5공 다기능 프로브의 측정 정확도 향상을 위한 형상 최적 설계 = Design Optimization of a Five-Hole Multi-Function Probe for Improved Measurement Accuracy

국문 초록 (Abstract)

군과 민간에서의 무인 항공기의 활용도와 판매량이 증가하고, 고정익 형태를 가진 무인기가 군에 도입됨에 따라 무인 항공기에 장착되는 자세 제어 및 속도 제어를 위한 피토 프로브의 설계에 대한 중요성이 증가하였다. 유동의 방향 및 속도를 동시에 측정할 수 있는 5공 다목적 프로브에 대한 개발은 많은 선행 연구가 있지만, 항공기의 동체 효과가 프로브의 측정 정확도에 미치는 영향에 관한 연구는 수행되지 않은 상황이다. 이에 따라 본 연구에서는 무인 항공기의 동체효과를 제거하고 측정 정확도를 향상시킬 수 있는 새로운 5공 다목적 프로브의 형상을 설계하였다.
OpenVSP를 통해 설계한 동체를 바탕으로 5공 다목적 프로브의 기저 형상을 장착한 RQ-102K 참매의 CFD 분석을 통해 기저 형상이 갖는 프로브 내 유동 특성과 측정 정밀도를 각 프로브 말단에서 측정한 Total Pressure를 통해 분석하고 이를 기반으로 기저 형상의 특징 형상을 설계 변수로 파라미터 화하였다. 파라미터 분석을 위한 실험점 생성은 Latin Hypercube Sampling Method를 통해 수행하였다. 이를 통해 각 파라미터의 수준을 통일시켰으며 파라미터 공간 내에서 무작위성을 강화하여 30회의 반복 해석으로 높은 정확도의 파라미터 분석 결 과를 획득하고자 하였다.
검증된 상용 전산유체역학 소프트웨어인 STAR-CCM+에 내장된 시뮬레이션 자동화 소프트웨어 Design Manager를 통해 반복 해석을 수행하였다. 해석 결과의 Total Pressure와 자세각 압력공에서 발생한 압력 값, Inlet에서 측정된 Reference Total Pressure를 바탕으로 각 프로브의 성능을 분석하고, 서포트 벡터 회귀를 통해 파라미터에 따른 회귀식을 구성하였다. 회귀식으로 작성한 반응 표면을 통해 최적의 성능을 갖는 파라미터값을 도출하였다. 이를 통해 최종적으로 RQ-102K 참매의 비행 조건에 적합한 새로운 형상의 프로브를 설계하였으며, 기준 형상이 되는 5공 다목적 프로브와의 성능을 비교하고, 항공기의동체 효과에 영향을 줄일 수 있는 프로브의 설계 파라미터를 제시하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The increasing utilization and sales of unmanned aerial vehicles (UAVs) in both military and civilian sectors, along with the introduction of fixed-wing UAVs into the military, have underscored the importance of designing pitot probes for attitude and speed control in these aircraft. While extensive research exists on developing five-hole multi-purpose probes capable of simultaneously measuring flow direction and velocity, the influence of airframe effects on the measurement accuracy of these probes remains unexplored. This study focuses on designing a new five-hole multi-purpose probe that mitigates the impact of airframe effects on UAVs, thereby enhancing measurement accuracy.
A CFD analysis of the RQ-102K Chammae equipped with a baseline five-hole multi-purpose probe was conducted. The airframe for this analysis was designed using OpenVSP. By analyzing the flow characteristics and measurement precision within the probe using total pressure measured at each probe tip, the design features of the baseline geometry were parameterized. The Latin Hypercube Sampling Method was employed to generate experimental points for parameter analysis. This approach ensured consistent levels for each
parameter and enhanced randomness within the parameter space. Highly accurate parameter analysis results were achieved through 30 iterations.
Iterative analysis was performed using the Design Manager, a simulation automation software embedded in the commercial computational fluid dynamics software STAR-CCM+. The performance of each probe was analyzed based on the total pressure from the analysis results, pressure values at the attitude angle pressure holes, and the reference total pressure measured at the inlet. Support vector regression was then used to construct regression equations for each parameter.
The response surface generated from the regression equations allowed for the derivation of parameter values for optimal performance. This process led to the design of a new probe geometry suitable for the flight condition of the RQ-102K Chammae. Finally, the performance of the new design with the baseline five-hole multi-purpose probe was compared and design parameters that can reduce the influence of airframe effects were identified.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구 배경 및 목적 1
• 1. 연구 배경 및 목적 1
• 가. 피토 정압 프로브 연구 사례 1
• 나. 5공 다기능 프로브 연구 사례 3
• 2. 연구 방법 5
• 제2장 본론 6
• 제1절 UAV 및 프로브 형상 설정 6
• 1. UAV 기체 형상 6
• 2. 5공 다기능 프로브 개요 및 형상 선정 9
• 가. 피토 프로브 9
• 나. 5공 다기능 프로브 11
• 다. 5공 다기능 프로브 기준 형상 16
• 제2절 공력 해석 17
• 1. 수치해석 기법 17
• 가. 격자 생성 기법 18
• 1) Tetrahedral 18
• 2) Trimmed Cell 20
• 3) Polyhedral 22
• 2. 격자 의존도 검증 24
• 3. 기준 형상 해석 결과 29
• 4. 동체 영향 분석 33
• 제3절 파라미터 분석 43
• 1. 실험 설계법 43
• 가. 반응 표면 분석법 43
• 나. Latin Hypercube 샘플링 45
• 2. 파라미터 선정 47
• 3. 파라미터 분석 50
• 가. 실험점 해석 50
• 나. 민감도 분석 51
• 다. 최적 형상 선정 57
• 제4절 최적 형상 분석 60
• 제3장 결론 63
• 참고문헌 66
• ABSTRACT 71