Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...
Transcript of Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...
![Page 1: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/1.jpg)
Copyright โ 2021 The Korea Navigation Institute 17 www.koni.or.kr pISSN: 1226-9026 eISSN: 2288-842X
ํญ๊ณต ์ฐ์ฃผ ํด์
J. Adv. Navig. Technol. 25(1): 17-28, Feb. 2021
https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.17
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-CommercialLicense(http://creativecommons.
org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Received 12 January 2021; Revised 29 January 2021Accepted (Publication) 24 February (28 February 2021)
*Corresponding Author; Ho-Yon Hwang
Tel: +82-2-3408-3773E-mail: [email protected]
์ญ์ค๊ณ ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํ ๋์ฌํญ๊ณต ๋ชจ๋น๋ฆฌํฐ์ฉ ๋ณตํฉํ(ํธํธ๋กํฐ + ์๋ ฅ + ์ํญ)
eVTOL์ ๊ณต๋ ฅ ํด์, ์๊ตฌ ๋๋ ฅ ๋ฐ ์ค๋ ์์ธก
Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation of a Compound (Tilt rotor + Lift + Cruise) Type eVTOL for Urban Air Mobility using Reverse Engineering Techniques
๊น ๋ ํฌ1ยท์ด ์ค ํฌ2ยทํฉ ํธ ์ฐ3*
1์ธ์ข ๋ํ๊ต ๋ฌผ๋ฆฌ์ฒ๋ฌธํ๊ณผ, ํญ๊ณต์ฐ์ฃผ๊ณตํ๊ณผ2์ธ์ข ๋ํ๊ต ํญ๊ณต์ฐ์ฃผ๊ณตํ๊ณผ
์ธ์ข ๋ํ๊ต ํญ๊ณต์ฐ์ฃผ๊ณตํ๊ณผ, ์ง๋ฅํ๋๋ก ์ตํฉ์ ๊ณตํ๊ณผ
Dong-Hee Kim1 ยท Joon-Hee Lee2 ยท Ho-Yon Hwang3*
1Department of Physics and Astronomy, and Department of Aerospace Engineering, Sejong University, Seoul 05006, Korea2Department of Aerospace Engineering, Sejong University, Seoul 05006, Korea3Department of Aerospace Engineering, and Department of Convergence Engineering for Intelligent Drone, Sejong University, Seoul 05006, Korea
[์ ์ฝ]
์ต๊ทผ ๋ง์ ๋๋ผ ๋๋์์ ๊ตํต์ฒด์ฆ๊ณผ ๋๋ถ์ด ์ง๊ตฌ์จ๋ํ๋ก ์ธํด ์ฐจ์ธ๋ ์นํ๊ฒฝ ๊ตํต์๋จ์ธ eVTOL์ด ๊ฐ๊ด๋ฐ๊ณ ์๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์
์๋ ๋ง์ ์ ํ์ eVTOL ์ค ๊ณ ์ ๋กํฐ์ ํธํธ๋กํฐ๊ฐ ๊ฒฐํฉ๋ ๋ณตํฉํ eVTOL์ธ ํ๋์๋์ฐจ S-A1์ ์ธ๋ถํ์์ ๋ฒค์น๋งํนํ์ฌ ์ญ์ค
๊ณ ๊ธฐ๋ฒ์ ํ์ฉํ์ฌ ๊ธฐ๋ณธ ํ์์ ๊ตฌํํ์๋ค. CATIA๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ธฐ๋ณธ ํ์์ ๊ตฌํํ ํ ํญ๊ณต๊ธฐ ์ค๊ณ ๋ฐ ๊ณต๋ ฅํด์ ํ๋ก๊ทธ๋จ์ธ
OpenVSP, XFLR5๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ณต๋ ฅํด์์ ์ํํ์๊ณ ๋น๊ต๋ถ์์ ํตํด ์ตํ๊ณผ ๋ถ์๊ฐ, ์/ํ๋ฐ๊ฐ์ ์ ํํ ํ ํญ๊ณต๊ธฐ ํ๋ฉด์ ๋ฐ
ํญ๋ ฅ, ์๋ ฅ์ ๊ณ์ฐํ์๋ค. ๋ํ ์ฃผ์ด์ง ์๋ฌดํ์์ ์ํํ๊ธฐ ์ํ ํ์ ๋๋ ฅ์ ์ฐ์ ํ๊ณ ์ถ์ ์๊ณผ ์๋ฃ์กฐ์ฌ๋ฅผ ํตํ์ฌ ๊ตฌ์ฑํ๊ณผ ์
์ฒด ๋ฌด๊ฒ๋ฅผ ์ถ์ ํ์๋ค.
[Abstract]
Recently, eVTOL, the next-generation of eco-friendly transportation, has been in the spotlight due to global warming along with traffic jams in large cities of many countries. This study benchmark the external features of Hyundai Motors S-A1, a compound eVTOL combined fixed and tilt rotors among many types of eVTOLs, to create the basic configuration using reverse design techniques. Basic configurations were created using CATIA and aerodynamic analyses were performed using the aircraft design and aerodynamic analysis programs, OpenVSP, XFLR5, and the aircraft wetted area, drag, and lift were calculated after selecting the airfoil, incidence angle, and dihedral and anhedral angles through trade study. Also, required powers were estimated for completing the given mission profile and components weight and the total weight were predicted using the estimation formula and data survey.
Key word : eVTOL, Urban air mobility, UAM, Aircraft design, Aircraft weight, Aircraft power.
![Page 2: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/2.jpg)
J. Adv. Navig. Technol. 25(1): 17-28, Feb. 2021
https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.17 18
๊ทธ๋ฆผ 2. ํ๋ S-A1 ํ์ 1[2] Fig. 2. Hyundai S-A1 configuration 1 [2].
Date Company Content
2012 Ehang Start development
2016 Ehang Initial flight
2017. 04 Lilium First flight in 2-seater unmanned mode
2018. 01 Ehang 1000 or more accumulated manned and unmanned flights
2018. 02 Joby 5-seater UAM released
2018. 03 Wisk 2-seater UAM flight
2019. 10 Volocopter Manned flight in city (Singapore)
2019. 12 Lilium 5-seater transition flight
2019. 12 Volocopter EASA design organization certification acquired
2020. 01 Airbus Prototype UAM flight test
2020. 01 Bell Electric aircraft NEXUS4es released
2020.02 Ehang COVID-19 medical supplies transfer
ํ 1. eVTOL ๊ตญ์ธ ์ฐ๊ตฌ๋ํฅ[1]Table 1. eVTOL overseas research trends [1].
๊ทธ๋ฆผ 1. ๋ฏธ๊ตญ eVTOL ์์ฅ ์์ธก[4] Fig. 1. US eVTOL market forecast [4].
โ . ์ ๋ก
eVTOL (electric vertical takeoff and landing)์ ์ ๊ธฐ๋ฅผ
๋๋ ฅ์์ผ๋ก ์ฌ์ฉํ๋ ์์ง ์ด์ฐฉ๋ฅ๊ธฐ๋ค. ์ต๊ทผ ๋๋์์ ์ธ๊ตฌ
์ง์ค์ผ๋ก ์ธํ ๋์ฌ ๋๋ก์ ๊ณ ์๋๋ก ๋ฑ ์ง์๊ตํต๋ง ํฌํ
์ ๋ฐ๋ผ ์ก์ ๊ตํต์๋จ์ด ์๋ 3์ฐจ์ ๊ตํต์๋จ์ ํ์์ฑ์ด
๋๋๋๋ฉด์ ๊ฐ์ธํญ๊ณต๊ธฐ(PAV; personal air vehicle)์ ๋ํ
ํ์์ฑ์ด ์ ์ฐจ ์ฆ๊ฐ๋์ด ์๋ค[1]. ๋ํ ํ๊ฒฝ ๋ฌธ์ ๋ก ์ธํด ํ
์ ๋ฐฐ์ถ ๊ท์ ๊ฐ ์๊ฒฉํด์ง์ ๋ฐ๋ผ eVTOL์ด ์นํ๊ฒฝ ์ฐจ์ธ๋
๊ตํต์๋จ์ผ๋ก ๊ฐ๊ด๋ฐ๊ณ ์๋ค. ๋ฏธ๊ตญ๊ณผ ์ ๋ฝ์ ๋น๋กฏํ ์ธ๊ณ
๊ฐ๊ตญ์์ eVTOL์ ๊ฐ๋ฐํ๊ณ ์๊ณ , ์ด์ ๋ฐ๋ผ ์์ฅ์ ๊ท๋ชจ
๋ ํฌ๊ฒ ์ฆ๊ฐํ ๊ฒ์ผ๋ก ์ ๋ง๋๋ค(๊ทธ๋ฆผ 1).
1-1 ๊ตญ๋ด์ธ ์ฐ๊ตฌ๋ํฅ
ํ๋์๋์ฐจ๋ 2019๋ UAM (urban air mobility) ์ฌ์ ๋ถ๋ฅผ
์ ์ค, eVTOL ๋นํ์ฒด โS-A1โ์ ๊ฐ๋ฐ ์ค์ด๋ฉฐ[2], ํํ๋ Overair์ฌ๋ฅผ ์ธ์ํ์ฌ 2020๋ 2์๋ถํฐ eVTOL โButterflyโ๊ธฐ์ข ์ ์ค๊ณ
๋ฅผ ์งํ ์ค์ด๋ค[3]. ์ต๊ทผ ๊ตญ์ธ ์ฐ๊ตฌ๋ํฅ์ ํ 1์ ์ ๋ฆฌํ์๋ค.
