FLYING WING의 설계와 제작 컴퓨터응용과학부 모형시뮬레이션 박상흠

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1 FLYING WING의 설계와 제작 컴퓨터응용과학부 모형시뮬레이션 97912053 박상흠
안녕하십니까 모형 시뮬레이션 팀 박상흠 입니다. 저는 비행기 중 각광을 받고 있는 FLYING WING를 제작, 연구해보았습니다

2 1.서론 (1) 정의, 장.단점 (2) 논문의 목적 2.본론 2-1.설계 (1) 에어 포일 결정 (2) 후퇴각과 Twist
(3) 테이퍼비 (4) 윙 래트(Winglet) 2-3.모형제작 및 검토 3.결론 및 토론 차례를 보겠습니다. 먼저 서론에서 flying wing에 대한 간단한 소개와 논문의 목적을 밝히며 본론에서는 설계과 실제제작을, 결론에서는 그 결과와 제작에 따른 향후과제를 알아보겠습니다

3 (1)FLYING WING의 정의 노드롭사의 YB-35의 삼면도
ㆍ 무미익기(無尾翼機; tailless aircraft)와 전익기(全翼機; all-wing aircraft)라고 분류 ㆍ 시초 : 2차대전 당시인 1931년부터 꼬리날개가 없는 글라이더를 연구해 오던 독일 공군의 발터 호트렌과 호르텐형제에 의해 최초로 설계(GO 229) ㆍ 현재 : B-2폭격기가 flying wing형태의 비행기로 사용되고 있으며 mav나 uav에서 이런 형태를 많이 채택 Flying wing은 무미익기와 전익기라고 분류되는데 문자 그대로 해석할 때 알 수 있듯이 동체나 꼬리날개가 없고 날개로만 구성된 비행기를 말합니다. flying wing의 개발은 상당히 오래 전부터 이루어져 왔습니다. 2차대전 당시인 1931년부터 꼬리날개가 없는 글라이더를 연구해 오던 독일 공군의 발터 호트렌과 호르텐형제에 의해 최초로 설계되었습니다.하지만 그들이 설계한 GO 229는 생산이 너무 지연되어 실제로 등장하지는 못했습니다. 2차 대전이후 미국에서 flying wing 형태의 새로운 실험기를 제작해서 시험 비행에 들어갔으나 안정성이 떨어져 추락하였습니다. 하지만 계속된 실험을 통하여 1946년 노드롭사가 YB-35를 만들었으며 현재에는 B-2폭격기가 flying wing형태의 비행기로 사용되고 있고 초소형비행체나 무인항공기에서 이런 형태를 많이 채택하고 있습니다. 노드롭사의 YB-35의 삼면도

4 (2)FLYING WING의 장.단점 장점 단점 양력계수가 높아짐 유해항력이 줄어듬 안정성이 떨어짐 동체, 익면하중이 작아짐
꼬리날개가 없음 flying wing은 여러 장점들이 있는데 그 중 하나가 날개로만 이루어진 비행기이기 때문에 동체나 꼬리날개로 인한 저항이 없어집니다. 이로 인하여 전통적인 형태의 비행기보다 flying wing은 양력계수가 높아지고 유해항력이 낮아지게 되는 것입니다. 그리고 flying wing의 또 하나의 장점으로는 동체나 꼬리날개가 없어 동일한 날개 면적으로는 전통적인 형태의 비행기의 무게보다 가볍게 할 수 있습니다. 날개로만 이루어진 비행기이기 때문에 당연히 동체를 구성한 부재도 필요 없으며 꼬리날개도 없기 때문에 굽힘 모멘트 등을 운운할 필요도 없습니다. 그래서 전통적인 형태의 비행기보다 구조적으로도 매우 간편하고, 비행기가 경량화되어 익면하중이 줄어들게 됩니다. 2차 대전 말기의 독일에서 flying wing 형태의 제트기가 많이 다루어진 것은 당시의 제트 엔진의 저 추력으로부터 왔던 비행체의 경량화에 대한 연구가 많이 되었기 때문이라고 생각됩니다. 이렇게 많은 장점을 가진 flying wing 형태의 비행기를 왜 우린 쉽게 접할 수 없었냐면 바로 안정성의 문제 때문입니다. 전통적인 비행기에는 수평꼬리날개가 있어서 이것이 세로 방향의 안정성을 유지해 줍니다. 그런데 flying wing에는 수평꼬리날개가 없어 주날개만으로 세로 방향의 안정성을 유지해야 합니다.

