BLACK BOX - Pnu Pav Proto-type - (PPP) - 1 -
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A. 설계개념 1. 설계요구도 - 임무프로화일 이번설계에있어임무는대회에서선정한임무를얼마나효과적으로완수하는가에있다. 대회에서기체는 CTOL+Raodable 혹은 VTOL+Road able의두가지형태를가진다. 이설계제안서에서는우리가목표로하는 CTOL+ Raodable 컨셉을기준으로임무를분석하기로한다. 가. 중량 - 20kg 이하로제한. - 대회측에서제공한 2kg의 Payload를장착하여비행에성공하면배정된점수의10% 범위에서가산점을획득가능. 나. 크기 - 주행모드기준으로 1.5m를넘지않아야함. - 비행모드시크기무제한. - 작품설계시실제기체 (Full Scale) 를고려한경우실제기체의주행모드형상이도로폭을넘지않아야함. 다. 조종방식 - 무인조종방식인 RC(Radio Control) 을기본으로함. - 자동주행및자동비행의경우에 10% 범위내에서가산점획득가능. - 주행조종은팀원이하는것을원칙으로하되팀에서대회측에요구시주행전문가가할수있도록하며점수에대한항의불가. - 비행조종은비행전문가가하는것을원칙으로하되, 팀에서직접조종하기를원할때는조종자가숙련자임을사전 ( 현장심사, 비행동영상 ) 에증명한후에가능. - 조종자의위치는정해진곳에서벗어날수없으며, 임무에따라조종자의위치가달라지므로임무를수행하면서이동함. - 3 -
라. 모드변환 - 주행모드에서비행모드변환시조종기를 On/Off하여모델및주파수변환을허용. - 주행모드와비행모드조종기를별도사용불가. - 수동으로모드변환경우심사기준에의거감점. - 손으로날개나블레이드등을탈부착불가. 마. 환경적측면 - 친환경에너지원 ( 전기에너지 ) 사용시배정된점수의 10% 범위에서가 산점획득가능. 바. 임무기회 - 기본적으로 2회의기회를주는것을원칙. - 시간을고려하여심사위원장이 1회의기회를얻는것이가능. - 위험요소가있다고판단되면기회가박탈될수있다. - 2번의기회중높은점수로채점. 사. 임무수행시간 - 시작을지시한후부터카운트하여시동후 4단계의주행코스를돌아, 주행모드에서비행모드로변환하고, 비행코스를도는데까지걸리는총임무수행시간은 30분. - CTOL의경우경연장사정상오전에는주행모드경연을오후에는비행모드경연을실시, 시간계산은오전에실시한주행경연의시간을기록후오후비행경연시간과연결해서계산. - 시작지시후 5분내에시작하지않으면실패한것으로간주. - 주행경연을실패한경우비행경연에서 15분을부여. 아. 디자인 - 단순유체역학적인디자인이아닌심미적으로뛰어난기체를제작. 자. 채점방식 - 학술 (30%), 주행 (30%), 비행 (40%) 로하고우천시에는학술 (40%), 주행 (40%), 비행 (20%) 로한다. - 4 -
- 우천시에는주행심사만실내체육관에서실시하여채점하며, 비행심사는기제출한비행동영상으로대체함. - 학술점수산정에있어서 2차지원팀선정때제출한기술보고서는최종점수에미포함, 최종점수는대회전날발표심사점수와대회당일기체심사점수이를합하여계산. 세부심사기준은심사위원단구성후심사위원회의를통해결정될예정임. 차. 주행임무 1단계 : 주행코스 - 시작신호와함께 A지점에서출발하여트랙을 3바퀴주행. - 팀순위대로채점한다. - 콘을건드리면감점. 2단계 : 제동코스 - A지점에서출발하여 C지점혹은 D지점에서신호가있을때까지최고속도로달리다가 C지점혹은 D지점에서신호가있으면제동하여 C지점혹은 D지점에서부터의제동거리를잰다. - B에서 C지점혹은 D지점까지시간과거리를계산하여속도를측정한다. - 스피드건으로도최고속도를확인. - 최고속도가 3.5m/s 이상이어야하고, 제동거리가 1.5m 이내이어야한다. 제동시기체자세가안정적이어야함. - 5 -
3단계 : 조향코스 - 0지점에서출발하여아래그림의코스대로장애물을건드리지않고통과하여 A' 지점에도착. - 콘을건드리면감점, 코스를이탈하면감점. 4 단계 : T 코스 - A' -A -B-B' -C-C' -A-A' -A -B-B' - C-C' -A-A' -0 으로이동 지점이탈시감점. - 6 -