1-2 eVTOL ์ ํ
eVTOL์ ํฌ๊ฒ ๋ฉํฐ์ฝฅํฐ, ํธํธ๋ ๊ฐ, ํธํธ๋กํฐ/๋ํฐ๋ํฌ, ๋ณตํฉํ์ผ๋ก ๋๋๋ค. ๋ฉํฐ์ฝฅํฐํ์ ํ์ ์ต ํญ๊ณต๊ธฐ์ ์ด๋ฅ ๋ฐ
์ถ์ง๋ฐฉ์์ด ์ ์ฌํ๋ฏ๋ก ํธ๋ฒ๋ง ํจ์จ์ด ์ข์ง๋ง ๋นํ์๋๊ฐ
๋๋ ค ์ฅ๊ฑฐ๋ฆฌ ๋นํ์๋ ์ ํฉํ์ง ์๋ค. ํธํธ๋ ๊ฐํ์ ์ฃผ๋ก ๋ถ
์ฐ์ ๊ธฐ์ถ์ง (distributed electric distribution)์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๋ ๊ฐ
๋ฉด์ ์ ์ค์ผ ์ ์๊ณ ์ํญ์๋ ๋ฐ ํญ์๊ฑฐ๋ฆฌ๊ฐ ์ฐ์ํ๋ค. ํ์ง
๋ง ๋ ๊ฐ ํ์ ๋ฑ ์กฐ์ข ์ฅ์น๊ฐ ๋ณต์กํด ์ ์ด๊ฐ ์ด๋ ต๋ค. ํธํธ๋ก
ํฐ/๋ํฐ๋ํฌํ์ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ์ํญ์๋์ ์ํญ๊ฑฐ๋ฆฌ๊ฐ ์ฐ์ํ
์ง๋ง ์ฅ์น๊ฐ ๋ณตํฉํ์ฌ ๊ฐ๊ฒฉ์ด ๋น์ธ๊ณ ์์ง ์ด์ฐฉ๋ฅ ์ ๋กํฐ์
๋ ๊ฐ๊ฐ 90๋๋ฅผ ์ด๋ฃจ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ํจ์จ์ด ๋จ์ด์ง๊ณ ๋ํฐ๋ํฌ์
๊ฒฝ์ฐ ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ ์๋ ์ถ๋ ฅ์ด ํฌ๊ฒ ์ฆ๊ฐํ์ง๋ง ์ ์ง ๋นํ
์ ๋ํธ๋ก ์ธํ ํญ๋ ฅ์ด ํฌ๊ฒ ์ฆ๊ฐํ๋ค. ๋ณตํฉํ์ ํธํธ๋กํฐ/๋ํฐ๋ํฌ, ํธํธ๋ ๊ฐํ์ ์ฅ์ ์ ์ทจํ๋ฉฐ ์ด๋ค์ ๋จ์ ์ ๋ณด์ํ
๋ค. ํ์ง๋ง pod ๋ฑ ๋ถ๊ฐ์ ์ธ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ๋ก ์ธํด ์ด๋ค๋ณด๋ค ๊ณต๊ธฐ์ญ
ํ์ ํจ์จ์ด ๋จ์ด์ง๋ค๋ ๋จ์ ์ด ์๋ค[5].
โ ก. S-A1 ์ ์ ๋ฐ ์๋ฌดํ์
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ํธํธ๋กํฐํ์ ์ฅ์ ์ ์ทจํ๋ฉฐ ์์ ์ฑ์ ์ทจ
์ฝํ๋ค๋ ๋จ์ ์ ๋ณด์ํ ์ ์๋ ๋ณตํฉํ eVTOL์ ์ค๊ณํ๊ธฐ
๋ก ๊ฒฐ์ ํ์๊ณ , ํ๋์๋์ฐจ๊ฐ 2028๋ ์์ฉํ๋ฅผ ๋ชฉํ๋ก ๊ฐ๋ฐ
์ค์ธ eVTOL ํญ๊ณต๊ธฐ์ธ S-A1(๊ทธ๋ฆผ 2)์ ๊ธฐ๋ณธ ๋ชจ๋ธ๋ก ์ ์ ํ
์ฌ ๊ฐ๋ ์ค๊ณ๋ฅผ ์ํํ์๋ค. ํ๋์๋์ฐจ๊ฐ CES 2020์์ ๋ฐ
ํ S-A1์ ์ ์์ ํ 2์ ๊ธฐ์ ํ์๋ค. ๋ํ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋
์๋ฌดํ์์ผ๋ก 100 km ์ดํ ๋ฐ ์ฝ์์ค ๋์ฌ๊ณตํญโ๊นํฌ๊ณตํญ๊ณผ
์ฝ์์ค ๋์ฌ๊ณตํญโ์ธ์ฒ๊ณตํญ ์ดํ์ ์ค์ ํ์๊ณ ์ด๋ฅผ ํ ๋๋ก
eVTOL์ ์ค๊ณ ์๊ตฌ๋์ ์๋ฌดํ์์ ์์ฑํ์ฌ ๊ทธ๋ฆผ 3๊ณผ ํ
2์ ๋ํ๋ด์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 3. S-A1 ์๋ฌดํ์
Fig. 3. S-A1 mission profiles.
![Page 3: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/3.jpg)
์ญ์ค๊ณ ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํ ๋์ฌํญ๊ณต ๋ชจ๋น๋ฆฌํฐ์ฉ ๋ณตํฉํ(ํธํธ๋กํฐ + ์๋ ฅ + ์ํญ) eVTOL์ ๊ณต๋ ฅ ํด์, ์๊ตฌ ๋๋ ฅ ๋ฐ ์ค๋ ์์ธก
19 www.koni.or.kr
Category Imperial Units SI Units
Overall length 35 ft 10.7 m
Fuselage width 5.25 ft 1.6 m
Wing span 49.2 ft 15 m
Propeller diameter 10.5 ft 3.2 m
Skypory footprint 50 ft 15.24 m
MTOW 7,000 lb 3,125 kg
Maximum speed 180 mph 290 km/h
Cruise speed 149 mph 240 km/h
Range 62.14 mile 100 km
Noise Under 55 dB Under 55 dB
ํ 2. ํ๋ S-A1 ์ ์
Table 2. Hyundai S-A1 specification.
Category Design Requirements
Payload 80kg per person (1 pilot and 4 passenger), 15 kg per baggage. Total 460 kg
Range 100 km at MTOW, 25% battery remaining
Cruise altitude 350-600 m
Cruise speed 240 km/h
Maximum speed 290 km/h
Ascent rate 5 m/s with the MTOW on vertical take-off[6], 8 m/s withthe MTOW on cruising altitude during transition flight
Descent rate 1.5 m/s with the MTOW on vertical landing[7]
Engine Electric motor/Battery
ํ 3. S-A1 ์ค๊ณ์๊ตฌ๋
Table 3. S-A1 design requirements.
โ ข. ์ตํ ์ ์ ๋ฐ ๊ณต๋ ฅ ํด์
3-1 ์ฃผ ๋ ๊ฐ ์ตํ
S-A1์ ์ํญ์๋์ธ 240 km/h์ ๋น์ทํ ์ํญ์๋๋ฅผ ๊ฐ
๋ ๊ฒฝํญ๊ณต๊ธฐ๋ค์ ์ตํ์ ์กฐ์ฌํ์ฌ ํ 4์ ์ ๋ฆฌํ์๊ณ
Xflr5 [8]๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ณต๋ ฅํด์์ ์ํํ์๋ค. 2D ๋ถ์
ํ ๋ชฉํ์ ๋ถํฉํ์ง ์๋ 6๊ฐ์ ์ตํ์ ์ ์ธํ๊ณ ๋จ์ 3๊ฐ์ ์ตํ์ 3D์์ ์ํญ ์กฐ๊ฑด์ ๋ง์ถ์ด ๋ถ์ํ์ฌ ๊ทธ๋ฆผ
4์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ NACA 4415๊ฐ ์ํญ ์กฐ๊ฑด์
์ ์ต๋ ์ํญ๋น๋ฅผ ๋ํ๋ด์ด NACA 4415๋ฅผ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ์ต
ํ์ผ๋ก ์ ์ ํ์๋ค.
3-2 ์ฃผ ๋ ๊ฐ ๋ถ์๊ฐ๊ณผ ์๋ฐ๊ฐ
S-A1์ ๋ถ์๊ฐ์ ๊ฒฐ์ ํ๊ธฐ ์ํ์ฌ Xflr5๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ
0~3ห์ ๋ฒ์์์ 0.5ห๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก ๋ถ์๊ฐ์ ๋ณ๊ฒฝํด๊ฐ๋ฉฐ ๋ถ์
์ ์ํํ์๋ค. ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ ์ผ๋ฐ ํญ๊ณต๊ธฐ์ ์ํญ ๋ฐ์๊ฐ์ธ
1~3ห ์ฌ์ด๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ ๋ ๊ทธ๋ฆผ 5์ ๊ฐ์ด 1ห์ ๋ถ์๊ฐ์์
์ํญ๋น๊ฐ ๊ฐ์ฅ ํฐ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ๋ํ S-A1์ root์์ ์๋ฐ๊ฐ์ผ๋ก ์์ํ์ฌ ์ค๊ฐ์์ ์ต๋จ(tip)๊น์ง๋ ํ๋ฐ๊ฐ
์ ๊ฐ๋๋ฐ, Xflr5๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์๋ฐ๊ฐ 2~6ห, ํ๋ฐ๊ฐ 2~6ห, 1ห ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก ์ด 25๊ฐ์ง์ ๊ฒฝ์ฐ์ ์๋ฅผ ์ํญ ์กฐ๊ฑด์ ๋ง์ถ
์ด ๋ถ์ํ์๋ค. ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ root๋ถํฐ ์ค๊ฐ๊น์ง๋ ์๋ฐ๊ฐ 6ห, ์ค๊ฐ๋ถํฐ ์ต๋จ๊น์ง๋ ํ๋ฐ๊ฐ 2ห๊ฐ ์ํญ๋น ๋๋น ๊ฐ๋ก์
์ ์ฑ์ด ๊ฐ์ฅ ์ข์ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค. ์ด๋ฅผ ํ ๋๋ก ๊ทธ๋ฆผ 6์ S-A1์ ํ์์ ๋ํ๋ด์๋ค.
