cant'[설계툴] AVL 사용 가이드

 

 오래전 부터 써오던 MIT_Mark drela교수님이 만드신 AVL 프로그램 사용법을 다루고 싶었는데 너무 개을러서 작성하지 못하다가 이제야 첫삽을 뜹니다. 사용법 정리는 집중하면 3일이면쓰겠지만, 그정도의 열의도 많이 사라진것 같습니다. 그래도 조금씩 나아가도록 하겠습니다. 

 

 제가 얼마전에 XFLR5라는 프로그램 사용 가이드 작성을 완료했습니다. 그 글의 맨 마지막에 보시면 Stability analysis, stability derivatives, Trim analysis 등의 기능이 있지만 동체를 고려하지 않아서 AVL , Openvsp를 활용하는 것을 추천드린다고 하였습니다. 

 

  AVL도 XFLR5와 비슷한 Potential flow Pannel method를 기반으로하여 상용 CFD인 Ansys Fluent 같은 점성과 압축성을 고려하여 공력해석을 하지는 않습니다. 하지만 초기 개념설계 or 체계설계의 PDR(기본 설계 검토)단계에서 유용하게 사용됨은 틀림이 없습니다. 

 

 일단 항공기의 형상을 사이징할 때 가장 기본적으로 확인해야하는 것은 최대 이륙중량을 띠울 수 있냐는 것이고 이때 공기역학적으로 효율이 좋아서 더 오래 날수 있는 기체의 형상을 설계하는게 중요합니다. 바로 이 단계에서 AVL이 사용됩니다. 조종면 사이즈를 Raymer, Roskam에 나오는 기준에 맞추서 사이징하더라도 실제로 적절한 조종성이 나오는지 시뮬레이션이 필요합니다. 그와 같은 내용은 비행역학에 기술되어 있고 그 수식에 필요한 공력 계수들을 도출해야합니다. 일단 포멧을 만들어 놓는다면 유용하게 CDR(상세 설계 검토)까지 활용되리라 생각됩니다.

 

$$\dot{X}=\begin{equation}    \begin{bmatrix}     X_{u} & X_{w} & 0 & -gcos_{\gamma_{0}}   \\    {Z_{u}}^{'} & {Z_{w}}^{'} & {Z_{q}}^{'}& {Z_{\theta}}^{'}  \\    {M_{u}}^{'} & {M_{w}}^{'} & {M_{q}}^{'}& {M_{\theta}}^{'}  \\    0 & 0 & 1& 0  \\    \end{bmatrix}     \begin{bmatrix}     u   \\    w   \\    q   \\    \theta   \\    \end{bmatrix}    +     \begin{bmatrix}     X_{\delta_{E}}   \\    Z_{\delta_{E}}   \\    M_{\delta_{E}}   \\    0   \\    \end{bmatrix}     \begin{bmatrix}     \delta_{E}   \\       \end{bmatrix} \end{equation}$$

(1)

 위의 식1은 항공기의 종운동 상태방정식을 표현한 것입니다. 4x4행렬의 각 요소는 모두 복잡한 함수로 이루어져있습니다. 종운동이 있으니 횡운동도 있겠죠? 횡운동 상태방정식도 위와 같은 4x4행렬로 이루어지거나 5x5행렬로 이루어집니다. 따라서 종운동과 횡운동 각각의 상태에 대해서 안정성해석이 이루어지는 구조입니다. 위의 방정식을 풀려면 수치적분이 필요하고 선형대수적인 지식이 필요합니다. 

 

 위 행렬의 각 요소를 왜 구해야 할까? 항공기의 동적 거동을 시뮬레이션하기 위해서 입니다. 우리가 흔히 생각하는 게임 시뮬레이션이 아니라 비행기의 움직임을 시간에 대해서 예측해 보는 것을 의미합니다. 이를 통해서 엘레베이터를 몇 도 처야 원하는 고도로 원하는 시간에 도달할 수 있는지 확인할 수 있고 조종면 사이즈가 적절한지 검토도 가능하고 각 계수를 통하여 안정성 기준을 더 심도 있게 확인할 수 있습니다. 위와 같은 비행역학적인 내용을 차근 차근 블로그에 업로드 하도록 하겠습니다. 

 

아무튼 그래서 AVL을 할 줄 알아야 한다는 것입니다. 이러이러한 이유로 AVL 프로그램 사용 가이드를 시작해 보도록 하겠습니다. 

 

 

0.  AVL 소개

 

 AVL은 MIT mark derla 교수님이 만든 프로그램으로 현재까지도 해당 랩실에서 업데이트가 되고 있는 살아있는 프로그램입니다. Qmil이라는 프로그램도 mark derla교수님이 만드셨는데 랩실에서 업데이트가 이루어지지 않아서 작동을 안합니다ㅠㅠ.

 

 아직 AVL이 살아있을 때 해당 프로그램 사용법과 어떻게 사용하면 좋은지 그리고 그 기반이 되는 이론은 어떤게 있는지 설명드리도록하겠습니다. 

 

 먼저 해당프로그램 홈페이지에서 공부해보면 좋은 매뉴얼들을 소개하겠습니다. 

 

1. 메인 AVL 홈페이지

2. AVL 파일 작성방법(초기) 

3. AVL 파일 작성 방법(PDF, 더 자세히)

4. AVL 프로그램 단축키 사용법

5. AVL 프로그램 단축키 사용법 2

6. AVL 프로그램 버전 업데이트 기록

 

 위의 링크들은 1번 메인 홈페이지에 있는 것들입니다. 각 문서들만 잘 읽어보더라도 AVL 프로그램을 쉽게 따라하실 수 있습니다. 하지만 해당 프로그램의 노하우, 돌아가는 방식, 확인해야 할 것들, 오류가 발생할 수 있는 부분, 등 실무적인 내용에 대해서 제가 사용하면서 느꼈던 부분에 대해 설명드리도록 하겠습니다. 

 

 추가적으로 1번 메인 홈페이지에 들어가시면 하위에 다운로드 압축파일이 있으니 다운 받으시고 사용하시면 됩니다. 해당 프로그램은 오픈 소스 프로그램으로 개인, 기업 어디서는 사용하실 수 있습니다.

 

1.  AVL 예제 파일 둘러보기

 

 Mark derla 교수님은 AVL 프로그램에 여러 항공기 예제 파일을 올려두셨습니다. 종류가 한 20개 정도 되는 것 같은데 전부 바로 열리지는 않고 미완된 파일이 거의 다 입니다. 이 중에서 제가 가장 흥미롭게 보았던 항공기 2종을 소개해 드리도록 하겠습니다. 

Fig. AVL 예제 파일 위치

 

 

1. Allegro 2m RES (maked mark derla)

 

Fig. Allegro 형상

 

 Mark derla 교수님이 설계하신 Allegro는 모터와 프로펠러가 없는 글라이더 입니다. Rudder, Elevator, Servo 3종류만 있는 RES 기체 입니다.