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비행기 설계하는 과정이 결코 만만하진 않습니다. ㅠㅠ
흠.. 저는 이렇게 생각합니다.
공부를 잘하고 싶다면 공부 잘하는 친구를 따라하고
그림을 잘 그리고 싶으면 훌륭한 명장을 따라그리는 것이 좋다.
이와 마찬가지로 비행기도 비슷하다고 생각합니다.
제가 지금 정리하는 NAVION은 미국의 2차 세계대전 주력전투기,
P-51 머스탱의 민간형 항공기입니다.
거기다 NASA와 함께 개발하였으니 ...
아무리 오래되었어도 좋은 공부거리가 아닌가 싶습니다.
이번 NAVION 프로젝트는 NASA라는 거대한 거인의 어깨에 서서 비행기를 바라보는
긴 탐험의 과정이 될 것입니다. ㅎㅎ
계속 진행하겠습니다.
31. 트림조건(Trim condition) : 안정 직선 비행의 분석
mgsinγ0=−D0cosβ0−S0sinβ0+T0cos(ϕT+α0)LA=0−mgcosγ0sinΦ0=S0cosβ0−D0sinβ0MA+T(dT−xTϕT)mgcosγ0cosΦ0=L0+T0sin(ϕT+α0)NA0=0
γ0는 비행기의 피치각(Pitch angle)과 같지만
보통 Flight path angle이라고 부릅니다.
D, S, T는 항력, 횡력, 추력입니다. 하첨자 0은 초기값을 의미하며 물리적의미는 특정 상태에서의 값을 의미합니다.
Φ0는 뱅크각(Bank angle)를 의미합니다.
베타는 옆미끄러짐각이고 알파는 받음각입니다.
L,M,N은 각각 항공기의 롤링, 피칭, 요잉 모멘트를 의미합니다.
여기서 하첨자 A의 의미는 Aerodynamic의 약자로 공기력에 의한 모멘트라는 뜻입니다.
위의 기호 몇개는 생소하실 겁니다.
제가 일부로 생략한 내용들이 있습니다.
사실 위의 식도 별로 필요없습니다.
32. 안정 직선 비행의 분석 - 세로 트림 분석 (Longitudinal Trim analysis)
우선 세로 트림과 가로 트림이 있는데
저희는 세로 트림만 일단 분석 할 것입니다.
세로 트림은 β0, Φ0를 0으로 가정할 것입니다.
비행기의 옆 미끄럼짐 각이 없고 뱅크각이 없다고 말입니다.
따라서 횡력도 무시합니다.
말그대로 우리가 흔히 생각하는 수평 직선 비행을 말합니다.
mgsinγ0=−(CDα=δ=iH=0+CDαα0+CDiHiH+CDδEδE0)q∞SW+T0cos(ϕ0+α0)mgcosγ0=(CLα=δ=iH=0+CLαα0+CLiHiH+CLδEδE0)q∞SW+T0sin(ϕ0+α0)(CMα=δ=iH=0+CMαα0+CMiHiH+CMδEδE0)q∞SW¯cW+T0(dT−xTϕT)=0
그럼 세로 트림에 관한 식은 이렇게 간소화 시킬 수 있습니다.
저희가 구한 계수들이 이렇게 사용되는 군요
기본 원리는 힘을 선형적으로 표현하기 위해서 저런 방식을 쓰는대요.
"초기값 +기울기(변수)" 이게 기본 원리입니다
다만 예로 항력이라는 힘에 여러 변수가 있고 그 변수에 해당하는 기울기가 여러개 있다고 보시면 됩니다.
y=ax+b, 즉 1차함수로 표현한 것입니다.
CLTrim≜mgq∞SW,CTTrim≜T0q∞SWT0sin(ϕT+α0)≪L0,cos(ϕT+α0)≈1 |
(171) |
트림 양력 계수와 추력계수는 위와 같습니다
ϕT는 모터의 붙임각이라고 생각하시면 됩니다.
저희는 초기 받음각도 모터의 붙임각도 거의 0이기때문에 위의 두번째 식이 만족합니다.
[−CDα−CDδE1CLαCLδE0CMαCMδE(dT−xTϕT)¯cW]{α0δE0CTTrim}=[CLTrimsinγ0+CDα=δ=iH=0+CDiHiHCLTrimcosγ0−CLα=δ=iH=0−CLiHiH−CMα=δ=iH=0−CMiHiH]
위의 조건을 넣어 정리하면 식 171을 만들 수 있습니다.
그냥 행렬로 나타낸 것입니다.
[CLαCLδECMαCMδE]{α0δE0}=[CLTrimcosγ0−CLα=δ=iH=0−CLiHiH−CMα=δ=iH=0−CMiHiH] |
(173) |
계산 절차는 조금 복잡합니다.
일단 식 171에서 받음각과 엘리베이터 각에 해당하는 부분만 따로 뺍니다.