Category Cruise Speed (km/h) Root Airfoil Tip Airfoil
Cessna 172R 226 NACA 2412 NACA 2412 mod
PAC P-750 XSTOL 259 NACA 4415 NACA 4415
Cessna 206H 262 NACA 2412 NACA 2412 mod
Piper PA-32 272 NACA 65-415 NACA 65-415
Diamond DA40 279 Wortmann FX 63-137
Wortmann FX 63-137
Cirrus SR20 287 RONCZ 1082 RONCA 1082
Harbin Y-12 292 LS(1)-0417 LS(1)-0417Douglas SBD-5
dauntless 298 NACA 2415 NACA 2407
Piper PA-44 Seminol 301 NACA 65-415 NACA 65-415
Partenavia P.68 301 NACA 63-515 NACA 63-515
GAF Nomad 311 NACA 23018 NACA 23018
ํ 4. S-A1๊ณผ ์ ์ฌํ ์ํญ ์๋๋ฅผ ๊ฐ๋ ํญ๊ณต๊ธฐ[9]Table 4. Aircraft having similar cruising speed with S-A1 [9].
๊ทธ๋ฆผ 4. ์ฃผ ๋ ๊ฐ ์ตํ๋ณ Xflr5 3D ๊ณต๋ ฅํด์ ๊ฒฐ๊ณผ
Fig. 4. Result of Xflr5 3D aerodynamic analysis for main wing airfoils.
๊ทธ๋ฆผ 5. ์ฃผ ๋ ๊ฐ ๋ถ์๊ฐ Xflr5 ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ
Fig. 5. Result of Xflr5 main wing incidence angle analysis.
![Page 4: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/4.jpg)
J. Adv. Navig. Technol. 25(1): 17-28, Feb. 2021
https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.17 20
๊ทธ๋ฆผ 6. OpenVSP๋ฅผ ์ด์ฉํ S-A1 ํ์1Fig. 6. S-A1 configuration using OpenVSP 1.
๊ทธ๋ฆผ 7. ํ๋ S-A1 ํ์ 2[2]Fig. 7. Hyundai S-A1 configuration 2 [2].
๊ทธ๋ฆผ 8. ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ ์ตํ๋ณ 3D ๊ณต๋ ฅํด์ ๊ฒฐ๊ณผ
Fig. 8. Result of Xflr5 3D aerodynamic analysis for tail wing airfoils.
๊ทธ๋ฆผ 9. NACA 0012, NACA 64A-010 ์ตํ ๋น๊ต
Fig. 9. Comparison of NACA 0012 and NACA 64A-010 airfoil.
3-3 ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ ์ตํ
๊ทธ๋ฆผ 7๊ณผ ๊ฐ์ด S-A1์ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ๋ ๋ณดํธ์ ์ธ ํญ๊ณต๊ธฐ๊ฐ
๊ฐ๋ ํํ์ธ ์ํ, ์์ง ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ๊ฐ ์๋ V ํํ์ ๊ผฌ๋ฆฌ
๋ ๊ฐ์ด๋ค. ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ ์ตํ์ ์ผ๋ฐ ํญ๊ณต๊ธฐ(general aviation)์ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ์ ์ฐ์ด๋ ์ตํ์ธ NACA 0006, NACA 0009, NACA 0012, NACA 64A-010์ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก
Xflr5๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๋น๊ต๋ถ์ํ์๋ค. 2D ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ NACA 0012์ NACA 64A-010์ ์ํญ๋น๊ฐ ๊ฐ์ฅ ์ข์ ๊ฒ์ผ๋ก ๋
ํ๋ฌ๋ค. ์ด ๋ ์ตํ์ 3D์์ ์ํญ ์กฐ๊ฑด์ ๋ง์ถ์ด ๋ถ์
ํ์๋ค. ๋ถ์ ๊ฒฐ๊ณผ ๋ฏธ์ธํ์ง๋ง ๊ทธ๋ฆผ 8๊ณผ ๊ฐ์ด NACA
64A-010์ด NACA 0012๋ณด๋ค ๋์ ์ํญ๋น๋ฅผ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ํ NACA 64A-010์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ทธ๋ฆผ 9์์ ๋ณผ ์ ์๋ฏ์ด
NACA 0012๋ณด๋ค ์ตํ์ ๋๊ป๊ฐ ๋ ์์ผ๋ฏ๋ก ํญ๊ณต๊ธฐ์
๊ณตํ์ค๋์ ์ค์ผ ์ ์๋ค๋ ์ฅ์ ์ด ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ผฌ๋ฆฌ๋
๊ฐ ์ตํ์ผ๋ก๋ NACA 64A-010์ ์ ์ ํ์๋ค.
3-4 ์๋ ฅ ํด์
์์ ๋์ถํด๋ธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ค์ ๋ฐํ์ผ๋ก Xflr5์ OpenVSP [10]๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ์ ์๋ ฅ๊ณ์๋ฅผ ๊ณ์ฐ
ํ์ฌ ๊ทธ๋ฆผ 10๊ณผ ๊ทธ๋ฆผ 11์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๊ทธ ํ CATIA [11]์ OpenVSP๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๋์ฒด ๋ฐ ํญ๊ณต๊ธฐ ์ ์ฒด ํ์
์ ๊ตฌํํ ๋ค ์ ์ฒด ํ์(๊ทธ๋ฆผ 12)์ ๋ํ ์๋ ฅ๊ณ์๋ฅผ ๊ทธ
๋ฆผ 13๊ณผ๊ฐ์ด ๋์ถํ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 10. OpenVSP๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ณ์ฐํ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ์
์๋ ฅ๊ณ์
Fig. 10. Calculation of lift coefficient of main wing and tail wingusing OpenVSP.
๊ทธ๋ฆผ 11. Xflr5๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ณ์ฐํ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ์
์๋ ฅ๊ณ์
Fig. 11. Calculation of lift coefficient of main wing and tailwing using Xflr5.
๊ทธ๋ฆผ 12. OpenVSP๋ฅผ ์ด์ฉํ S-A1 ํ์2Fig. 12. S-A1 configuration using OpenVSP 2.
![Page 5: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/5.jpg)
์ญ์ค๊ณ ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํ ๋์ฌํญ๊ณต ๋ชจ๋น๋ฆฌํฐ์ฉ ๋ณตํฉํ(ํธํธ๋กํฐ + ์๋ ฅ + ์ํญ) eVTOL์ ๊ณต๋ ฅ ํด์, ์๊ตฌ ๋๋ ฅ ๋ฐ ์ค๋ ์์ธก
21 www.koni.or.kr
๊ทธ๋ฆผ 13. OpenVSP๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ณ์ฐํ S-A1 ์๋ ฅ๊ณ์
Fig. 13. S-A1 lift coefficient using OpenVSP.
3-5 ํญ๋ ฅ ํด์
ํญ๊ณต๊ธฐ์ ํญ๋ ฅ์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค.
(1)
(2)
์ฌ๊ธฐ์ CDi๋ ์ ๋ํญ๋ ฅ ๊ณ์, CDp๋ ์ ํดํญ๋ ฅ ๊ณ์์ด๋ค.์ ํดํญ๋ ฅ ๊ณ์()๋ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค[12].
(3)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ํํ ํ๋ฉด๋ง์ฐฐ๊ณ์, ๋ ํ์ ๊ณ์, ๋
ํญ๊ณต๊ธฐ ๊ธฐ์ค ๋์ด, ๋ ์กฐํํญ๋ ฅ๊ณ์, ๋ ๊ธฐ์ ํญ๋ ฅ
๊ณ์, ๋ ๊ธฐํ ํญ๋ ฅ๊ณ์, ๋ ๊ตฌ์ฑํ์ ๋ํ๋ธ๋ค. ์
๋๊ฐ ์์์์ด๋ฏ๋ก ์กฐํํญ๋ ฅ๊ณ์๋ ๊ณ ๋ คํ์ง ์๋๋ค.์ธต๋ฅ์์์ ํํ ํ๋ฉด๋ง์ฐฐ๊ณ์๋ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์
์๋ค.
(4)
๋๋ฅ์์์ ํํ ํ๋ฉด๋ง์ฐฐ๊ณ์๋ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค.
log
(5)
์ฌ๊ธฐ์ ์ ๋ ์ด๋์ฆ์, ์ ๋งํ์๋ฅผ ๋ํ๋ธ๋ค.ํ์๊ณ์๋ ๊ฐ ๊ตฌ์ฑํ์ ๋ํด ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค.
1) ๋ ๊ฐ, ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ, ์ค๋ฌ์คํธ, ํ์ผ๋ฐ
ร
cosmax
(6)
์ฌ๊ธฐ์
๋ ๋๊ป๋น, max๋ ์ต๋ ๋๊ป์ ์ ํํด๊ฐ์ ๋
ํ๋ด๋ฉฐ ์ตํ์ ๊ฐ์ฅ ๋๊บผ์ด ์ ์ ์์๋ฐฉํฅ ๊ฐ์ ์์๋ก
๋๋ ๊ฐ์ธ ๋ ์ ์ํ ์ตํ์ ๊ฒฝ์ฐ 0.3, ๊ณ ์ํ
์ตํ์ ๊ฒฝ์ฐ 0.35๋ฅผ ๊ฐ๋๋ค. ํ์ง์ ์ฐ๊ฒฐ๋ ๋ฐฉํฅํ(hinged rudder)๋ ์น๊ฐํ(elevator)๊ฐ ์๋ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ์ ๊ฒฝ์ฐ ๊ผฌ๋ฆฌ๋
๊ฐ ๋ฉด๊ณผ ์กฐ์ข ๋ฉด ์ฌ์ด์ ํ์๋ก ์ธํด ์ (6)์ผ๋ก๋ถํฐ ๊ตฌํด
์ง ํ์๊ณ์์ 10% ์ ๋๋ฅผ ๋ ์ถ๊ฐํ๋ค.
2) ๋์ฒด, ์ ์ ํ ์บ๋ ธํผ
(7)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ์ธ์ฅ๋น์ด๋ฉฐ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค.
max
(8)
์ฌ๊ธฐ์ ์ ํน์ฑ ๊ธธ์ด, ๋ ์์์ ์ง๋ฆ, max๋ ํด๋น ์
์์ ์ต๋ ๋์ด๋ฅผ ๋ํ๋ธ๋ค. ์ด ๋ ๋จ๋ฉด์ด ์์ธ ๊ฒฝ์ฐ์๋
์ (8)์ 2๋ฒ์งธ ํญ์ ์ด์ฉํ๋ฉฐ ์์ด ์๋ ๊ฒฝ์ฐ์๋ 3๋ฒ์งธ
ํญ์ ์ด์ฉํ๋ค.