카. 비행임무 1단계 : 선회비행 - 1에서이륙후 2-3 - 4-5 - 6-2 - 3-4 - 5-6 - 2-3 으로이동 2단계 : 8자비행 - 3-5 - 4-2 - 3-5 - 4-2 - 3-4 - 5-1 로착륙 공역은 400m 100m로충분함. 공역내에서선회비행과 8자비행을완성하면됨. - 요구성능 - 7 -
Maximum on road speed 30km/h Maximum on road width 0.5m Maximum on road length 1.0m Maximum on road height 0.4m Payload Weight Maximum in-flight speed Cruise in-flight speed Landing/Takeoff Requirements 2kg 70km/h 54km/h 50m - 8 -
2. 사례연구 - 유사기종정보수집 Terrafugia 기체는 2인승으로길이는약 5.8m 이며날개를폈을때의폭은약 8.4m 이고, 무게가 652kg 정도로경비행기제한인 598kg을약 54kg 정도넘는다. 이륙을위해약 500m 상당의거리가필요하고, 하늘에서시속 185km로비행이가능하다. 무연휘발유엔진을사용하고, 연료를한번주입하고 640km를운행할수있으며, 날개를접은상태에서약 12.7km/L의연비를발휘한다. 에어백, 충격흡수공간등자동차용안전장치와비행불능시비상낙하산이장착되어있다. 비행기에서자동차로변하는자동구조변경시간은 15초에서 30초정도걸린다. 미연방항공청 (FAA) 규정에는 ' 스포츠용경비행기 ' 로분류되어있어일반인도 20시간의연습비행을거치고, 3000~4000달러의비용으로면허를취득하면운전할수있다. - 9 -
- 성능 / 제원 Max, Vh Cruise, Vc Stall, Vs Range 185km/h 172km/h 83km/h 787km Takeoff 518 Gross Takeoff Weight Empty Weigh Useful Load 650kg 440kg 210kg Fuel burn at cruise Useable Fuel Milage on road 18.9L/h 18.9L/h 14.9L/h Driving Tall 2m Wide 2.3m Long 6m Tall 2m Flying Wingspan Long 8m 6m - 10 -
B. 초기사이징 (1) 추력분석 HK-A50S-12T(KV500) 브러시리스모터 60 글로우엔진사이즈 대형통돌이모터의 Outer Can 의회전유격을없애기위하여 Bell Support Ball Bearing 을사용하여진동등에안정적인회전을 확보하였고모타냉각쿨링팬부착하여온도상승을방지함. 중량 3Kg ~ 9Kg 정도의 Helicopter,3D 기체, Slow/Fun Fly 전동비행기에적합. Electric-Sailplane - bis 9.0kg Sport and Scale - 2.7~4.5Kg pattern and 3D - bis 3Kg Helicopter - bis 3Kg MAX. Power ---------- 1250W(15sec) Turns --------------- 12T Voltage -------------- 5-7 Li-poly KV ------------------ 500 Diameter(mm) -------- 48mm Length(mm) ---------- 56.8mm Continuous current ---- 40A MAX. Eff. Current ------ 55A(15sec) Shaft Dia ------------- 6.0mm Shaft Length ---------- 31.4mm Weight --------------- 370g Propeller ------------- 11x7 ~14x7 (2) 주익 / 미익형상 (Airfoil&Platform) - 에어포일선정 저속및고속에서좋은양력을발생시키며동시에적은항력을발생시 - 11 -
