회전익 개발을 위해서는, 이제까지 전통적인 헬리콥터 개발에 사용되었던 기본개념설계/통합해석 프로그램을 한 단계 업그레이드한 새로운 설계/해석 프로그램이 필요하다. 미국과 유럽에서는 이미 반세기 이상 자체 축적되었던 기술 및 데이터베이스를 이용하여 새로운 개발 프로그램들이 만들어지고 있다. 국내에서도 지난 20여 년간 헬리콥터와 다양한 형상의 회전익 개발이 이루어지면서 국내 연구진들에 의해 요소기술(공력, 구조해석 및 동역학, 비행역학, 소음해석 등 분야)들이 개발되었고 여전히 진행 중이다. 이들 개발된 요소기술들의 성숙도는 해외 선진국에 상응하는 정도이다. 본 논문에서는 미국/유럽에서 사용되고 있는 차세대 회전익 개발에 사용되는 기본개념설계/통합해석 프로그램들에 대한 장/단점들을 요약해 보고, 또한 앞에서 언급한 국내 연구진들에 의해 축적된 기술들에 대한 평가와, 이들을 통합하여 우리자체의 기본개념설계/통합해석 프로그램을 개발하는 가능성과 문제점들을 조사해 보았다. The authors had presented two previous papers[1,2] on Helicopter/Rotorcraft develoment in Europe and US. Meanwhile, the next generation rotorcrafts, currently under development in US and Europe, have new configurations (tilt-rotor, coaxial, compound) of rotor-type vertical takeoff/ landing rotorcrafts to overcome the disadvantages of traditional helicopters. For developing these new types of rotorcrafts, the upgraded conceptual design/comprehensive programs are required. In US and Europe, they are already developing new program tools with their technologies and database obtained during more than last half centuries. For us, many academia, research institutes and industrial engineers have experienced and developed core technologies on rotorcrafts (aerodynamics, structural analysis, flight dynamics, and noise analysis etc.) comparable to US and Europe during last couple of decades of developing helicopters and various configurations of rotorcrafts. In this paper, the pros and cons of conceptual design /comprehensive tools currently used in US and Europe have been summarized. Furthermore, the possibilities and problems to develope our own design and analysis tools have been studied.

유ㆍ무인 회전익기 주요 설계변수의 추세선 식 유도 및 비교 분석 연구

황창전(Changjeon Hwang),김승범(Seungbum Kim) 한국항공우주학회 2006 韓國航空宇宙學會誌 Vol.34 No.2

동 연구에서는 유ㆍ무인 회전익기의 초기 사이징에 활용할 각종 설계변수에 대한 데이터베이스를 구축하여 추세선 식을 유도하고, 유ㆍ무인 회전익기 간 주요 설계변수의 특정을 비교 분석하여 회전익기 초기사이징의 용이성을 제고하고자 하였다. 연구접근방법으로 먼저 Jane 연감을 이용하여 유인기 78개 기종, 무인기 33개 기종에 대하여 데이터베이스를 구축하고, 구축된 데이터를 이용하여 회귀 분석을 통하여 총 6종의 추세선 식을 유도하였다. 계산된 상관계수와 결정계수에 따라 대부분의 추세선은 상대적으로 유의성이 있음을 알 수 있었다. 그리고, 유인 회전익기의 추세선 및 데이터베이스 그래프와 무인 회전익기 그래프 비교를 통하여 각 회전익기 간 주요 설계변수별 정성적 특정을 비교 분석하였다. 이를 통해 도출한 무인 회전익기의 몇가지 특정은 유인기에 비해 주로터 직경과 최대이륙중량은 작게, 꼬리로터 직경은 크게 설계하며, 자체무게비는 유인기와 유사한 수준이라는 것이다. Design parameters of manned and unmanned rotorcrafts have been investigated to construct a design database and to derive trend curves. Design parameters of 78 manned rotorcrafts and 33 unmanned rotorcrafts have been collected and analyzed using linear regression method. Six kinds of trend curves equations are derived. Most of trend curves derived are relatively meaningful according to the calculated correlation and determination coefficients. The comparisons between manned and unmanned rotorcraft characteristics are performed. It has been drawn according to the comparisons that unmanned rotorcraft has smaller main rotor diameter and maximum take-off weight, bigger tail rotor size and similar level of empty weight fraction than manned rotorcraft.

