항공우주시스템공학회 2019년도 춘계학술대회 SASE 2019 Spring Conference

1. 서 론

최근 미국 및 유럽의 항공 선진국을 중심으로 기존

항공 추진시스템의 연료소모율을 대폭 감소시키고 환경

오염 물질의 배출 및 비행소음을 최소화하기 위하여

기존의 추진시스템을 주엔진으로 발전기를 구동시켜

발생되는 전기에너지로 동체 및 날개 표면에 분산 매립

된 팬을 구동하는 형태의 하이브리드 추진시스템에 대한

연구가 활발하게 진행중이다.[1,2,3]

이러한 추진시스템은 비행중 기체의 표면에 형성되는 고

속 난류 경계층 유동을 “S자” 곡관을 통해 속도를 저하시

킨 후 기체에 분산 매립된 팬으로 재 유입시켜 비행 추력을

얻는 추진 방식이다.

본 연구에서는 Table.1과 같이 NASA가 제시하고

있는 미래 분산추진 항공기의 성능 목표기준(연료소모

율, 비행 소음 수준, 기체 항력 등)을 중심으로 기존

항공 추진시스템의 성능 특성과의 간단한 비교분석을

통하여 경계층 재유입 분산추진시스템의 개발과 미래

첨단 무인기 개발에 적용가능성을 분석하였다.[3,4]

또한 유럽 항공선진국을 중심으로 최근 연구가 활발하

게 진행중인 동일 연구결과 들과도 상호 비교하여 적용

가능성을 분석하였다.[6]

Table.1 NASA fuel burn targets for the next generation of aviation vehicles[6,7]

Concerns of

the trade

space

N+1(2015)

(Relative to

B737/CFM56)

N+2(2020)

(Relative to

B777/GE90)

N+3(2025)

(Relative to

B737/CFM56)

Noise -32 dB -42 dB -55 dB

LTO NOx

Emissions-60% -75% -80%

Cruise

NOx Emissions-55% -70% -80%

Aircraft

Fuel/Energy

Consumption

-33% -50% -60%

2. 경계층 재유입 분산 추진시스템의 추력Plas 등[4]에 따르면 기체와 분리장착된 형상과 기체

의 표면경계층이 재유입되도록 통합형으로 설계된

형상 각각의 경우의 추력은 다음 식에 따라 계산할 수

차세대 무인기용 분산추진시스템의 배열 및 경계층 재유입 효과 분석

박토순1,†· 권세진2

1국방과학연구소 제3항공체계단 책임연구원

2KAIST 항공우주공학과

The Array and Boundary Layer Ingestion Effects of the Distributed Propulsion System for Future UAV Tosoon Park1,†, Sejin Kwon2

1Principal Researcher of the 3rd system development center of ADD2Professor of aerospace engineering department of KAIST

Abstract : 최근 대기오염 물질의 배출, 비행소음, 추진효율 향상 등의 이슈 해결을 위한 신개념 항공추진시스템 개발에 대한 관심이 높아지고 있다. 특히, 기존 항공추진시스템의 효율향상과 연료소모율 획기적 감소, 추력대 중량비가 높은 고효율의 신개념 무인항공기 개발에 대한 다양한 연구를 수행하고 있다. 이러한 신개념의 항공기 개발을 위하여 비행항력을 최소화하기 위한 기체통합형 분산 하이브리드 추진시스템의 개발이 하나의 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 미래의 첨단 무인항공기에 적용할 수 있는 기체 매립형 분산 하이브리드 추진시스템의 배열 및 특징, 경계층 재유입 이득, 유체동력 균형 등을 연구하였다.