키는에어포일이요구된다. 비행속도를 15m/s( 일반적인 RC 비행기 ) 라고놓고레이놀즈수를계산하 면 ρ μ Profili 프로그램을이용하여각종에어포일을해석해본결과다음과 같다. (Profili 입력값레이놀즈수 130000) 받음각 (alpha) 에따른양력계수와항력계수데이터 - 12 -
받음각에따른양항비와피칭모멘트데이터 다양한받음각에서양항비가우수하고피칭모멘트가작은에어포일을 선정하였다. 선정된에어포일 NACA2412 -주익형상 l 익면적계산 - 13 -
ρ (15m/s 로등속수평비행임을가정 ) ( 설계제안서와다르게증가된무게를감안하여주익의면적을다시계산함 ) ( 무게증가에따라늘어난주익면적 ) AR = 4 으로설정 날개길이 시위길이, ( 단위 m) 주익면적은기체중량약 4.5kg 에서안전을위한여유무게그리고페이 로드를감안하여총무게 8.75kg 기준으로계산하였다. - 14 -
-카나드의형상카나드익은조종성향상및주행시다운포스를발생시켜바퀴와지상의마찰력을증가시키므로효율적인주행이되도록하기위하여장착한다. 카나드의길이는주행모드의전폭과비슷하게하여실제차량으로감안하였을때공간사용을효율적으로하였다. 또한 AR을 3.6로하여동체와충분히결합할만큼 Chord길이를늘이고동시에윙팁에의한와류를감소시키는방향으로절충했다. ( 설계제안서에는 AR=6이었다.) AR=3.6 인카나드익 엘리베이터 ( 조종면적 ) 는날개면적의 1/3 으로하여조종성을높혔다. -수평미익형상 RC비행기설계시미익면적은주익면적의 0.03~0.06 배가되도록하지만 PAV의경우동체무게가 RC비행기보다 2배가량무거워지므로주익면적의 0.13배가량으로설정함. 길이 40cm - 15 -
AR=4인미익일반적인 RC비행기의엘리베이터 ( 조종면적 ) 는수평미익의면적에 1/3 에해당하며수평미익이설계제안서와달라진이유는미익이동체와가깝게붙여지며추진부의후류영향을받지않는바퀴뒤쪽에위치하면서동시에바퀴크기에의해날개가받아내는공기흐름이줄어들어조종성이떨어지는것을감안하여동체폭보다약간큰크기의미익으로설정하였으며조종면적이익면의 1/3으로설정됨에따라받음각변화를크게하여적은공기흐름으로효과적인조종이가능하도록하였다. - 수직미익의형상 - 16 -
미익의경우주익과는달리항공기의무게에는크게영향을받지않으 며대신주익의면적에비례한값을가진다. 이는주익의면적에따라 발생하는모멘트의크기가달라지기때문인데, 이러한미익면적의값 은다음의미익부피계수 (Tail Volume Coefficient) 식을통해계산 할수있다. 수직미익부피계수 ( : 모멘트암, : 미익면적, : 주익면적, : 주익 시위, : 주익 Span) 여기서각부피계수는항공기의특성에따라일반적으로정해진값 이있으며그표는다음과같다. 항공기의종류 표 6. 항공기종류에따른 Sailplane 0.02 자작항공기 0.04 일반경항공기 0.04 농업용항공기 0.04 쌍발터보프롭 0.08 수상기 0.06 제트전투기 0.07 군용수송기 / 폭격기 0.08 이번기체의경우자작모형항공기이므로 0.04 를 로두고 계산결과에따른수직미익은크기가너무커프로펠러뒤에장착될경 우후류에의하여심한진동을일으키므로수평미익바깥쪽에 2 개로 나누어장착하며크기를줄여저항과프로펠러후류영향을줄였다. 동체 - 17 -
동체에서발생하는항력은항공기전체에서발생하는유해항력 (Zero-lift Drag) 의 20 ~ 40% 를차지하므로충분히작아야한다. 만일동체직경을필요크기보다 10% 크게하면항력이 1.5 ~ 3% 증가한다. 항력이증가하면모터소비전력의증가, 항속거리의감소, 이륙중량의증가, 양력증가에따른유도항력의증가를연쇄적으로유발한다. 동체구조는충분히강하고, 단단하며, 가볍고, 수명이길며검사와 수리가용이해야한다. 운항시간을늘이기위해서는동체를가능한한 작고, 조밀한구조로설계해야한다. 아래에서보듯이 Friction drag coefficient 는 Fuselage fineness - 18 -