5 (3) 논문의 목적 ㆍ 일반적인 비행이론을 공부함으로써 flying wing의 개념을 익힌다.
가능성을 가늠해본다. 저는 이 프로젝트를 수행하면서 일반적인 비행이론을 공부함으로써 flying wing에 대한 개념을 익히고, flying wing의 실제 제작과정을 통하여 모형을 만들어 앞으로의 flying wing연구의 기술적 어려움과 갖추어야 할 기반 요소 가능성을 미리 가늠해보았습니다..

6 (1) AIRFOIL 결정 NACA/Munk M-12 두께 0.1193 앞전반경 0.0440 Camber 0.0198 뒷전각도
익형에는 실로 많은 종류가 있습니다, 크게 클라크Y,준대칭형,대칭형으로 크게 나누어 집니다. 클라크 Y는 밑면이 평평하고 전연 부근에서 약간 치켜 올라가는 형태로 만들어진 것이고 준대칭익형은 익현선에 대하여 상하비대칭의 익형입니다.그리고 대칭익형은 익현선에 대하여 상하면의 라인이 대칭형인 익형입니다. 저는 이 대표적인 익형 가운데 큰 추력이 필요치 않고, 필요 추력 일부를 양력으로써 보상할 수 있다는 측면과 안정성 측면에서 항공기의 자세가 흐트러질 경우 양력발생으로 복원력을 확보할수 있는 준대칭익형 NACA/Munk M-12 을 선택하였습니다. ㆍ 큰 추력이 필요치 않고, 필요 추력 일부를 양력으로써 보상할 수 있다는 측면과 안정성 측면에서 항공기의 자세가 흐트러질 경우 양력발생으로 복원력을 확보할수 있는 준대칭익형

7 (2) 후퇴각과 Twist 후퇴각 날개 끝으로 갈수록 받음각이 작아지도록 날개를 비틀어 주는 것(twist)
안정성을 가지기 위해서는 C.G(무게중심 Center of Gravity) 보다 N.P(중립점 Neutral Point)가 뒤에 있어야 함 후퇴각 꼬리날개 역활 받음각이 작을수록 양력은 감소하므로 비행기 뒤쪽에서 아랫방향으로 힘을 발생하게 됨 ( 일반적인 항공기의 꼬리날개는 안정성을 위해 아랫방향의 힘을 발생시킨다) 꼬리날개가 없어 문제되는 세로안정성을 후퇴각과 비틀어 내림(twist)으로 해결하였습니다. 세로안정성을 가지기 위해서는 C.G(무게중심 Center of Gravity) 보다 N.P(중립점 Neutral Point)가 뒤에 있어야 하는데 후퇴각을 주어 해결하였습니다. 후퇴익과 더불어 세로안정성을 위해 사용되는 방법은 날개 끝으로 갈수록 받음각이 작아지도록 날개를 비틀어 주는 것(twist)입니다. 이렇게 하면 받음각이 작을수록 양력은 감소하므로 비행기 뒤쪽에서 아랫방향으로 힘을 발생하게 됩니다. (일반적인 항공기의 꼬리날개는 안정성을 위해 아랫방향의 힘을 발생시킨다) 따라서 후퇴각을 주면서 트위스트각을 주면 날개의 끝이 수평 꼬리날개의 역활을 하게 되어 세로안정성을 얻을 수 있습니다 후퇴익은 같은 날개길이의 직선익에 비해 상대적으로 양력이 작고 초음속이나 천음속영역이 아닌 낮은 속도에서는 항력이 감소되는 효과도 없으므로 지나친 후퇴각은 안정성을 떨어뜨리게 됩니다. 또한 트위스트각은 아랫방향 힘을 발생시켜 양력을 감소 시킵니다. 그러므로 후퇴각과 트위스트각은 안정성을 얻을 정도로만 적당히 주어야 합니다. 날개 끝으로 갈수록 받음각이 작아지도록 날개를 비틀어 주는 것(twist)