3) ๋์ , ์ ์ ํ ์ธ๋ถ ์ฅ์ฐฉ๋ฌผ
(9)
ํ๋ฉด์ (wetted area) ๋ฐ ๋ถ์๋ณ ๊ฐ์ญ๊ณ์(Q)๋ฅผ ํ 5์
๋ํ๋ด์๋ค. ๊ณ์ฐํ ์ ํดํญ๋ ฅ๊ณ์ ๊ฐ์ 10~20%๋ฅผ ๋ํ๋ฉด
์ด ์ ํดํญ๋ ฅ๊ณ์๊ฐ ๋์จ๋ค. ์ค๊ฐ ๊ฐ์ธ 15%๋ฅผ ๋ํ์๋ค.์ ๋ํญ๋ ฅ ๋ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค.
(10)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ๋น๋ก์์์ด๋ฉฐ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค.
(11)
์ฌ๊ธฐ์ ์ ์ข ํก๋น, ๋ ์ค์ค์๋ ๊ณ์์ด๋ฉฐ ์์์, ํ
ํด๊ฐ โค ์์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค.
(12)
![Page 6: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/6.jpg)
J. Adv. Navig. Technol. 25(1): 17-28, Feb. 2021
https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.17 22
Category Laminar
(%)
(count)
(count)Re (1e7)
Fuselage 1.15 - 0 24.3 0.0914 50.3 3.93
Pod (big) 1.05 - 0 26.2 0.0572 31.5 2.38
Pod (small) 1.12 - 0 29.9 0.0209 11.5 1.04
Pod (rear) 1.10 - 0 28.1 0.0434 23.9 1.51
Main wing 1.33 0.15 15 29.0 0.1311 72.2 0.49
Tail wing 1.21 0.1 15 29.6 0.0396 21.8 0.44Propeller (5 blade) 1.5 0.12 0 43.5 0.0788 43.4 0.12Propeller (2 blade) 1.5 0.12 0 43.5 0.0632 34.8 0.12
Misc - - - - - 43.4 -
Total - - - - 0.5256 332.81 -
ํ 6. ์ํญ ์กฐ๊ฑด(M=0.195)์์ ๊ณ์ฐํ ์ ํดํญ๋ ฅ
Table 6. Parasite drag calculated for a cruise condition (M=0.195).
Main Wing Tail Wing
Airfoil NACA 4415 NACA 64-A010
12.36 4.59
0.7 0.91
0.037 0.076
0.64 0.19 (count) 157.2 8.1
Total (count) 165.3
ํ 7. ์ํญ ์กฐ๊ฑด(M=0.195)์์ ๊ณ์ฐํ ์ ๋ํญ๋ ฅ ๋ฐ์ดํฐ
Table 7. Induced drag data calculated for a cruise condition (M=0.195).
Category Tesla 2170 Tesla 4680
Volume 21 mm X 70 mm cylinder 46 mm X 80 mm cylinder
Capacity 4.8 Ah 17.3 Wh 9 Ah 32.4 Wh
Specific energy 247 Wh/kg 380 Wh/kg
ํ 8. Tesla 2170, Tesla 4680 ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ ์ ์[14][15]Table 8. Tesla 2170, Tesla 4680 battery cell specification [14][15].
Category Wetted Area ( )Q (Interference
coefficient)Fuselage 32.613 1
Pod (big) 8.016 1.3
Pod (small) 2.407 1.3
Pod (rear) 5.384 1.3
Main wing 34.054 1
Tail wing 10.788 1.03
Total 109.070 -
ํ 5. OpenVSP์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๊ณ์ฐํ S-A1์ ํ๋ฉด์ ๋ฐ ๋ถ์๋ณ
๊ฐ์ญ๊ณ์
Table 5. Wetted area and the interference factor of S-A1 calculated using OpenVSP.
๊ทธ๋ฆผ 14. ๊ตฌ์ฑํ๋ณ ์ ํดํญ๋ ฅ ๋ฐฑ๋ถ์จ
Fig. 14. Component parasite drag percentage.
๊ฐ ์์น๋ค์ ๋ฃ๊ณ OpenVSP๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ณ์ฐํ ์ ํดํญ
๋ ฅ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ํ 6๊ณผ ๊ทธ๋ฆผ 14์ ๋ํ๋ด์๋ค. ์ด ๋ ํ๋กํ
๋ฌ์ ๋๊ป๋น
๋ 12%๋ก ์ค์ ํ์์ผ๋ฉฐ ์ธต๋ฅ์ ์ํฅ์
๋ฐ๋ ์ ๋๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ์๋ค[13]. ๋ํ Xflr5๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ณ์ฐ
ํ ์ ๋ํญ๋ ฅ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ํ 7์ ๋ํ๋ด์๋ค.
โ ฃ. ์๊ตฌ ๋๋ ฅ ๋ฐ ํญ๊ณต๊ธฐ ์ค๋ ์ถ์
4-1 ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ ์
๊ธฐ์ค์ด ๋๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ๋ก Tesla 2170์ ์ ์ ํ์๋ค. ์ฌ๊ธฐ
์ 2020๋ 9์ 22์ผ Tesla ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ๋ฐ์ด์์ ์ผ๋ก ๋จธ์คํฌ
๊ฐ ๋ฐํํ Tesla 4680๊ณผ ์ฐจ์ธ๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ํ๋ณด๊ตฐ์ธ ๋ฆฌํฌ-ํฉ, ๋ฆฌํฌ-๊ณต๊ธฐ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ๋ ๊ณ ๋ คํ์๋ค(ํ 8). ๋ฆฌํฌ-ํฉ ๋ฐฐํฐ
๋ฆฌ๋ ๋น์๋์ง๊ฐ 500 Wh/kg์ด๋ฉฐ[16], ๋ฆฌํฌ-๊ณต๊ธฐ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์
๊ฒฝ์ฐ ์ต์ ํ๊ฐ ๋๋ค๋ฉด ๋น์๋์ง๊ฐ 3,000 Wh/kg๊น์ง ์ฌ๋ผ
๊ฐ ๊ฒ์ผ๋ก ๊ธฐ๋๋๋ ์์ฉํ๊น์ง๋ ๋ง์ด ์๊ฐ์ด ์์๋
๊ฒ์ผ๋ก ํ๋จ๋๋ค[16]. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๋ฆฌํฌ-ํฉ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์ ๋ฆฌ
ํฌ-๊ณต๊ธฐ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์ ๋น์๋์ง๋ฅผ ๊ฐ๊ฐ 500 Wh/kg, 1,500 Wh/kg๋ก ๊ฐ์ ํ์๋ค.
4-2 ํธ๋ฒ๋ง ๋ฐ ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ ์ ํ์ ๋๋ ฅ
1) ํธ๋ฒ๋ง
ํธ๋ฒ๋ง์ ํ์ํ ๋๋ ฅ์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค[18].
(13)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ํธ๋ฒ๋ง ์ ์ถ๋ ฅ์ด๋ฉฐ ๋ ๋๊ธฐ๋ฐ๋, ๋
ํ๋กํ ๋ฌ ๋ฉด์ ์ด๋ค. ๋๊ธฐ๋ฐ๋๋ SLS (sea level standard)์ํ๋ฅผ ๊ฐ์ ํ์ฌ ๊ณ์ฐํ์๋ค.
๋ง์ฝ ๋กํฐ์ ํํ๊ฐ ๋์ถ์ด๋ฉด ์์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค[19].
![Page 7: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/7.jpg)
์ญ์ค๊ณ ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํ ๋์ฌํญ๊ณต ๋ชจ๋น๋ฆฌํฐ์ฉ ๋ณตํฉํ(ํธํธ๋กํฐ + ์๋ ฅ + ์ํญ) eVTOL์ ๊ณต๋ ฅ ํด์, ์๊ตฌ ๋๋ ฅ ๋ฐ ์ค๋ ์์ธก
23 www.koni.or.kr
๊ทธ๋ฆผ 15. ํธ๋ฒ๋ง ์ ํ์ ๋๋ ฅ[21]Fig. 15. Power required for hovering [21].
(14)
์ด ๋ ์ 0.9, ๋ 1.26์ผ๋ก ๊ฐ์ ํ์๋ค.
์ (13)๊ณผ ์ (14)๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ MTOW (3,125 kg)์์
ํธ๋ฒ๋ง์ ํ์ํ ๋๋ ฅ์ MATLAB์ ์ฌ์ฉ, ๊ณ์ฐํ์ฌ ๊ทธ
๋ฆผ 15์ ๋ํ๋ด์๋ค. y์ถ์ ํธ๋ฒ๋ง์ ํ์ํ ๋จ์์ง๋๋น
ํ์ ๋๋ ฅ์ด๋ฉฐ x์ถ์ ๋์ถ ๋กํฐ์ ์ถ๋ ฅ์ด๋ค. ๊ณ์ฐ ๊ฒฐ๊ณผ
๋์ถ ๋กํฐ์์ 80.38 W/kg (251.19 kW, MTOW), ํธํธ
๋กํฐ์์ 63.70 W/kg (199.05 kW, MTOW)์ผ ๋ ๊ฐ์ฅ
ํจ์จ์ ์ธ ๊ฒ์ผ๋ก ๋ํ๋ฌ์ผ๋ฉฐ, ์ด ๋ ๋จ์์ง๋๋น ์ด ํ์
๋๋ ฅ์ 144.08 W/kg (450.24 kW, MTOW)๋ค.
2) ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ
์์ ์ค๊ณ์๊ตฌ๋์์ ์์ง์ด๋ฅ์ 5 m/s[6]๋ก ์ง์์์
350 m๊น์ง, ์์ง ์ฐฉ๋ฅ์ 1.5 m/s[7]๋ก 350 m์์ ์ง์๊น
์ง ์ค์ ํ์๋ค. ๊ฐ์๋๋ฅผ ์ ์ธํ๊ณ ๊ณ์ฐํด๋ณด๋ฉด ์์ง ์ด๋ฅ
์ ์ด 70์ด, ์์ง์ฐฉ๋ฅ์ 234์ด๊ฐ ๊ฑธ๋ฆฐ๋ค. ์ด ๋ ํ์ํ
๋๋ ฅ์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค[20].