ratio 가 6 에서최소 Fineness ratio 대항력계수그래프이번에설계하는것은 PAV라는특성에맞게차량과비행기로서의특징을같이가진다.Fuselage fineness ratio가 6일때최적이기는하나차량으로서는동체가 6인것은주행시안정성에무리가있다고판단되므로 Fuselage fineness ratio를약2로둔다. - 비행동체 비행동체는저항을줄이며프로펠러를가리지않게설계하였으며차체바디와추진부, 주익, 미익, 카나드를구조역학적으로고정시키는합판프레임으로제작하고무게를줄이기위해발사나무로플랜킹작업하였다. Proto type의경우날개에양력이받지않아저익에서고익으로날개위치를바꾸었으며이과정에서동체하부에날개고정부위를제거하고동체구조물상부에볼트체결식의구조물을만들어주었다. - 차량내부 차량높이 : 22cm 차량내사람이탈수있는공간 : 가로 12cm * 세로 12cm PAV 높이 : PAV 내부높이 = 실제차량높이 : 실제차량내부높이 22cm : 12cm = 175cm : X cm => X = 95cm 실제사람의앉은키는 75 cm ~ 100cm 사이이다. 하지만 PAV모형에는실제차량에는없는차량프레임이공간을차지하므로 - 19 -
비율상으로는사람이들어갈자리가없어보이지만 실제차량을만들경우 PAV 차량프레임 (6cm) 내부높이를더하여비례를 해보면 PAV 높이 : PAV 내부높이 = 실제차량높이 : 실제차량내부높이 22cm : 18cm = 175cm : X cm => X = 143cm 이므로사람이탈수있는공간은충분하다. -SSF (Static Stability Factor) SSF = T/2H 인데승용차의경우 1.41 RV차의경우 1.17이다하지만우리팀에서설계된 PAV는약 1.6이므로매우안정적이라고할수있다. (3) 설계중량 구분무게비고 날개 870g 카나드, 수평, 수직미익, 주익 동체 250g 추진부 550g 모터, 프롭, 모터마운트 차량바디 1500g 차량하부프레임 차량용배터리 380g 비행용배터리 400g 6cell 제어계통 385g 수신기, 서보, 변속기 합계 4335g - 20 -
C. 형상설계 - 21 -
1. 공력 & 추력해석 각날개의공력중심을다음의공식으로기체전체의공력중심을구할수있 다. 공력중심 NP 가기체중심부에위치하며주익의공력중심과도가깝고무게중 심과의거리차이도주익의 25%MAC 이하이기때문에기체가양력을받아도 안정감있게비행을할수있다. 2. 조종안전성해석안정성과조종성은서로상반되는성질이있어안정성이과도한항공기는조종성이떨어지고, 반대로조종성이큰항공기를설계하기위해서는안정성이적은형상이되어야하기때문이다. 따라서설계자는설계대상항공기의운용용도및수행임무를고려하여서로상충하는안정성과조종성의관계에서절충점을결정해야한다. Longitudinal static stability 세로안정성은가장중요한정적안정성으로항공기설계, 풍동실험, 비행실험 - 22 -
가로안정성보다크게고려한다. 세로정안정성을판단하기위해서다음과같은일정조건을만족해야한다. 실속속도 ( 받음각최대 ) 와최고속도 ( 받음각최소 ) 범위내에서트 림받음각 α 을고정할수있어야한다. α = 0 에서의피칭모멘트 는항상양 (+) 이어야한다. α 는항상음 (-) 이어야한다. 이조건들은다음식으로계산할수있다. α ε α α α ε α α α α ε ε 위식은 에의해크게영향을받는다. 그러므로 0이되기위해서는 α 무게중심을적당하게설정해야한다. 이와같은성질을이용하여또다른무게중 심을설정할수있다. 즉, =0을만족시키는 를계산할수있다. 이를중립점 (Neutral point) α 이라하며, 으로나타낸다. α ε α α 중립점은항공기의고유특성으로무게중심이중립점에있다면모든받음각에 대해서항상일정한피칭모멘트가발생된다. 그러므로중립점은전체항공기의공 기역학적중심으로고려할수있다. 위식에서보다시피중립점은수평꼬리날개 에의해크게좌우된다. 즉, 중립점에서주날개에대한수평꼬리날개의부피비 - 23 -
