소형무인기 투척이륙 안전영역 분석에 관한 연구

서론

무인기는 군 작전 시 핵심장비로 활용되고 있다. 이러한 추세에 따라 우리 군도 소형무인기를 도입하여 임무에 사용하고 있다[1-2]. 하지만, 대대급 소형무인기는 인력을 이용하여 투척이륙을 수행하기 때문에 속도 부족 및 투척 각도 부적절로 이륙 실패가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 소형무인기 투척 시 발생하는 공력특성을 분석하여 소형무인기 투척이륙 속도 및 받음각에 대한 안전영역을 도출하였다.

본론

투척 실패 사례 분석

소형무인기 운용 중 속도 부족으로 인한 투척 실패 사례가 지속적으로 발생하였다. 그림 2는 투척 실패 사례 비행데이터이다. 비행데이터 상 투척 속도는 약 35km/h였고, 투척 이후 비행체 자세가 급격하게 변화하면서 투척이륙에 실패하였다.

교범 상에는 투척 속도에 대한 기준은 없으며, 투척 비행체의 자세 롤 ±5°, 피치 0~15°에 대한 기준만 있다. 하지만 인력으로 투척하는 비행체 특성상 교범 내용을 준수하는 것이 어렵다. 또한, 실제 대다수 비행체는 투척 비행체 자세 기준 밖인 피치 30° 이내에서 정상 이륙하고 있었다. 따라서 비행체 투척 속도 및 투척 자세에 대한 명확한 기준 설정이 필요하였다.

배경 이론

Reynolds 시간평준화에 따라 Navier-Stokes 방정식의 유동해 변수는 시간평균항인 과 섭동항인 의 조합으로 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(Eq. 1)

유사하게 압력과 Scalar quantity에 대해서 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(Eq. 2)

여기서 Eq. 2는 압력이나 에너지 등을 의미하며, 유동변수에 대한 표현 방식을 연속방정식 Eq. 3과 운동량방정식에 시간평준화를 고려하면 Eq. 4와 같이 Reynolds -averaged Navier-Stokes (RANS) 방정식으로 나타낼 수 있다.

(Eq. 3)

(Eq. 4)

2.3. 투척이륙 안전영역 분석

Eq. 3~4를 수치적으로 계산하기 위해 유한체적법에 기반한 수치해석 기법을 적용하였으며, 상용 CFD 해석프로그램인 STAR-CCM+를 활용하였다. 투척 시 비행체 속도 영역은 30~45km/h, 뱅크(롤) 각 0°로 설정하였으며, 공력특성 분석결과로 비행체 속도, 받음각에 따른 비행체 양력 값을 그림3과 같이 획득하였다.

투척이륙 안전영역은 Fz가 비행체 무게인 33.85N(3.45kg×9.81)보다 커야하며, 그 영역을 노란색으로 표 1에 표시하였다.

비행체의 뱅크각이 0°가 아닐 경우 Fz의 크기가 변하게 된다. 따라서 표 1의 값에cos(뱅크각)을 곱하여 뱅크각에 따른 투척이륙 안전영역을 산출하였다. 그 결과 투척이륙 안전영역 분석 결과 비행체 뱅크각이 커질수록 투척이륙 안전영역이 줄어드는 것(붉은 색 영역)을 표 2~5에서 확인할 수 있다.

결론

본 연구에서는 소형무인기 투척 시 발생하는 공력특성을 분석하여 소형무인기 투척이륙 속도 및 받음각에 대한 안전영역을 도출하였다. 안전영역을 도출한 결과 비행체의 받음각은 10~15°, 뱅크 각은 -10~ +10°로 투척하는 것이 가장 적합하며, 투척 시 비행체 속도는 38km/h 이상이 되어야 할 것으로 판단된다. 본 연구결과는 운용자 교육을 위한 참고자료로 활용될 수 있으며, 추후 투척이륙 실패 발생 시 원인분석을 위한 기초 데이터가 될 것으로 판단된다[3].