(15)
(16)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ์ผ๋ฐ ๋กํฐ ์ฌ์ฉ ์ ํธ๋ฒ๋ง ์๋, ๋ ๋
์ถ ๋กํฐ ์ฌ์ฉ ์ ํธ๋ฒ๋ง ์๋๋ค. ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ์ ๊ดํ ์์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค[20].
โฅ (17)
โค (18)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ์์ง์ด๋ฅ ์ ๋จ์์ง๋๋น ํ์ ๋๋ ฅ, ๋ ์์ง์ฐฉ๋ฅ ์ ๋จ์์ง๋๋น ํ์ ๋๋ ฅ, ๋ ์์ง์ด๋ฅ ์ ์
๋, ๋ ์์ง์ฐฉ๋ฅ ์ ์๋๋ค. ์ด ๋ ์์ง์ฐฉ๋ฅ ์๋์ ํธ๋ฒ๋ง
์๋์ ๋น๊ฐ โ2~0์ธ ๊ฒฝ์ฐ๋ฅผ ์๋ฅ ๊ณ ๋ฆฌ(vortex ring state)๋ผ
ํ๋ฉฐ ์ด ๊ฒฝ์ฐ๋ ์ (18) ๋์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ ์์ ์ฌ์ฉํด์ผ ํ๋ค.
(19)
์ฌ๊ธฐ์ =0.974, =-1.125, =-1.372, =-1.718, =-0.655
์ ๊ฐ์ ๊ฐ๋๋ค.ํธ๋ฒ๋ง ํ์๋ ๋๊ธฐ๋ฐ๋์ ์ํฅ์ ๋ฐ๋๋ค. โค
m์์ ๋๊ธฐ์จ๋, ๋๊ธฐ์๊ณผ ๋๊ธฐ๋ฐ๋๋ ๋ค์ ์์ผ๋ก ๊ตฌํ
์ ์๋ค[22].
(20)
(21)
(22)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ๋๊ธฐ์จ๋, ๋ ๋๊ธฐ๋ฐ๋, ๋ ๊ณ ๋, ๋
๋๊ธฐ์์ด๋ค. ๋๊ธฐ๋ฐ๋๋ฅผ ๊ณ ๋์ ํจ์๋ก ํํํ๋ฉด ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค.
(23)
์ (17), (19), (23)์ ์ด์ฉํ์ฌ ์ต๋์ด๋ฅ์ค๋์์ ๊ณ ๋
๋ณ ํธ๋ฒ๋ง ์ ํ์ํ ๋จ์์ง๋๋น ๋๋ ฅ๊ณผ ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ์
ํ์ํ ๋จ์์ง๋๋น ๋๋ ฅ์ ๊ตฌํ์ฌ ๊ทธ๋ฆผ 16๊ณผ ํ 9์ ๋
ํ๋ด์๋ค. ๊ณ์ฐ ๊ฒฐ๊ณผ ์์ง์ด๋ฅ์ 5 m/s์ ์๋๋ก 70 ์ด, ์์ง์ฐฉ๋ฅ์ 1.5 m/s์ ์๋๋ก 234 ์ด ๋์ ์งํ๋๋ฏ๋ก
์์ง์ด๋ฅ์ ํ์ํ ์๋์ง๋ 10.64 kWh, ์์ง์ฐฉ๋ฅ์ ํ
์ํ ์๋์ง๋ 27.74 kWh๋ก ์์ง์ฐฉ๋ฅ์ด ์์ง์ด๋ฅ๋ณด๋ค
๋ง์ ์๋์ง๋ฅผ ์๋ชจํ๋ ๊ฒ์ผ๋ก ๋์๋ค.
4-3 ์ํญ ์ ํ์ ๋๋ ฅ
์ํญ ์ ์๋์ง ์ฌ์ฉ๋์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค[23].
![Page 8: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/8.jpg)
J. Adv. Navig. Technol. 25(1): 17-28, Feb. 2021
https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.17 24
โ (24)
๊ทธ๋ฆผ 16. ๊ณ ๋๋ณ ํธ๋ฒ๋ง ์ ํ์ ๋๋ ฅ
Fig. 16. Power required for hovering by altitude.
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ๋น์๋์ง, ๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ค๋,
Category (W/kg) (W/kg)
Tilt Rotor 77.39 60.36
Coaxial Rotor 97.65 76.18
Total 175.04 136.54
ํ 9. ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ์ ํ์ํ ๋๋ ฅ
Table 9. Power required for vertical takeoff and landing.
Battery type Tesla 2170 Tesla 4680 Lithium-sulfur Lithium-airSpecific capacity
(Wh/kg) 247 380 500 1,500
Required (kg) 400 260 198 66
Cruise power (W/kg) 75.87Required energy
(kWh) 98.8
ํ 10. ์ํญ ์ ๊ฐ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ๋ณ ํ์ ์ค๋
Table 10. Required weight of each battery for cruise.
๊ทธ๋ฆผ 17. ๋น์๋์ง๋ณ ์ํญ ์ ํ์ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ค๋
Fig. 17. Required battery mass for cruise vs. specific energy.
๋ ํญ๊ณต๊ธฐ ์ค๋, ์ ํญ์๊ฑฐ๋ฆฌ,
๋ ์ํญ๋น, ๋ ์ํญ
์ ์ ์ฒด ํจ์จ๋ก 0.75๋ผ ๊ฐ์ ํ์๋ค. ์ (24)์ ์ ๋ณ์
๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ๋น์๋์ง ์ ์ํญ ์ ์ ์ฒด ํจ์จ ๋ก ๋๋์ด
๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ค๋ ์ ๋ํ์ฌ ํ์ํ๋ฉด ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค.
(25)
OpenVSP๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๋ถ์ํ ๊ฒฐ๊ณผ ์ํญ์กฐ๊ฑด์์ ๋ฐ์
๊ฐ 3์์ ์ํญํ๋ค๊ณ ๊ฐ์ ํ์์ ๋ ์ํญ๋น๊ฐ 11.5๋ก
๋์ถ๋์๋ค. ์ฌ๊ธฐ์ =30,656 N, =100,000 m์ ๋ฃ๊ณ
๊ณ์ฐํ์ฌ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ๋ณ ํ์ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ค๋์ ํ 10๊ณผ ๊ทธ๋ฆผ 17์ ๋ํ๋ด์๋ค.
4-4 ์ ์ฒด ํ์ ์๋์ง
์ฒ์ด๋นํ์ ํ์ํ ์๋์ง๋ ์๋ฌดํ์์ ๋ฐ๋ฅธ ๊ฒฝํ์น[24]๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ํญ์ ํ์ํ ์๋์ง์ 5%๋ก ์ค์ ํ์๋ค. ๊ฐ
์๋ฌด๋ณ ์๋ชจ ์๋์ง ๋น์จ์ ๊ทธ๋ฆผ 18, ํ 11์ ๋ํ๋ด์๋ค.ํ 12๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ข ๋ฅ๋ณ ํ์ ์ด ์ค๋์ ๋ํ๋ด๋ฉฐ ์ค๊ณ์๊ตฌ
๋์ ๋ฐ๋ผ ๋นํ์ ์๋ชจ๋ ์ด ์๋์ง์ 25%๊ฐ ์์ฌ ์๋์ง๋ก
๋จ์์์ด์ผ ํ๋ฏ๋ก ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์ ํ์ ์ด ์ค๋์ 4/3์ ๊ณฑํด์ฃผ์ด
์ผ ํ๋ค. ๋ง์ฐฌ๊ฐ์ง๋ก ์ํญ ์ 75%์ ๋๋ ฅ์ผ๋ก ๋นํํด์ผ ํ๋ฏ
๋ก ํธํธ ๋กํฐ์ ํ์ํ ๋จ์์ง๋๋น ๋๋ ฅ์ 101.12 W/kg๊ฐ
๋๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 18. ์๋ฌด๋ณ ์๋ชจ ์๋์ง ๋ฐฑ๋ถ์จ
Fig. 18. Energy consumption rate by missions.
Category (kWh) (kWh) (kWh)
Vertical ascend 4.7 5.94 10.64
Climb 2.07 - 2.07
Cruise 98.8 - 98.8
Gliding descend 3.11 - 3.11
Vertical descend 12.26 15.48 27.74
Total 120.94 21.42 142.36
ํ 11. ์๋ฌด๋ณ ํ์ ์๋์ง
Table 11. Required energy for each mission segment.
![Page 9: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/9.jpg)
์ญ์ค๊ณ ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํ ๋์ฌํญ๊ณต ๋ชจ๋น๋ฆฌํฐ์ฉ ๋ณตํฉํ(ํธํธ๋กํฐ + ์๋ ฅ + ์ํญ) eVTOL์ ๊ณต๋ ฅ ํด์, ์๊ตฌ ๋๋ ฅ ๋ฐ ์ค๋ ์์ธก
25 www.koni.or.kr
Battery type Tesla 2170 Tesla 4680 Lithium-sulfur Lithium-air
Specific capacity (Wh/kg) 247 380 500 1,500
Requred energy (kWh) 142.36
Mission required (kg) 576 375 285 95
Design required (kg) 768 500 380 127
ํ 12. ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ข ๋ฅ๋ณ ํ์ ์ด ์ค๋
Table 12. Total required battery mass by battery types.
4-5 ์ค๋ ์ถ์
S-A1์ ๋ฌด๊ฒ๋ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ณ์ฐํ ์ ์๋ค.
(26)
์ฌ๊ธฐ์ ์ ์น๋ฌด์๊ณผ ์ ์ํ์ค์ผ๋ก ์๋ฌด์
๊ตฌ๋๋ก๋ถํฐ 460 kg์์ ์ ์ ์๋ค. ์ ๊ณตํ์ค๋์ผ
๋ก ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ์ธ๋ถํ ํ ์ ์๋ค.
(27)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ์ฃผ ๋ ๊ฐ ์ค๋, ๋ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ ์ค๋,
๋ ๋์ฒด ์ค๋, ๋ ์ฐฉ๋ฅ์ฅ์น ์ค๋, ๋ ๋ฐฐํฐ
๋ฆฌ ์ค๋, ๋ ๋ชจํฐ ์ค๋, ๋ ํ๋กํ ๋ฌ ์ค๋,
๋ ํญ๊ณต์ ์ ์ฅ๋น ์ค๋์ด๋ฉฐ ๋ ๊ธฐํ ์ค๋์ด๋ค.