8 (3) 테이퍼비 동체에 붙어 있는 날개쪽, 즉 날개뿌리와 날개끝의 시위와의 비율 ㆍ양력특성에 따른 구조적인 이유
유도항력이 날개 길이에 따라 고르게 분포 테이퍼비(Tapet ratio)는 동체에 붙어 있는 날개쪽, 즉 날개뿌리와 날개끝의 시위와의 비율을 말합니다. 따라서 그림과 같이 테이퍼비가 크면 클수록 날개 끝이 좁아지는 형태의 날개가 됩니다. 일반적으로 항공기는 날개 끝으로 갈수록 시위가 작아지는 테이퍼비를 지니고 있으며, 이렇게 생긴 이유는 양력특성에 따른 구조적인 이유 때문인데 유도항력이 날개길이에 따라 고르게 분포되어 양력을 더 얻을 수 있게 됩니다. 그리고 날개가 연결되어 있는 부분이 끝부분보다 더 좁으면 모든 무게가 집중되는 연결부위의 강도를 크게 높여야 하기 때문입니다. 테이퍼형 날개

9 (4) 윙 래트(Winglet) 비행기 주날개 끝에 수직 또는 거의 수직으로 부착하는 작은 날개 연비가
좋아짐 ㆍ 익단 와류가 윙 래트(Winglet)에 닿으면 추진력이 생김 ㆍ 유도 저항을 대폭 줄여줌 ㆍ 후퇴익의 꼬리날개가 없는 비행기에 있어서는 안정성을 대폭 개선하는 작용 윙 래트은 비행기 주날개 끝에 수직 또는 거의 수직으로 부착하는 작은 날개로써 익단 와류가 윙 래트에 닿으면 추진력이 생깁니다. 유도 저항의 발생 원인이 되는 익단 와류를 잘 이용해서 유도 저항을 대폭 줄일 수 있습니다. 저항의 감소는 그대로 연비의 감소로 연결됩니다. 또, 윙 래트는 후퇴익의 꼬리날개가 없는 비행기에 있어서는 안정성을 대폭 개선하는 작용도 있어서 많은 꼬리날개 없는 비행기에 사용되고 있습니다. 윙 래트(Winglet)의 움직임과 구조

10 (6)모형 제작 1. 날개설계 날개 면적 436020mm2 후퇴각 30 ° 테이퍼비 2.42 비틀림각 -1.5°
앞의 내용을 바탕으로 날개를 설계하였습니다. 익근폭은 396mm ,익근폭은 163mm ,날개 길이는 1560mm의 날개면적432900mm2 에 후퇴각은 30도 테이퍼비는 2.42 비틀림각은 -1.5도을 주었습니다.

11 2.날개커팅 3.보강제심기 4.엘레본만들기 5.필라멘트 테이프 바르기
날개설계도면을 바탕으로 스트로폼을 열선을 사용하여 날개를 커팅하여 접착제로 양날개를 붙힌 다음 날개 접합면를 튼튼하게 하기 위하여 보강제를 심었습니다.그리고 방향을 조정 할 수 있는 엘레본을 만들어 붙혔습니다.

12 6.완성 총무게 : 1122 g 무게중심 : mm 익면하중 : mm 2 /g

13 (7) 결론 및 토론 ㆍFlying wing 을 통하여 비행기의 기본원리를 알게 되었고
ㆍ시제기는 원하던 대로 작은 동력으로 큰 기체을 날게 할 수 있었고, 안정된 공력특성과 우수한 조정성을 보였다. ㆍ앞으로 이 비행체에 대한 연구가 더 진행되면 실용적 응용이 가능하리라 판단된다.

14 시험비행