따라중립점은크게달라진다. 세로안정성을위해무게중심위치는항상중립점앞에있어야한다. 중립점은또한정적여유 (Static margin) 과연관되어있다. α α α ε α α 위식에서대부분의항공기는무게중심점에서의수평꼬리날개의비 와중 립점에서의수평꼬리날개의비 와의일반적인차이가작으므로무시할수가 있다. 따라서위식은, α α α α 정적여유 위식에서정적여유는세로정안정성을직접적으로확인할수있는인자임을보 여준다. 세로정안정성조건에따라정적여유는항상양 (+) 이어야한다. 그러므로 큰정적여유를갖게되면그항공기는더욱안정하게된다. 그리고이런피칭안정성은 CG point 를 Neutral point 보다앞에놓음으로써위의 조건을모두만족시킬수있다. D. 구조해석 1. 재료 날개 동체 부위 구조재료 전자기기 카나드익 2t 발사판, 2t 합판, 5t각제, 고정나사 서보, 링퀴지 주익 10t카본파이프, 15t 서보2개, 링퀴지2개, 발사판,2t 합판, 2t 피아노선2개발사판, 고정나사 2t 발사판, 2t 합판, 수평미익 10t카본파이프, 서보, 링퀴지 고정나사 수직미익 2t 발사판, 2t 합판, 5t각재, 고정나사 서보2개, 링퀴지2개 동체 2t 발사판, 2t 합판, 메인구조물 10t각재 추진부 5,10 카본파이프, 모터, 프로펠러 - 24 -
차량바디 (1) 카본 15t 발사판, 2t합판, 고정나사, 5t 각재 주익과 15t 발사판, 2t합판, 동체고정나사접합부 미익고정물 알루미늄 plate 카나드고정물 알루미늄 plate 동체지지대 10 카본파이프 서스펜션 스프링, 댐퍼 조향장치 쇠막대2개 서보1개 - 탄소복합재료로써가볍고강도가쌔며, 부식이잘일어나지않는다. 하지만카본복합재료는아주가는섬유실로짜져있어실제이용할때임의로자르거나해서결이손상되면그결대로찢어져파손이일어날수있다. - 25 -
(2) 발사목 - 중앙아메리카 남아메리카북부원산인발사나무다. 목재가가볍기때문에부표 ( 浮漂 ) 구명용구 모형비행기 장난감을만든다. 절연성을이용한방음장치등에쓰이기도한다. 비행기날개에사용되는재료는발사나무를사용하여무게를줄임으로더양력손실을줄인다. (3) 항공합판 - 합판 (Plywood, 合板 ) 은목재를얇게오려낸단판여러장을겹쳐 1장의판으로만든것이다. 보통각단판의섬유방향을 1장마다직교시켜홀수의장수로겹쳐붙이며, 수축과팽창이일어나지않고쪼개지는일이전혀없다. 가볍지만강도가약한발사나무가지지될틀을만든다. - 26 -
(4) 아이소핑크 - 발포폴리스티렌이라고도불리며, 폴리스티렌을발포제의작용으로팽창시킨것이다. 가벼우며내수성 ( 耐水性 ) 단열성 방음성 완충성등이우수하여널리사용된다. 형상가공이쉽다. 부피있고강도가필요한부위의내부재료로사용한다. (5) E. 주요시스템 1. 주익폴딩시스템 ( 반자동 ) 기존의방법은서보를이용하여날개에연결된와이어를잡아당기는식이었으나실험결과날개에걸리는하중이커서서보에무리가가게된다. 따라서피스톤의복원력을이용하여왼쪽날개의피스톤이오른쪽날개에연결된와이어를잡아당기고반대로오른쪽날개의피스톤이왼쪽날개에고정된와이어를당겨서로상대날개에연결된와이어를당기는형식의시스템을구현해보기로하였다. 2. 서스펜션시스템서스펜션은차에서중요한역할을한다. 그런면에서서스펜션은꼭필요하나우리는여러차례의 taxing 실험후차량용서스펜션이이륙단계에서동체가흔리게한다는것을알게되었다. 따라서서스펜션을좀더탄성계수가높은것으로바꾸어 - 27 -
3. 조종면제어시스템 -주행시주행시기체는 downforce를받아야지면에대한접지력이높아져주행안정성을확보할수있다. 따라서주행시카나드는양력이발생하지않아야한다. 주행시카나드와미익모두다운포스를발생시키기위해조종면을위로향하게한다. 그외의조종면은주행시영향을미치지않는다. -비행시주행시와는달리비행시에는카나드와수평미익의연동을통해기체의 pitch up을하도록한다. 그런데이때의카나드, 수평미익의움직임은서로반대가되어야한다. 따라서미익, 카나드의 channel mixing을이용하여플랩퍼론의방식으로카나드와수평미익을구동한다. - 28 -