Key Words : Distributed Propulsion System(분산추진시스템), BLI(경계층 재유입), UAV(무인항공기), Fuel Consumption(연료소모), Propulsion Efficiency(추진효율), Flow Power(유체동력)

†교신저자 ( Corresponding Author )E-mail: pts127@add.re.krCopyright Ⓒ The Society for Aerospace System

Engineering

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항공우주시스템공학회 2019년도 춘계학술대회 SASE 2019 Spring Conference

있다.(Figure.1) 기체와 분리장착된 추진형상의 경우

비행체의 추력은 추진기관을 통과하는 유체의 질량유량

과 속도증가량의 곱으로 표시할 수 있다.

∞ ∞ (1)

또한 표면경계층이 재유입되도록 통합형으로 설계된

형상의 경우 입구 유동속도는 자유유동 속도가 아니고

비행체의 후류 속도이므로 힘은 다음과 같이 표시할

수 있다.

∞ (2)

위의 두가지 형상 각각 동일한 비행체 항력을 가진다

고 가정하면 표면경계층이 재유입되도록 통합형으로

설계된 형상이 기체와 분리장착된 형상보다 훨씬 큰 비

행체 항력을 가지게 된다. 아울러, 유동에 더해지는 기

계적에너지, ,는 입구 유동과 출구유동의 운동에너지

차이로 표시할 수 있다.

∞

∞ (3)

∞

∞ (4)

또 다른 접근 방법으로 Drela 등[6]에 따르면 유동

에 더해지는 기계적 에너지는 추진기관의 분사 후류손

실, 기체의 후류손실, 후류에 의한 점성소산, 와류에

의한 손실 등의 합과 같다. 즉,

(5)

그러나 후류에 의한 점성소산은 추진기관으로 재유입

되는 경계층의 양에 비하여 훨씬 작은 값을 가지므로

경계층 재유입계수()에 따라 다음과 같이 균형을

이루도록 할 수 있다.

(6)

경계층 재유입 형상의 경우 추진기관의 효율은 엔진

입구 및 출구 에너지 변화의 함수로 다음과 같이 표시

할 수 있다.

(7)

식(7)을 경계층 재유입 유무에 따라 표시하면 다음과

같이 표시할 수 있다. 즉,

∞∞

∞

(8)

∞

∞ (9)

Smith와 Drela 등[2]은 경계층 재유입 효과를 계량하기 위하여

추력절감상수(PSC)의 개념을 도입하여 경계층 재유입에 따른

추진기관의 효율변화를 분석하였다. 즉,

(10)

Figure.1 BLI body-propulsor configuration with dissipation[4,5]

3. 분산 추진시스템의 배열 및 경계층 재유입 특성분석

3.1 추진시스템의 분산효과 Figure. 2에 나타낸 바와 같이 후류(wake)와 분사

(jet) 폭의 비율을 기준으로 기존의 항공 추진 시스템

효율 대비 분산형 추진시스템의 효율이 크게 향상되는

것을 알 수 있다. 이는 후류에 의한 항력이 크게 감소

하여 추력으로 복원되기 때문이다.[16] 또한, Figure.3

및 Figure.4에 표시한 바와 같이 기체에 매립 분산된

팬의 형상과 성능을 감안할 때 배열된 팬의 최적 개수

는 비행체 형상을 결정하는데 가장 중요한 요고 중

하나이다. 배열된 팬의 압력비가 모두 동일하다고

가정할 경우 임의로 선정된 팬의 압축비는 팬의 개수

와 일치하게 되며 소모동력이 최소화됨을 알 수 있다.

아울러, 팬의 압력비가 높아질수록 동일한 팬의 개수를

기준으로 소모동력이 크게 증가함을 알 수 있다.[7]

Figure.2 Distributed Propulsion Efficiency

2

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Figure.3 PSV vs. Number of Fans

Figure.4 Required Power vs. Number of Fans

3.2 기체통합형 추진시스템의 효율

Figure.5 및 Figure.6에 나타낸 바와 같이 기존의 추

진기관의 추진효율은 개별 팬의 압력비가 1.2까지 급

격히 저하되며 그 이후는 팬 압력비가 높아질수록 선

형적으로 낮아짐을 알 수 있고, 기체통합형 추진기관

의 경우 팬 압력비가 1.25까지 급격히 낮아지고 그 이

후는 선형적으로 완만히 증가함을 알 수 있다.[1,2]

