UAM 항공기의 낙뢰 영향성 분석 및 인증기술 접목에 관한 연구 = Analysis of Effects of Lighting on UAM Aircraft and a Proposal to Establish Certification Guidance

국문 초록 (Abstract)

UAM 항공기는 도시 안팎으로 승객을 운송하는 중소형 항공교통 시스템이다. UAM 항공기는 친환경 전기 추진 시스템을 기반으로 하여 이동성을 높이고 3차원 공역의 활용을 극대화한다. 그러나 UAM ​​항공기는 상대적으로 작은 크기와 지면 가까이에서 비행하는 특성이 있기 때문에 낙뢰와 전자기장에 매우 취약하다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 연구에서는 다양한 형상의 UAM 항공기에 대한 낙뢰 부착 구역 예측 방법을 개발하고 낙뢰가 UAM 항공기에 미치는 직/간접적인 영향을 연구했다. 먼저, 대표적인 UAM 항공기 4대의 형상, 날개 없는 멀티콥터 1대, 날개 리프트/크루즈 1대, 날개 벡터 추력 2종 포함에 대한 낙뢰 부착 구역 분석을 위한 전산해석 모델을 개발했다. 낙뢰 구역 분석 결과 Prop-rotor blade tip은 초기 낙뢰 부착 가능성이 높은 구역 1A로 식별되었다. Woven carbon/epoxy laminate로 만들어진 Prop-rotor blade에 대한 낙뢰의 직접적인 영향은 시험적 방법과 수치적 방법을 모두 사용하여 연구되었다. 일반적으로 전산해석 결과의 손상 패턴은 시험 결과의 손상 패턴과 상당히 잘 일치했다. 또한, UAM 항공기에 관한 낙뢰 간접 및 HIRF 환경에 대한 전산해석을 통해 기체 내외부에 유도되는 전류값을 분석하였습니다.
미래에는 UAM 항공기의 새로운 추진시스템에 필요한 배터리, 전기모터, 인버터, 수소연료탱크의 활용이 증가할 것이며, 이러한 변화를 적절히 반영한 낙뢰 및 HIRF 보호 시스템의 설계가 중요한 과제로 떠오를 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

UAM (Urban Air Mobility) aircraft is small and medium-sized air transportation system that transport passengers in and out of cities. UAM aircraft is based on an eco-friendly electric propulsion system to alleviate the problem of traffic congestion and maximize the use of three-dimensional airspace. However, UAM aircraft are particularly vulnerable to lightning strikes and electromagnetic fields due to their relatively small size and the characteristics of flying close to the ground.
This study developed a method for predicting the lightning attachment area for UAM aircraft of various shapes and investigated the direct/indirect effects of lightning on UAM aircraft. First, a computational analysis model was developed to analyze the lightning attachment area for four representative UAM aircraft configurations, including one wingless multicopter, one wing lift/cruise, two types of wing vector thrust. As a result of the lightning zone analysis, the prop-rotor blade tip was identified as zone 1A with a high probability of initial lightning attachment. The direct effect of lightning on the prop-rotor blades made of woven carbon/epoxy laminates was investigated using both experimental and numerical methods. In general, the damage pattern of the computational analysis results was in good agreement with the damage pattern of the test results. In addition, the current values ​​induced inside and outside the aircraft were analyzed through computational analysis of lightning indirect and HIRF (High-Intensity Radiated Field) environments related to UAM aircraft.
In the future, the use of batteries, electric motors, inverters, and hydrogen fuel tanks required for new propulsion systems of UAM aircraft will increase, and the design of lightning and HIRF protection systems that properly reflects these changes will emerge as an important issue.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 목적 3
• Ⅱ. 본론 6
• 1. 항공기 낙뢰 현상 및 개요 6
• 1) 낙뢰 현상 및 항공기 낙뢰 피격 메커니즘 6
• 2) 항공기 낙뢰 적합성 입증절차 및 파형 9
• 2. UAM 항공기 낙뢰 부착구역 예측 11
• 1) Lightning zoning 전산해석 이론 및 모델 11
• 2) Lightning zoning 전산해석 검증 15
• 3) UAM 항공기 Lightning zoning 분석 18
• 3. UAM 항공기 낙뢰 직접 영향성 연구 27
• 1) 낙뢰 직접 영향성 시험 27
• (1) 시험용 시편 제작 27
• (2) 시험용 치공구 제작 및 시험 구성 27
• (3) 인공 낙뢰 피격 시험 결과 29
• 2) 낙뢰 직접 영향성 전산해석 32
• (1) Joule heating 효과 및 열 손상 32
• (2) 낙뢰 아크채널 팽창 이론 33
• (3) Electric-thermal 전산해석 모델 35
• (4) Electric-thermal 전산해석 결과 38
• 4. UAM 항공기 낙뢰 간접 및 HIRF 영향성 연구 44
• 1) 낙뢰 간접 영향성 전산해석 44
• (1) 낙뢰 간접 영향 전산해석 이론 44
• (2) 낙뢰 간접 영향 전산해석 모델 및 결과 45
• 2) HIRF 영향성 전산해석 51
• (1) HIRF 이론 및 전산해석 모델 51
• (2) HIRF 전산해석 결과 54
• Ⅲ. 결론 57
• 참고 문헌 59