최근 UAV의 도심 운용이 확대되면서 공력 소음이 상용화의 핵심 걸림돌로 부각되고 있다. 본 연구는 DJI 9450 기반 덕티드 프로펠러를 대상으로, 추력 성능을 유지하면서 공력 소음을 저감하기 ...
최근 UAV의 도심 운용이 확대되면서 공력 소음이 상용화의 핵심 걸림돌로 부각되고 있다. 본 연구는 DJI 9450 기반 덕티드 프로펠러를 대상으로, 추력 성능을 유지하면서 공력 소음을 저감하기 위한 덕트 형상 최적 설계를 수행하였다. 설계변수는 덕트 출구 확산각과 팁 간극으로 정의하고, 목적변수는 추력과 전체 음압 레벨(OASPL)로 설정하였다. 수치해석은 정상 RANS(SST 𝑘 − 𝜔) 해석으로 추력을, DES 기반 비정상 해석과 FW–H 음향 방정식으로 원거리 SPL과 OASPL을 예측하는 방식으로 수행하였다. 설계공간 표본화에는 라틴 하이퍼큐브 샘플링을 적용하고, 비모수 회귀 기반 응답표면과 다목적 유전 알고리즘(MOGA)을 이용해 파레토 해를 탐색하였다. 또한 동일 프로펠러에 대해 추력–RPM 곡선과 반경 0.5 m, 다각도(30°, 45°, 60°, 90°) 음향 계측 실험을 수행하여 수치해석 결과를 검증하였다. 해석 및 실험 결과, 비덕트가 덕트보다 높은 추력을 보이는 반면, 덕트는 차폐 및 유동 정렬 효과로 대부분 방위각에서 SPL을 감소시켜 추력–소음 간 뚜렷한 트레이드오프가 형성됨을 확인하였다. 출구 확산각 감소와 팁 간극 축소는 제트 가속과 누설유동 감소로 추력을 증가시키지만, 덕트 내벽과의 상호작용을 통해 BVI 및 하중 소음을 증폭시켜 OASPL을 증가시켰다. 다목적 최적화 결과, 출구 확산각 −6.9212°, 팁 간극 4.2928 mm가 소음에 가중치를 둔 대표 최적 형상으로 도출되었으며, 기준 형상과 유사한 추력을 유지하면서 OASPL을 약 3.2 dB 저감하는 결과를 얻었다. 본 연구는 LHS–RSM–MOGA 기반 최적화 절차와 정상–비정상 연계 해석, 실험 검증을 통해 덕트 형상에 따른 추력–소음 트레이드오프를 정량화하고, UAV용 저소음 덕티드 프로펠러 설계를 위한 실질적인 형상 설계 가이드를 제시한다.