1) ์ฃผ ๋ ๊ฐ
ํญ๊ณต๊ธฐ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ์ค๋์ ๋ํ ์ถ์ ์์ ํฌ๊ฒ ์ ํฌ๊ธฐ, ์์ก
๊ธฐ(transportation), ์ผ๋ฐ ํญ๊ณต๊ธฐ(general aviation)์ ๋ฐ๋ผ ๋ค๋ฅด
๊ฒ ํํ๋๋ค. S-A1์ eVTOL ๋ฐ์ดํฐ๊ฐ ๋ถ์กฑํ์ฌ ํต๊ณ์ ํ
๊ท๋ถ์์ผ๋ก ๊ตฌํ ์ถ์ ์์ด ์๋ ์ํ์์๋ ์ผ๋ฐํญ๊ณต๊ธฐ๋ก
๋ถ๋ฅํ ์ ์์ผ๋ฉฐ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค[13].
cos
(28)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ํญ๊ณต๊ธฐ ์ต๋์ด๋ฅ์ค๋, ์ ํญ๊ณต๊ธฐ ํ์ค๊ณ์์
1.5๋ฅผ ๊ณฑํ ๊ฐ, ์ ์ฃผ ๋ ๊ฐ ํํผ๋ฉด์ , ์ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์
๊ฐ๋ก์ธ๋ก๋น,
๋ ๋๊ป๋น, ๋ ํ ์ดํผ ๋น, ๋ ๋์, ๋ ์ฃผ
๋ ๊ฐ์ ํํด๊ฐ์ด๋ค. ์ด ๋ ๊ณ์ฐ์ imperial units์ ์ฌ์ฉํ๋ค. ์ฃผ ๋ ๊ฐ ํํผ๋ฉด์ ์ OpenVSP, ๊ฐ๋ก์ธ๋ก๋น์ ํ ์ดํผ ๋น๋
Xflr5๋ก ๋ถ์ํ ๊ฐ์ ์ด์ฉํ์๊ณ , ํํด๊ฐ์ โ1.324๋ก ์ธก์
๋์๋ค. ๋์์ ํด์๋ฉด, ์ต๋ ์๋์์ ๊ณ์ฐํ์๋ค. ๋
๋ ๊ฐ์ ์ ์ฅ๋ ์ฐ๋ฃ์ค๋์ผ๋ก eVTOL์ ๊ฒฝ์ฐ ์ฐ๋ฃ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ
์ง ์์ผ๋ฏ๋ก 1๋ก ๊ฐ์ ํ์๋ค[9].๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ S-A1์ ํ์ค๊ณ์๋ฅผ ์ผ๋ฐ ํญ๊ณต๊ธฐ์ ์ต๋ ํ์ค
๊ณ์์ธ 3.8๋ก ์ค์ ํ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ด ๋๊ณ ๊ณ์ฐ๊ฒฐ๊ณผ
= 686.3 lbs = 311.3 kg์ด๋ค. ์ด๋ MTOW์ ์ฝ 9.96%๋ค.
2) ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ
S-A1์ ์ผ๋ฐํญ๊ณต๊ธฐ๋ก ๋ณผ ์ ์๊ณ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ ์ค๋ ์ถ์
์์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ด ๊ตฌํ ์ ์๋ค[13].
cos
(29)
๊ณ์ฐ ๋ฐฉ๋ฒ์ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ์ค๋ ์ถ์ ๊ณผ ๋์ผํ๋ฉฐ ๊ผฌ๋ฆฌ๋
๊ฐ์ ํํด๊ฐ์ 22.92๋ค. ๊ณ์ฐ๊ฒฐ๊ณผ = 77 lbs = 34.9
kg์ด๋ค. ์ด๋ MTOW์ ์ฝ 1.12%๋ค.
3) ๋์ฒด
S-A1์ ๋์ฒด๋ ์ผ๋ฐ ์ฌ๊ฐ๊ธฐ๋ ์ํ ํญ๊ณต๊ธฐ์๋ ๋ฌ๋ฆฌ ํฌ๊ธฐ
์ ๊ฐ๊น์ด ํํ๋ฅผ ๊ฐ๋๋ค. ๋๋ฌธ์ ํ์ ์ต๊ธฐ์ ์ค๋ ์ถ์ ์์
์ฌ์ฉํด์ผ ํ๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ฌ์ฉํ ๋ฐฉ๋ฒ์ Prouty methods์ด๋ฉฐ, ๋ค์๊ณผ ๊ฐ์ ์ถ์ ์์ผ๋ก ์ค๋์ ๊ตฌํ ์ ์๋ค[25].
(30)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ๋์ฒด ๊ธธ์ด, ๋ ๋์ฒด์ ํํผ๋ฉด์ ์ด๋ค.
OpenVSP์ ๋ฐ์ดํฐ๋ฅผ ํ ๋๋ก ๊ณ์ฐํ์์ผ๋ฉฐ ๊ณ์ฐ๊ฒฐ๊ณผ
= 705 lbs = 289.6 kg์ด๋ค. ์ด๋ MTOW์ ์ฝ 9.27%๋ค.
4) ์ฐฉ๋ฅ์ฅ์น
S-A1์ ์ฐฉ๋ฅ์ฅ์น๋ ํ๋์ ๋ณด์กฐ ์ฐฉ๋ฅ์ฅ์น์ ๋ ๊ฐ์
์ฃผ ์ฐฉ๋ฅ ์ฅ์น๋ฅผ ๊ฐ๋[26] ์ธ์ ์(tricycle retractable)์ด๋ค. ์ฐฉ๋ฅ์ฅ์น์ ์ค๋ ์ถ์ ์์ ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค[13].
(31)
(32)
์ฌ๊ธฐ์ ์ ์ฐฉ๋ฅ์ฅ์น์ ๊ธธ์ด(inch)์ด๋ฉฐ ์ ์ฐฉ๋ฅ์ฅ์น์
๊ฑธ๋ฆฌ๋ ํ์ค๊ณ์์ 1.5๋ฅผ ๊ณฑํ ๊ฐ์ด๋ค. S-A1์ ์์ง ํ๊ฐ
์ ํ๋ฉฐ ํ๊ฐ์๋๊ฐ โ1.5 m/s์ด๋ฏ๋ก ์ด๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ๊ณ ๊ณ์ฐ
ํ์ฌ =1.8๋ก ์ค์ ํ์๋ค. CATIA์์ ์ธก์ ํ ๊ฐ์ ๋ฃ
๊ณ ๊ณ์ฐํ ๊ฒฐ๊ณผ = 175.74 lbs = 79.72 kg,
= 34.78 lbs=15.78 kg๊ฐ ๋์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ S-A1์ ์ฐฉ๋ฅ์ฅ์น
์ ์ฒด ๋ฌด๊ฒ ๋ 95.5 kg๋ก MTOW์ ์ฝ 3.06%๋ค.
![Page 10: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/10.jpg)
J. Adv. Navig. Technol. 25(1): 17-28, Feb. 2021
https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.17 26
4) ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ
ํ 12์ ๋ํ๋ธ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ค๋์ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ ์ ์ค๋์ด๋ค. ์ ๊ธฐ ํญ๊ณต๊ธฐ์๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ๋ฅผ ํฉ ํ์์ผ๋ก ์ฅ์ฐฉํด์ผ ํ๋ฏ๋ก
์ด์ ๋ํ ์ค๋์ ๊ณ ๋ คํด์ผํ๋ค.Tesla 2170์ ๊ฒฝ์ฐ ๋น์๋์ง๊ฐ 247 Wh/kg๋ก 80.5 kWh์
์๋์ง๋ฅผ ์ป๊ธฐ ์ํด ์์ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์ ๋ฌด๊ฒ๋ก ์ฝ 326 kg์ด ํ์
ํ์ง๋ง ํฉ ํ์์ผ๋ก ๋ง๋ค๋ฉด ์ด 480 kg์ด ํ์ํ๋ค[27]. ๋ฐ๋ผ
์ ํ 12์ design required ์ 47%๋ฅผ ์ถ๊ฐํ์๋ค. ์ด๋ฅผ
์ถ๊ฐํ ์ต์ข ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ค๋ ๋ 1,129 kg๋ก MTOW์ ์ฝ
36.13%๋ค.
5) ๋ชจํฐ
S-A1์ ์์ ๊ณ์ฐํ ํ์ ๋๋ ฅ์ ๋ฐ๋ผ 8๊ฐ์ ๋ชจํฐ๊ฐ ๊ฐ
๋ชจํฐ ๋น 80 kW ์ ๋์ ๋๋ ฅ์ด ํ์ํ๋ค. Simens ์ฌ์ ์ ๊ธฐ
๋ชจํฐ๊ฐ 26 kg์ ์ค๋์ผ๋ก ์ง์ ๋๋ ฅ 70 kW, ์ต๋ ๋๋ ฅ 92 kW์ ์ฑ๋ฅ์ผ๋ก S-A1์ ํ์๋ก ํ๋ ๋ชจํฐ์ ๊ฐ์ฅ ๊ทผ์ ํ์
๋ค. ๊ทธ๋ฆผ 19์์ ์๊ฐ์ด ํ๋ฆ์ ๋ฐ๋ผ ๋ชจํฐ์ ์ถ๋ ฅ์ ๋์์ง๊ณ
์ค๋์ ๊ฐ๋ฒผ์์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ S-A1์ ์ฅ
์ฐฉํ ๋ชจํฐ๋ก SP70D๋ฅผ ์ ์ ํ์๊ณ ๋ฌด๊ฒ๋ 26 kg์ด๋ฏ๋ก ๋ชจํฐ
8๊ฐ์ ์ด ๋ฌด๊ฒ ๋ 208 kg๋ก ๊ณ์ฐ๋์๋ค. ์ด๋ MTOW์ ์ฝ 6.66%๋ค.