Figure.5 Propulsive Efficiency for Embedded and Freestream Propulsors

Figure.6 Thrust Specific Fuel Consumption for Embedded and Freestream Propulsors

3.3 경계층 재유입 효과

Figure.7은 경계층 재유입 노즐면적 대비 추진기관

의 노즐 면적이 증가함에 따라 동력계수(PSC)가 큰

폭으로 감소함을 알 수 있다.

경계층 재유입을 통한 기계적 유동동력의 감소는 경

계층 재유입량과 추진 팬의 질량유량에 크게 의존한

다. 또한, Figure.8 및 Figure.9는 서로 다른 추진기관을

갖는 경계층 재유입 형상과 기존의 장착형상 간의 질량

유량 및 추진기관 효율 증가에 따른 기계적 유동동력의

변화를 나타낸다. 동일한 동력, 추진효율, 분사속도, 질

량유량 등을 기준으로 경계층 재유입 형상이 기계적 소

모동력을 크게 감소시키고 추진기관의 효율이 증가함에

따라 소모동력이 크게 감소함을 알 수 있다.[4,5]

아울러, Figure.10에 표시한 바와 같이[8] 기존 표면

경계층을 100% 재유입하는 조건대비 약 8%를 줄일 경

우 전체적인 추진효율은 약 7% 정도 줄어드는 것을 확

인할 수 있으며 이는 기존 연구결과와 거의 일치함울

얼 수 있다.

Figure.7 Boundary Layer Ingestion Effects

3

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Figure.8 Mechanical Flow Power vs. Propulsion Efficiency

Figure.9 Mechanical Flow Power vs. Propulsor Mass Flow

Figure.10 Overall Efficiency of Distributed Propulsion

4.결론 본 연구에서는 현재 국내외적으로 많은 관심이 집중

되고 있는 미래 첨단 무인항공기 개발을 위한 경계층

재유입 분산추진시스템의 특성(효율, 추력, 경계층

재유입 효과 등)에 대하여 기존의 자료를 기반으로 분

석하였다.

결론을 요약하면 다음과 같다.

첫째, 기체통합형 분산추진시스템은 기존 분리장착형

추진시스템에 비하여 비행 항력을 크게 감소시키고 효

율은 크게 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

둘째, 동일한 동력, 추진효율, 분사속도, 질량유량 등을

기준으로 경계층 재유입 형상이 기계적 소모동력을 크

게 감소시키고 추진기관의 효율이 증가함에 따라 소모

동력이 크게 감소함을 알 수 있다.

참 고 문 헌1. H.J.M. Kok, Mark Voskuijl and Michael J.L. van

Tooren, 2010, “Distributed Propulaion featuring

Boundary Layer Ingestion Engines for the

Blended Wing Body Subsonic Transport,”AIAA

2010-3064

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Aerodynamic Flows,”AIAA-09-3762

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Gireitzer, T.P. Hynes, C.A. Hall, 2007,

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2007-450

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Gireitzer, Neil A. Titchener, Michael K. Lieu,

Nina M. Siu, Arthur C. Huang, 2014,

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Boundary Layer Ingestion Benefit for the D8

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6. David K. Hall, Arthur C. Huang, Alejandra,

Edward M. Gireitzer, Mark Drela and Sho Sato,

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Propulsion and Power, vol.33 No.5, pp

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Distributed Propulsion for Aircraft,”

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8. C. Goldberg, D.Nalianda, D. MacManus and P.

Pilidis, 2016, “Installed Performance

Assessment of a Boundary Layer Ingestion

Distributed Propulsion System at design Point",

52nd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion

conference, Propulsion and Energy

Forum(2016), Utah

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