태양광 글라이더 설계

 

 

 

 

 

 

 

안녕하세요~ 두번째로 글을 올립니다.

 

이번 글은 "태양광 글라이더"를 어떻게 설계했는지 소개해 드리겠습니다.

 

국내에서 태양광 비행기의 개발은 항공우주연구원과 항공대학교에서 진행해왔습니다. 다만, 실제 설계하는 디테일한 내용은 논문을 읽어도 쉽게 알기 어렵습니다.  그러던 와중  취리히 공대(ETH zurich)의 Noth, Andre박사 학위논문 "Design of solar Powered Airplanes for Continous Flight"를 발견하여   참고하게 됬습니다. 

 

 "Design of solar Powered Airplanes for Continous Flight"(이하 Noth논문)에는 박사학위 논문 답게 디테일한 내용을 많이 실고 있습니다. 제목에서 말하다 싶이 "연속비행을 위한 태양광 비행기설계"에 관한 내용을 담고 있습니다. 

 

 

먼저 태양광 비행기의 역사에 대해서 살펴 보겠습니다.

 

 

Fig.1  태양광 비행기의 역사

 

 

태양광 비행기의 본격적인 연구 개발은 1974년의 Sunrise라는 비행기를 통해서 시작되었습니다. Hughes Aircraft사에서 Roland Boucher라는 연구원이 전기비행기를 연구하다가 설계를 시작하게 되었다고 합니다. 이렇듯이 태양광 비행기의 역사는 꽤? 오래됬습니다.  저는 빨간색 네모가 쳐진 Skysailor(2008)와 Atlantik solar(2016)를 참고해서 만들었습니다. 

 

 

 

 

Fig,2 태양광 비행기의 전기에너지 효율

 

 

 이 그림은 Noth논문에서 발췌했습니다. 다만 2008년 기준이라 Solar Panels의 효율은 17%에서 24%까지 올라서 더 좋은 조건이 되었습니다.

 

 간략히 설명 드리자면 왼쪽 태양에너지를 100%로 두었을 때 태양전지판은 약 17%정도 밖에 받아들이지 못합니다. 

 

그후 MPPT라고 하는 일종의 DC-DC컴버터를 통하여 나름 최대효율로 배터리를 충전이 됩니다. 

 

다음으로 ESC (electric speed controller)라는 모터의 속도를 조절해주는 장치로 들어가서 모터를 제어해주게 됩니다. 

 

 기어박스를 통해서 프로팰러를 돌려주게 되는대요. 왜 효율을 저하시키는 기어박스를 쓰는가? 라는 의문이 생길 수 있습니다. 하지만 제 비행실험 결과 기어박스는 꼭 필요한 것 같습니다. 기어박스는 일종의 지렛대와 같습니다, 큰 하중을 적은 힘으로 들어올리게 해줍니다. 태양광 글라이더는 큰 프로팰러를 가지고 있기때문에 많은 공기력 하중을 받게 됩니다. 그래서 기어 박스를 통해서 많은 하중을 경감시켜 모터에 전달하는 원리이지요. 저는 시간이 부족해서 기어박스를 구매하지 못해서 모터가 타버리는 문제를 격었습니다. 차차 설명드리도록 하겠습니다.  

 

 

Fig. 3 실제 구매한 부품들

 

 

 

Solar cell은 SunPower라는 회사에서 구매했습니다. 동종의 제조방식 회사중 가장 큰 효율을 자랑하고 가격 또한 저렴한 편입니다. 

 

MPPT는 국내 디바이스 마트에서 구매했습니다 하단부의 단자를 통해서 Input Output 전압을 조절할 수 있어서 좋았습니다.

 

배터리는 리튬이온 배터리를 사용했는데 단위체적당 많은 전기에너지를 저장할 수 있어 인공위성에서도 많이 사용한다고 합니다. LG것이 좋다고 합니다.

 

모터는 원래 T-motor사의 "Antigravity 4004 KV300"를 사용했었는데 40/15프로펠러로 특정 RPM을 넘어서면 모터가 녹아버려사용할수 없었습니다. 따라서 "Tarot 4114-11 kv 320"를 구매해서 사용했습니다. 사실 특정 RPM을 넘서서 모터가 녹은 이유는 허용전류를 넘어섰기때문인 것 같습니다.  그래서 기존 9A에서 15A로 거의 두배가량 높여 사용했더니 녹는 문제는 없었습니다. 다만 무게가 거의 2배가량 높아졌습니다. 앞으로 공부하면서 해결해 나가야할 부분인 것 같습니다.

 

프로팰러는 국내에서 판매하는 폴딩프로팰러중 가장 큰 것을 사용했구요. Noth논문에 의하면 지름이 66cm가 되야하지만 시간이 촉박하여 이렇게 진행했습니다.

 

 

 

Fig. 4 Noth논문을 통한 개념 설계 (비행기 부분별 무게) 

 

 

 보통 비행기 개념 설계는 수치해석을 많이 따릅니다. Noth논문에서도 초파리 부터 거대 여객선까지 비행기의 날개길이(Span) 대 무게에 관한 수치해석을 실시해서 하나의 식을 만들고 그 식을 통해서 각 부분에 어느정도 크기와 무게를 가져야하는지 추정합니다. 

 

저는 그와 같은 부분을 참고해서 비행기의 크기를 정했습니다.

 

 

 

 

Table .1 Noth논문을 통한 비행기 사이징 

 

 

 

 

 다음과 같이 개념 설계가 끝난 상태에서 날개를 튼튼하게 만들기 위해서 "항공구조역학" (공창덕저)의 비행기 날개 설계과정을 참고하여 날개를 설계했습니다.

 

 

 

Fig. 5 날개 단면(Clark Y Airfoil)

 

 

 Table.2 스파 설계 결과

 

 

 

 

 

 날개 단면을 보시면 1~4번으로 각 flange에 번호를 매겨놓았습니다. 참고로 그부분은 i형 스파의 flange를 나타냅니다. 따라서 주로 굽힘(flange임으로)을 담당하며 수직한 일직선 형상(web)은 비틀림을 담당하는데 제가 계산해본 결과 매우 안전해서 따로 올리진 않았습니다. 나중에 Dbox에 관해서 특집으로 올릴때 잘 정리해서 올리도록 하겠습니다. 

 

 

 항공구조역학(공창덕저)에서 비행기의 날개를 설계하는 과정은 다음과 같습니다.

 

 

Fig. 6 날개 단면

 

 

 

Fig. 7 날개 구조 설계 플로우차트

 

 

 

 

Fig. 8 날개 구조설계 결과

 

 

 

 

 

 

Fig. 9 준완성된 해달( HAEDALL)

 

 

 

 

 

Fig. 10 HAEDALL 비행영상

 

 

 

 

 

 

여기까지 입니다. 제가 설계를 진행한 큰 흐름을 보여드렸습니다. 항공구조역학이나 공기역학, 3D모델링(CATIA), 전산유체역학(CFD), 항법장치등 자세한 사항을 하나씩 포스팅하겠습니다.

 

읽어 주셔서 감사합니다. 비평과 질의 언제나 환영합니다.

 

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