6) ํ๋กํ ๋ฌ
S-A1์ ํ๋กํ ๋ฌ๋ ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ์ ์ฐ์ด๋ ์ด 8๊ฐ์ 2์ฝ
ํ๋กํ ๋ฌ์ ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ, ์ํญ์ ๋ชจ๋ ์ฐ์ด๋ 4๊ฐ์ 5์ฝ ํ๋ก
ํ ๋ฌ๊ฐ ์์ผ๋ฉฐ ๊ฐ ํ๋กํ ๋ฌ์ ์ง๊ฒฝ์ 3.2 m๋ค. ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋
์์ฉํ๋์ด ์๊ณ S-A1 ์๊ตฌ๋๋ ฅ์ ๋ง์กฑํ๋ ํ๋กํ ๋ฌ๋ฅผ ์กฐ
์ฌํ์ฌ ์ค๋์ ์ถ์ ํ์๋ค. ์ต์ข ์ ํํ ํ๋กํ ๋ฌ๋ ํ์๋ณต
ํฉ์ฒด, ๋์ผ์ ์์ฌ๋ก ์ฌ์ฉํ๋ฉฐ ํ๋กํ ๋ฌ 1์ฝ๋น ์ค๋์ ์ฝ 0.9 kg, ์คํผ๋ ๋ฐ ๊ธฐํ ํ๋กํ ๋ฌ ๋ถํ์ ์ด ์ค๋์ ์ฝ 8.8 kg๋ค
[28]. ๋ฐ๋ผ์ ๊ณ์ฐ ๊ฒฐ๊ณผ ํ๋กํ ๋ฌ ๋ฌด๊ฒ ์ 138 kg๋ก
MTOW์ ์ฝ 4.42%๋ค.
7) ํญ๊ณต์ ์ ๋ฐ ๊ธฐํ
ํญ๊ณต์ ์์ฅ๋น๋ก๋ ์์ฑ ๋ค๋น๊ฒ์ด์ , ์คํ ํ์ผ๋ฟ, ๋ผ๋
์ค, ํต์ ์์คํ , ๋ฐ์ดํฐ ์ปดํจํฐ, ์์ด๋ก ๋ฑ์ด ๋ค์ด๊ฐ๋ค. ํญ๊ณต์ ์ ์ผ๋ํ๋ฅผ ํตํ ๋ฐ์ดํฐ๋ก ํญ๊ณต์ ์์ฅ๋น ๋ฌด๊ฒ ๋ฅผ
120 kg๋ก ์ค์ ํ์๋ค. ์ด๋ MTOW์ ์ฝ 3.84%๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 19. Simens ์ ๊ธฐ ๋ชจํฐ[29]Fig. 19. Simens electric motors [29].
Category Weight (kg) Category Weight (kg)
80 1129
380 208
311.3 138
34.9 120
289.6 338.7
95.5 Total 3125
ํ 12. ๊ฐ ๊ตฌ์ฑํ๋ณ ์ค๋ ์์ธก
Table 12. Weight estimation of each component.
๊ฐ ๊ตฌ์ฑํ๋ณ ์ค๋ ๋น์ค์ ๊ทธ๋ฆผ 20์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๋ณตํฉ
์ฌ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๋ ๊ฒฝ์ฐ์ ๋ณด์ ๊ณ์๋ ํ 13์ ๋ํ๋ด์์ผ๋ฉฐ
๋ณตํฉ์ฌ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ ํด๋น ๊ตฌ์ฑํ์ด ์ ์๋๋ ๊ฒฝ์ฐ ๋ณด์ ๊ณ
์ ๊ฐ์ ํด๋น ์์์ ์ค๋์ ๊ณฑํ ๊ฐ์ด ๋ณด์ ํ ์ค๋์ด
๋๋ค. ๋ณด์ ๊ณ์ ๊ฐ์ ๊ธฐ์ค์ ๋ณดํธ์ ์ผ๋ก ํญ๊ณต๊ธฐ์ ๊ฐ์ฅ
๋ง์ด ์ฌ์ฉ๋๋ ์๋ฃจ๋ฏธ๋ ํฉ๊ธ์ด๋ค. ๊ณ ์ฑ๋ฅ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ฌ
์ฉํ๋ฉด ๋ฌด๊ฒ๋ฅผ ์ค์ผ ์ ์๋ค๋ ์ฅ์ ์ด ์์ผ๋ ์ค๊ณ ๋ฐ
์ ์์ด ๋ณต์กํ๊ณ ๊ฐ๊ฒฉ์ด ๋น์ธ๋ค๋ ๋จ์ ์ด ์๋ค.
๊ทธ๋ฆผ 20. ๊ฐ ๊ตฌ์ฑํ๋ณ ์ค๋ ๋น์ค
Fig. 20. Weight percentage of each component.
Category Component Correction factor
High performance composite materials
Main wing 0.78
Tail wing 0.75
Fuselage/Nacelle 0.85
Landing gear 0.88
ํ 13. ๊ฐ ํญ๋ชฉ๋ณ ๋ณด์ ๊ณ์[13]Table 13. Correction factor for each component [13].
๊ธฐํ ๋ฌด๊ฒ๋ก๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ๊ฐ ๋ค์ด๊ฐ Pod, ์ด์ , ์๋ ๋ก๊ทธ ์ฅ๋น
๋ฐ ๊ธฐํ ์ฅ๋น, ์์ ๋ฐ ๋ด๋ถ ์ธํ ๋ฆฌ์ด์ Fly-by-wire์ ์ฐ์ด๋
์ ์ ๋ฑ์ ๋ฌด๊ฒ๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ์๋ค. ์ด๋ฅผ ๋ชจ๋ ํฉํ ๊ธฐํ ๋ฌด๊ฒ
์ 338.7 kg๋ก ์ค์ ํ์์ผ๋ฉฐ ์ด๋ MTOW์ ์ฝ 10.83%๋ค.
![Page 11: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/11.jpg)
์ญ์ค๊ณ ๊ธฐ๋ฒ์ ์ฌ์ฉํ ๋์ฌํญ๊ณต ๋ชจ๋น๋ฆฌํฐ์ฉ ๋ณตํฉํ(ํธํธ๋กํฐ + ์๋ ฅ + ์ํญ) eVTOL์ ๊ณต๋ ฅ ํด์, ์๊ตฌ ๋๋ ฅ ๋ฐ ์ค๋ ์์ธก
27 www.koni.or.kr
โ ค. ๊ฒฐ ๋ก
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ํ๋์๋์ฐจ๊ฐ CES 2020์์ ๋ฐํํ
eVTOL ๋นํ์ฒด S-A1์ ์๋ฃ๋ฅผ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ๊ณต๋ ฅํด์๊ณผ ์
๊ตฌ๋๋ ฅ ๋ถ์, ์ค๋์์ธก์ ํตํด ๊ฐ๋ ์ค๊ณ๋ฅผ ์ํํ์๋ค.๋น๊ต๋ถ์์ ํตํ์ฌ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ๊ผฌ๋ฆฌ๋ ๊ฐ์ ์ตํ์ NACA
4415์ NACA 64A-010์ผ๋ก ๊ฒฐ์ ํ์์ผ๋ฉฐ ๋ฐ๋ณต๋ถ์์ ํต
ํ์ฌ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ๋ถ์๊ฐ์ 1, ์๋ฐ๊ฐ์ 6, ํ๋ฐ๊ฐ์ 2๋ก ๊ฒฐ์ ํ์๋ค.
ํธ๋ฒ๋ง ์ ๊ฐ์ฅ ํจ์จ์ ์ธ ๋จ์์ง๋๋น ํ์ ๋๋ ฅ์ ํธํธ
๋กํฐ์์ 63.70 W/kg, ๋์ถ ๋กํฐ์์ 80.38 W/kg๋ก ์ด
144.08 W/kg์๊ณ ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ ์ ์์ง์ฐฉ๋ฅ์ด ์์ง์ด๋ฅ๋ณด๋ค
๋จ์์ง๋๋น ํ์ ๋๋ ฅ์ ์์ง๋ง ์๋ฅ ๊ณ ๋ฆฌ๋ฅผ ํผํ๊ธฐ ์ํ์ฌ
ํ๊ฐ ์๋๋ฅผ ๋๋ฆฌ๊ฒ ํจ์ผ๋ก์จ ์์ง์ด๋ฅ๋ณด๋ค ๋ ๋ง์ ์๋์ง
๊ฐ ์๋ชจ๋๋ค. ์ด ๋นํ์๊ฐ๊ณผ ์๋์ง ์๋ชจ๋์ ์ง์์์ 350 m๊น์ง ์์ง์ด์ฐฉ๋ฅ, ๊ณ ๋ 600 m์์ ์ํญ์ ๊ฐ์ ํ์์ ๋
์์ง์ด๋ฅ์ด 70 ์ด๋ก 10.64 kWh๋ฅผ ์๋ชจํ๊ณ ์ฒ์ด๋นํ์ด 60 ์ด๋ก 5.18 kWh๋ฅผ ์๋ชจํ๋ฉฐ ์ํญ์ด 1,450 ์ด๋ก 98.8 kWh, ์์งํ๊ฐ์ด 234 ์ด๋ก 27.74 kWh๋ฅผ ์๋ชจํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ์ด ๋นํ
์๊ฐ์ 1,814 ์ด์ด๋ฉฐ ์ด ์๋์ง ์๋ชจ๋์ 142.36 kWh์๋ค. ์ด ๋ ์ด ์๋์ง ์๋ชจ๋์ ๋ฐ๋ฅธ ์ ํ๋ณ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์ ํ์ ์
์ค๋์ Tesla 2170 (247 Wh/kg)์ด 768 kg, Tesla 4680 (380 Wh/kg)์ด 500 kg, ๋ฆฌํฌ-ํฉ(500 Wh/kg)์ด 380 kg, ๋ฆฌํฌ-๊ณต๊ธฐ
(1,500 Wh/kg)๊ฐ 127 kg์๋ค.์ ํดํญ๋ ฅ์ ์ฃผ ๋ ๊ฐ์ ํญ๋ ฅ์ด 72.2 count (์ฝ 22%)๋ก ๊ฐ์ฅ
ํฐ ๋น์ค์ ์ฐจ์งํจ์ ์ ์ ์๊ณ , ๋ฌด๊ฒ ์ถ์ ์์๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์ค
๋์ด 1,129 kg (์ฝ 36%)๋ก ๊ฐ์ฅ ํฐ ๋น์ค์ ์ฐจ์งํ์๋ค.๋ง์ฝ S-A1์ ์ต๋ ํญ์๊ฑฐ๋ฆฌ์ธ 100 km๋ฅผ ์ดํํ๋ ๊ฒ
์ด ์๋ K-UAM ๋ก๋๋งต์์ ์๋ฒ๋ ธ์ ์ผ๋ก ์ ํ ์ฝ์์ค-๊นํฌ๊ณตํญ(29.8 km), ์ฝ์์ค-์ธ์ฒ๊ณตํญ(54.1 km)์ ์ดํํ๋ค
๋ฉด ์ฝ์์ค-๊นํฌ๊ณตํญ์ ๊ฒฝ์ฐ 100 km๋ฅผ ์ดํํ๋๋ฐ ํ์ํ
์๋์ง์ ์ฝ 51.4%, ์ฝ์์ค-์ธ์ฒ๊ณตํญ์ ๊ฒฝ์ฐ 68.1%๋ง์
์ฌ์ฉํ๋ฉด ๋ผ ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์ ๊ธฐ์ค ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ๋ก ์ค์ ํ Tesla 2170์ผ๋ก๋ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ์๋ช ์ ์ถฉ๋ถํ ๊ธธ๊ฒ ์ ์งํ๋ฉฐ ์ดํํ
์ ์์ ๊ฒ์ด๋ค.์ถํ ์ฐ๊ตฌ์์๋ S-A1์ ๊ธฐ์ฒด ํํ๋ฅผ ๊ธฐ๋ณธ ๋ชจ๋ธ๋ก ํ
๋ฉฐ ํธํธ ๋กํฐ ๋์ ํธํธ ๋ ๊ฐ, ๋ํฐ๋ ํฌ์ ์ฅ์ฐฉํ๋ ๋ฑ
๋ค์ํ ์ ํ์ eVTOL์ ๋ํ ํจ์จ์ ๋น๊ต๋ถ์ํ ์์ ์ด
๋ค. ๋ํ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ์ ๋น์๋์ง ์ฆ๊ฐ์ ๋ฐ๋ฅธ ์ต๋์ด๋ฅ์ค๋
๋ณํ์ ํญ์๊ฑฐ๋ฆฌ, ๋นํ์๊ฐ ๋ฑ ์ฑ๋ฅ ๋ถ์ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ์ํํ
์์ ์ด๋ค.