미국과 유럽의 차세대 회전익 기술 개발 현황

오세종(Sejong Oh),김성환(Sung Hwan Kim) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.8

현재 유럽과 미국에서는 각각 GRC(Green Rotorcraft) 와 SRW (Subsonic Rotary Wing program) 프로그램을 통하여 차세대 회전익기 개발이 진행 중에 있다. 이들 프로그램의 최종 목적은 현재 사용 중에 있는 단거리 여객기를 일부 대체 할 수 있는 틸트로터 타입의 중/소형 민간 회전익기 개발에 목적을 두고 있다. 또한 이들 틸트 로터의 민간 운영에 운영할 수 있는 안전한 운행을 위하여, 각각 개발 중인 air transport management(ATM) 시스템인 SESAR(Single European Sky ATM Research) 와 NextGen(Next Generation Air Transport System)과 융합하는 기술도 병행되고 있다. 이들 프로그램들은, 최종 목표인 틸트 로터기의 개발이 진행되는 중간 과정으로, 현재 사용되고 있는 헬리콥터의 성능의 향상도 병행하고 있다. 이러한 성능 개발은 좀 더 효율적인 추진기관, 능동 로터 시스템, 내/외부의 소음 감소 등에 중점을 두고 있다. 특히 유럽의 GRC 프로그램에서는 소음, 연료 소비율, 배기가스 (CO2, NOx)의 절감 등에 매우 구체적인 목표를 설정하여 기술 개발을 진행 중에 있다. In Europe and USA, new programs called GRC(Green Rotorcraft) and SRW (Subsonic Rotary Wing program) respectively, have been currently underway for developing the next generation rotorcraft. The final goal is to develope fuel-efficient/environmental-friendly tilt-rotor civilian rotorcraft, which can partly replace short-range regional aircrafts. Also for safe operation, the new rotorcraft technology is cooperated with the new air transport management(ATM) system, called SESAR(Single European Sky ATM Research) and NextGen(Next Generation Air Transport System) in Europe and USA. In addition to achieve the final goal, the tilt-rotor aircraft, they are trying to improve the performance of conventional helicopters by adopting more efficient propulsion system, active rotor system, and reducing internal and external noise. Especially in GRC program of Europe, the environmental factors such as noise, fuel efficiency, reduction of emission gas(CO2, NOx), are focused for the new technologies.

수송급회전익기 Category A 적합성 입증을 위한 비행경로 최적설계

안준영(Jun Young An),김창주(Chang-joo Kim),허성욱(Sung wook Hur),이성한(Seong han Lee) 제어로봇시스템학회 2019 제어·로봇·시스템학회 논문지 Vol.25 No.12

Category A certification is required for multi-engine rotorcrafts with over 20,000lbs. Normally Category A performance is proofed with actual flight tests. But federal aviation regulations also state that simulation methods also could be applied as ancillary method but authorization must be needed from airworthiness authorities before used. In this study, firstly formulate the Non-linear Optimal Control Problems (NOCP) to analysis the 4 types of Category A takeoff and landing procedures found in regulations. Pseudo-spectral method and robust Sequential Quadratic Programming (rSQP) methods are used to solve the NOCP formulation. The rotorcraft mathematical model suggested by the Chen is used in this study and the BO-105 rotorcraft is implemented to the model. After then, results are reviewed whether they satisfy the requirements of Category A and compared with Category A takeoff and landing procedures showed at the rotorcraft flight manual of BO-105 rotorcraft. As a result, the proposed methods could be used for the rotorcraft Category A certification programs.

해외 선진국의 차세대 회전익기 기술발전 방향 및 동향

김덕관(Deog-Kwan Kim) 한국항공우주연구원 2021 항공우주산업기술동향 Vol.19 No.1

세계 선진국은 현재 운용 중인 회전익기(헬리콥터)를 대체할 미래형 차세대 회전익기 기술개발에 연구개발을 집중하고 있다. 현재 운용 중인 회전익기의 한계인 최대 속도와 비행거리를 극복할 기술을 연구개발하여 적용하려고 한다. 대표적인 해외 기술선진국은 미국과 유럽(프랑스, 독일, 이탈리아, 러시아)이다. 미국의 경우, 시콜스키사와 보잉사 연합체의 S-97 Raider, SB-1 Defiant 기종과 Bell사의 V-280 Valor 중심으로 기술을 설명하고, 유럽의 경우 에어버스 헬리콥터사 주관의 RACER를 중심으로 소개하며, 기타 러시아와 중국의 기술개발 현황도 간략하게 기술하고자 한다. 따라서 해외 선진국의 차세대 회전익기의 기술 동향을 분석하여 국내의 차세대 기동헬리콥터 체계 개발할 때 선행적으로 확보해야 하는 핵심기술 내용을 파악하고 정리하였다. Other countries such as USA, Europe have developed the future vertical lift (next rotorcraft, FVL) to replace existing conventional helicopter. FVL has the capability to overcome forward flight speed and flight range compared to existing rotorcraft. Major countries to develop next high speed long-range rotorcraft are USA, France, Germany, Russia. In USA, Sikorsky and Boeing consortium are developing S-97 Raider, SB-1 Defiant. Bell helicopter are developing Bell 360 Invictus and V-280 Valor. In Europe, Airbus Helicopter are developing RACER. Leonardo are developing NGCTR. So, recent technologies on FVL are described based on these major helicopters. Russia and China’s helicopter will be described shortly. Therefore this paper describes the next rotorcraft technologies of other advanced rotorcraft to identify the core technologies to be developed in Korea for the domestic next generation utility helicopter development program