식 172처럼 말이죠.
일단 이걸 풀어주면 트림 받음각과 트림 엘리베어터각을 구할 수 있습니다.
αTrim=((CLTrimcosγ0−CLα=δ=iH=0−CLiHiH)CMδE+(CMα=δ=iH=0+CMiHiH)CLδE)/ΔδETrim=((CMα=δ=iH=0+CMiHiH)CLα+(CLTrimcosγ0−CLα=δ=iH=0−CLiHiH)CMα)/ΔΔ=CLαCMδE−CMαCLδE
그럼 식 173과 같이 트림 받음각과 트림 엘리베이터 각도를 구했습니다.
이제 이 값을 이용해서 트림 추력을 구할 수 있습니다.
T0cos(ϕT+αTrim)=(CDα=δ=iH=0+CDααTrim+CDiHiH+CDδEδETrim)q∞SW+mgsinγ0=CDTrimq∞SW+mgsinγ0
위에서 구한 값을 넣어주면 일단 트림 항력계수를 구할 수 있습니다.
이는 나중에 유용하게 사용되니 언급하고 넘어가겠습니다.
그리고 이를 풀어주면 트림 추력을 구할 수 있습니다.
그럼 여기까지 궁극적으로 알 수 있는 것은
트림 받음각
트림 엘리베이터 각도
트림 추력
이렇게 3가지를 도출 할 수 있습니다.
트림 추력을 안다는 것은
이 비행기의 속도를 알 수 있다는 것입니다.
비행기의 모터에 프로펠러를 장착하고
발생하는 추력을 측정할 수 있는 실험 장치가 있거나
아니면 데이터가 있다면
쓰로틀 몇 퍼센트에서 얼마간의 추력이 나오는지 알수 있습니다.
그때 발생하는 바람의 속도를 측정하면 그게 비행기 속도인 것입니다.
--------------------------------------NAVION 계산-----------------------------------
CLα=CLαW+CLαH(1−dεdαW)qHq∞SHSW=4.468+3.9524(1−0.56)(0.9)(43184)=4.8338(/rad) |
(176) |
CLδE=CLαHαδqHq∞SHSW=3.9524(1.1349)(0.9)(43184)=0.9434(/rad) |
(177) |
CLiH=CLαHqHq∞SHSW=3.9524(0.9)(43184)=0.8313(/rad) |
(178) |
CL|α=δE=iH=0=CLαW(iW−α0W)+CLαH(−dεdα(iW−α0W)−α0H)qHq∞SHSW=4.468(2deg−(−4.95deg))(π(rad)180(deg))+3.9524(−0.56(2deg−(−4.95deg))−0.9997)(π(rad)180(deg))(0.9)(43184)=0.4710
CDα=2π(CLWAWeWCLαW+CLHAHeHCLαHqHq∞SHSW(1−dεdα))=2π(CLαW(αW+iW−α0W)AWeWCLαW+CLαH((1−dεdα)αW−dεdα(iW−α0W)+iW−α0H+αδδE)AHeHCLαHqHq∞SHSW(1−dεdα))=23.141592(rad)(4.4682(0+2−(−4.95))6.06(0.9)(π(rad)180(deg))+3.9524(0−0.56(2−(−4.95))+2−(0.9997)+0)4(0.95)(π(rad)180(deg)))3.9524(0.9)(43184)(1−0.56)=0.2673
CDδE=2CLHπAHeHCLαHαδqHq∞SHSW=2(CLαH((1−dεdα)αW−dεdα(iW−α0W)+iW−α0H+αδδE))πAHeHCLαHαδqHq∞SHSW=2(3.9524(/rad)(0−0.56(2−(−4.95))+2−0.9997+0))3.141592(4)(0.95)(π(rad)180(deg))3.9524(/rad)(1.1349)(0.9)(43184)=−0.0315(/rad)
CD|α=β=iH=δE=δR=0=CD0+1πAWeW(C2LW+C2LHAWeWAHeHqHq∞SHSW)=(CD0W+CDFSFSW+CD0HqHq∞SHSW+CD0VqHq∞SVSW)+1πAWeW(C2LW+C2LHAWeWAHeHqHq∞SHSW)=(0.0084+CDFSFSW+0.0078(0.9)(43184)+0.0078(0.9)(12.5184))+13.141592(6.06)(0.9)((CLαW(αW+iW−α0W))2+(CLαH((1−dεdα)αW−dεdα(iW−α0W)+iW−α0H+αδδE)26.06(0.9)4(0.95)(0.9)(43184)))
다른 것들도 구하기 힘들지만 가장 난감한 것은
위의 CDF는 fuselage 즉 , 동체의 항력계수입니다.
이건 책에도 안나오고 답도 없습니다.
이 값을 구하려면 XFLR5로 구해야합니다.
CD0W → jj-center.tistory.com/52 의 44번식
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