Acknowledgments
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ ๊ตญํ ๊ตํต๋ถ/๊ตญํ ๊ตํต๊ณผํ๊ธฐ์ ์งํฅ์์ ์ง์
์ผ๋ก ์ํ๋์์(๊ณผ์ ๋ฒํธ 21CTAP-C157731-02).
References
[1] C. J. Hwang, โStatus and challenges of urban air mobility development,โ Current industrial and Technological Trends in Aerospace, Vol. 16, No. 1, pp. 33-41, Jul. 2010.
[2] Hyundai, S-A1, [Internet]. Available: https://www.hyundai .com/worldwide/en/company/newsroom/-0000016369.
[3] Hanwha, Hanwha butterfly, [Internet]. Available: https:// www.hanwha.com/en/news_and_media/press_release/hanwha-systems-gearing-up-for-entering-air-taxi-market.html.
[4] Deloitte Insights, Necessity of evtol, [Internet]. Available: https://www2.deloitte.com/us/en/insights/focus/future-of-mobility/evtol-elevated-future-of-mobility-summary.html.
[5] B. S. Lee, J. Y. Yun, and H. Y. Hwang, โFlight range and time analysis for classification of eVTOL PAV,โ Journal of Advanced Navigation Technology, Vol. 24, No. 2, pp. 73-84, 2020.
[6] X. Jianqiao, N. Salk, and K. Haran, โConceptual design of an eVTOL air shuttle for rapid intercity transport,โ in 2020 IEEE power and energy conference, Illinois: IL, pp. 1-8, 2020.
[7] Airman Testing Branch, Helicopter Flying Handbook, Oklahoma City, OK: Federal Aviation Administration, U.S. Department of Transportation, 2019.
[8] XFLR5, [Internet]. Available: http://www.xflr5.tech/ xflr5.htm.[9] UIUC, The incomplete guide to airfoil usage, [Internet].
Available: https://m-selig.ae.illinois.edu/ads/aircraft.html.[10] OpenVSP, [Internet]. Available: http://openvsp.org/.[11] CATIA, [Internet]. Available: https://www.3ds.com/ produ
cts-services/catia/.[12] S. Gudmundsson, General Aviation Aircraft Design: Applied
Method and Procedures, 1st ed. Massachuestts, MA: Elsevier, 2014.
[13] D. P. Raymer, Aircraft Design: A Conceptual Approach, 6th ed. Sylmar, CA: AIAA, 2018.
[14] Evannex, Battery expert: Tesla model 3 has โMost advanced largesclae lithium battery ever producedโ, [Internet]. Available: https://evannex.com/blogs/news/ tesla-s-battery-pack-is-both-mysterious-and-alluring-work-in-progress.
[15] Evannex, Teslaโs 4680 battery cell is 'brilliant' according to industry experts, [Internet]. Available: https://evannex.com/ blogs/news/tesla-s-4680-cell-is-a-stroke-of-genius-sandy-munro.
[16] Wikipedia, Lithium-sulfur battery, [Internet]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Lithium%E2%80%93sulfur_battery.
[17] B. Kumar, J. Kumar, R. Leese, J. P. Fellner, S. J. Rodrigues and K. M. Abraham, โA solid-state, lechargeable, long
![Page 12: Aerodynamic Analysis, Required Power and Weight Estimation ...](https://reader031.fdocuments.in/reader031/viewer/2022012501/617ab750443fb40c6b2a0d81/html5/thumbnails/12.jpg)
J. Adv. Navig. Technol. 25(1): 17-28, Feb. 2021
https://doi.org/10.12673/jant.2021.25.1.17 28
๊น ๋ ํฌ (Dong-Hee Kim) 2015๋ 3์ ~ ํ์ฌ : ์ธ์ข ๋ํ๊ต ๋ฌผ๋ฆฌ์ฒ๋ฌธํ๊ณผ, ํญ๊ณต์ฐ์ฃผ๊ณตํ๊ณผ ํ์ฌ๊ณผ์
โป ๊ด์ฌ๋ถ์ผ : Urban Air Mobility, eVTOL Design, PAV Design, Aircraft Design
์ด ์ค ํฌ (Joon-Hee Lee) 2015๋ 3์ ~ ํ์ฌ : ์ธ์ข ๋ํ๊ต ํญ๊ณต์ฐ์ฃผ๊ณตํ๊ณผ ํ์ฌ๊ณผ์
โป ๊ด์ฌ๋ถ์ผ : Urban Air Mobility, eVTOL Design, PAV Design, Aircraft Design
ํฉ ํธ ์ฐ (Ho-yon Hwang)1993๋ 5์ : ๋ฏธ๊ตญ Georgia Institute of Technology ํญ๊ณต์ฐ์ฃผ๊ณตํ๊ณผ (๊ณตํ๋ฐ์ฌ)
1994๋ ~ 1997๋ : ์ผ์ฑํญ๊ณต์ฐ์ฃผ์ฐ์ ์ ์์ฐ๊ตฌ์
1997๋ ~ 2000๋ : ์ธ์ฐ๋ํ๊ต ํญ๊ณต์ฐ์ฃผ๊ณตํ๊ณผ ์กฐ๊ต์
2000๋ ~ ํ์ฌ : ์ธ์ข ๋ํ๊ต ํญ๊ณต์ฐ์ฃผ๊ณตํ๊ณผ ๊ต์, ์ง๋ฅํ๋๋ก ์ตํฉ์ ๊ณตํ๊ณผ ๊ต์
2012๋ ~ 2017๋ : ์ธ์ข ๋ ๋ถ์ค ํญ๊ณต์ฐ์ ์ฐ๊ตฌ์ ์์ฅ
โป ๊ด์ฌ๋ถ์ผ : Urban Air Mobility, eVTOL Design, PAV Design, Solar Aircraft Design, Assessment of Environmental Impacts from Aviation
cycle life Lithium-Air battery,โ The Electrochemical Society, Vol. 157, No.1, pp. 50-54, 2010.
[18] J. M. Seddon, S. Newman, Basic Helicopter Aerodynamics, 3rd ed. West Sussex: UK, WILEY, 2011.
[19] C. P. Colman, Survey of theoretical and experimental coaxial rotor aerodynamics research, National aeronautics and space administration, Washington: DC, NASA Technical paper 3675, 1997.
[20] C. Rotaru, M. Todorov, Helicopter flight physics. INTECH, February, 2018, [Internet]. Available: http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.71516.
[21] MATLAB, [Internet]. Available: https://mathworks.com/.[22] J. D. Anderson Jr, Introduction to Flight, 8th ed. New
York, NY: McGraw-Hill education, 2016.[23] M. Hepperle, โElectronic flight โ potential and limitations,โ in
AVT-209 Workshop in Energy Efficient Technologies and Concepts Operation, Lisbon: Portugal, pp. 9-14, March, 2012.
[24] J. M. Kim, N. N. Van, J. I. Seo, D. Y. Lee, S. B. Park, and
J. W. Lee, โPreliminary sizing and configuration design study on electric aircraft,โ in the Fall Conference of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, Yongpyung Resort, Gangwon-Do: Kora, November, 2011
[25] R. W. Prouty, Helicopter Performance, Stability and Control, malabar, FL: Krieger publishing company, 2002.
[26] Wikipedia, Tricycle landing gear, [Internet]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Tricycle_landing_gear.
[27] ClanTechnica, Tesla model 3 & chevy bolt battery packs examined, [Internet]. Available: https://cleantechnica.com/ 2018/07/08/tesla-model-3-chevy-bolt-battery-packs-examined/.
[28] Airmaster, UAV propeller, [Internet]. Available: https://www.propellor.com.
[29] bbaa, eAircraft: Hybrid-elektrische Antriebe fรผr Luftfahrzeuge, [Internet]. Available: https://www.bbaa.de /fileadmin/user_upload/02-preis/02-02-preistraeger/newsletter-2019/02-2019-09/02_Siemens_Anton.pdf.