민간 소형 회전익항공기용 복합재 연료탱크의 내추락성 인증시험 방법에 대한 연구

김영인,양용만 한국융합과학회 2023 한국융합과학회지 Vol.12 No.11

Purpose Compared to the past, modern rotorcraft and parts using many composite materials are being developed, so certification is required. When a rotorcraft crashes, secondary aircraft damage and casualties are caused by fuel leakage from the damaged fuel tank, so the fuel tank must have crashworthiness against impact. This paper studied the method and procedures of the crashworthiness qualification test for the Integral fuel tank made of composite materials used in civil rotorcraft. Methods Research trends, technical data, KAS Part 27 and 29, FAA 14 CFR Part 27 and 29, FAA AC 27 and 29, EASA CS-27 and 29 Standards Certification Standards and Specifications were analyzed. And based on this, the method and procedures of the crashworthiness qualification test was derived. A qualification test was conducted and evaluated according to the method and procedures derived, and appropriate methods and procedures for the crashworthiness certification test were presented. Result FAA AC 27 was found to be the most suitable certification standards. In addition, the results of the certification test were evaluated as appropriate for the test methods and procedures established. For objectivity, external specialized institutions confirmed test methods and procedures. The wind speed condition of the test environment was appropriately evaluated to be 1.54 m/s or less of the FAA Calm wind standard. Conclusion The results of this study can be used to establish the methods and procedures for the crashworthiness certification test in the fuel tank of the developed civilian rotorcraft. And it can be used as basic data for design, development, and testing. Also, it can also be used for the Qualification Test about fuel tanks of civilian UAM(Urban air mobility) and drones 연구목적 과거에 비해 현대 항공기는 비강도가 우수한 복합재료(Composite materials)를 많이 사용하고 있으며 국내에서도 많은 복합재료를 적용한 회전익 항공기 및 부품이 개발되고 있어 이에 대한인증이 필요하다. 회전익 항공기는 추락 시, 파손된 연료탱크의 연료 누설에 의해 2차 항공기 파손및 인명 손실이 발생되고 있어 연료탱크는 충격에 대한 내추락성을 보유해야 한다. 본 논문은 민간회전익 항공기 및 복합재료 재질의 일체형 연료탱크(Integral fuel tank)에 대하여 내추락성 인증시험방법과 절차를 연구하였다. 연구방법 국내외 연구동향 및 기술자료를 분석하고 KAS Part 27과, FAA 14 CFR Part 27과 29, FAA AC 27과 29, EASA CS-27과 29 규격을 분석하였다. 그리고 이를 기반으로 내추락 시험방법과 절차를 도출하였다. 도출된 결과에 의거 인증시험을 실시 및 평가하였으며 이를 통해 적합한 내추락 인증시험 방법과 인증절차를 제시하였다. 결과 인증 규격은 FAA AC 27이가장 적합한 것으로 나타났다. 그리고 인증 시험 결과, 수립한 시험방법과 절차가 적절한 것으로 평가되었다. 객관성을 위해 외부 전문기관이 시험방법 및 절차를 확인하고 현장참관 방식으로 실시하는것이 타당한 것으로 나타났으며 시험환경의 풍속 조건은 FAA Calm wind 기준인, 1.54 m/s 이하를적용한 것도 적절하게 평가되었다. 결론 본 연구 결과는 개발되는 민간용 회전익 항공기의 연료탱크내추락성 인증시험 방법과 절차 수립에 활용될 수 있으며 설계, 개발, 시험의 기초 자료로 활용될수 있다. 또한 민간용 UAM(Urban air mobility)과 드론의 연료탱크 내추락 인증시험에도 활용될 수있다.

Further Improvement in Rotor Aerodynamics Estimation in Helicopter Conceptual Design and Optimization Framework for a Compound Rotorcraft

임재훈,신상준,기영중 한국항공우주학회 2017 International Journal of Aeronautical and Space Sc Vol.18 No.4

In order to include the design capability for a compound rotorcraft in a helicopter conceptual design and optimization framework, relevant further improvement was planned and conducted. Previously, a certain conceptual design optimization framework was developed by the present authors to design a modern rotorcraft with single main and tail rotor. The previously developed framework was further improved to expand its capability for a compound rotorcraft. Specifically, its power estimation algorithm was upgraded by using a comprehensive rotorcraft analysis program, CAMRAD II. The presently improved conceptual design and optimization framework was validated using data of the XH-59A aircraft.