25.52 고정익 항공역학의 최신 연구 동향

1. 연구 동향의 개괄

고정익 항공역학은 20세기 초 체계화된 이후 지속적으로 발전해 왔다. 최근 수십 년간은 컴퓨팅 기술의 발전, 환경 지속성 요구, 전기 추진의 등장, 자율 비행 기술의 성숙 등이 새로운 연구 방향을 촉진하고 있다. 이러한 동향은 차세대 항공 기술의 기반이 되고 있다.

2. 고충실도 CFD의 보편화

고충실도 CFD 해석의 보편화는 최근 주요 동향이다. 주요 발전은 다음과 같다. 첫째, LES와 DES의 실용화. 둘째, GPU 가속. 셋째, 고성능 컴퓨팅 자원의 접근성. 넷째, 복잡한 기체의 전체 해석. 다섯째, 비정상 효과의 정밀 재현. 이러한 발전이 설계 정밀도를 크게 향상시키고 있다.

3. 학습 기반 해석

기계 학습 기반 해석이 항공역학 연구의 새로운 축이다. 주요 접근은 다음과 같다. 첫째, 신경망 기반 공력 모델. 둘째, 난류 모형 개선. 셋째, 빠른 대리 모델. 넷째, 역설계와 최적화. 다섯째, 자동 형상 생성. Ling, Kurzawski, Templeton의 Reynolds Averaged Turbulence Modelling Using Deep Neural Networks with Embedded Invariance(Journal of Fluid Mechanics, vol. 807, 2016) 등이 대표적 연구이다.

4. 전기 항공기

전기 추진 고정익 항공기의 연구와 개발이 활발하다. 주요 발전은 다음과 같다. 첫째, 소형 전기 여객기. 둘째, 하이브리드 전기 추진. 셋째, 분산전기추진(DEP). 넷째, 수소 연료전지 항공기. 다섯째, 배터리 기술 발전. 이러한 기술이 지속 가능한 항공의 미래를 열고 있다.

5. 분산전기추진

분산전기추진(Distributed Electric Propulsion, DEP)은 다수의 소형 전기 모터를 날개 전체에 분산 배치하는 구성이다. 주요 이점은 다음과 같다. 첫째, 공력-추진 통합 설계. 둘째, 저소음. 셋째, 중복성 향상. 넷째, 새로운 기체 형식 가능. 다섯째, 효율 향상. NASA의 X-57 Maxwell 등이 이 개념을 실증한다.

6. 블렌디드 윙 바디

블렌디드 윙 바디(BWB) 연구는 지속 성장하고 있다. 주요 발전은 다음과 같다. 첫째, 대형 BWB 여객기 설계. 둘째, 공력 효율 20 ~ 30% 개선. 셋째, 구조 설계 기술. 넷째, 인증 기준 개발. 다섯째, 실증 시제기. Liebeck의 Design of the Blended Wing Body Subsonic Transport(Journal of Aircraft, vol. 41, no. 1, 2004) 등이 이 분야를 주도하고 있다.

7. 모폴픽 항공기

모폴픽 항공기(morphing aircraft)는 비행 중 형상을 적응적으로 변화시키는 기체이다. 주요 연구는 다음과 같다. 첫째, 가변 날개 형상. 둘째, 스마트 재료 활용. 셋째, 적응형 익형. 넷째, 가변 스팬. 다섯째, 다목적 최적화. Barbarino 외의 A Review of Morphing Aircraft(Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 22, no. 9, 2011)가 이 분야를 체계적으로 정리하였다.

8. 자연 층류 기술

자연 층류(Natural Laminar Flow, NLF)와 층류 유지 제어(Laminar Flow Control, LFC)는 항력 감소를 위한 주요 기술이다. 최근 발전은 다음과 같다. 첫째, 초임계 NLF 익형. 둘째, 하이브리드 NLF/LFC. 셋째, 플라즈마 작동기. 넷째, 디지털 설계 도구. 다섯째, 시험 비행 검증. 이러한 기술이 연료 효율 향상에 기여하고 있다.

9. 도심항공교통

도심항공교통(UAM) 기체의 공력 연구가 활발하다. 주요 관심사는 다음과 같다. 첫째, eVTOL 기체 형식. 둘째, 천이 비행. 셋째, 저소음 설계. 넷째, 안전성. 다섯째, 도심 환경 대응. Moore의 Misconceptions of Electric Aircraft and Their Emerging Aviation Market(AIAA Paper 2014-0535, 2014)이 이 분야의 공학적 방향을 제시하였다.

10. 초음속과 극초음속 연구

초음속 상업 비행의 재도전이 이루어지고 있다. 주요 연구는 다음과 같다. 첫째, 저소음 음속 돌파. 둘째, NASA X-59 QueSST. 셋째, 극초음속 여객기 개념. 넷째, 스크램제트 기술. 다섯째, 고고도 극초음속 기체. 이러한 연구가 초음속 상업 운항의 가능성을 탐색한다.

11. 자율 비행과 인공지능

자율 비행과 AI의 결합이 고정익 연구의 새로운 축이다. 주요 발전은 다음과 같다. 첫째, 학습 기반 제어. 둘째, 자율 결정 시스템. 셋째, 공중 교통 자동화. 넷째, 무인 화물 운송. 다섯째, 조종사-AI 협력. 이러한 기술이 항공 운영을 변화시키고 있다.

12. 무인 항공기의 다양화

무인 항공기의 용도와 형식이 급속히 다양화되고 있다. 주요 분야는 다음과 같다.

이 표는 무인 항공기 응용 분야를 요약한 것이다.

13. 친환경 항공

친환경 항공 기술의 연구가 집중되고 있다. 주요 방향은 다음과 같다. 첫째, 수소 연료. 둘째, 지속가능 항공 연료(SAF). 셋째, 전기 추진. 넷째, 효율 향상 공력. 다섯째, 소음 저감. 국제 항공 산업은 2050년 탄소 중립 목표를 향해 나아가고 있다.

14. 공력-구조 통합

공력-구조 통합 설계는 더욱 발전하고 있다. 주요 발전은 다음과 같다. 첫째, 공력탄성 최적화. 둘째, 능동 공력탄성 제어. 셋째, 스마트 구조. 넷째, 복합재 공력 맞춤화. 다섯째, 3D 프린팅 구조. 이러한 통합이 더 효율적 기체를 실현한다.

15. 데이터 기반 설계

데이터 기반 설계 방법론이 확산되고 있다. 주요 접근은 다음과 같다. 첫째, 대규모 풍동 데이터베이스. 둘째, CFD 자료의 기계 학습. 셋째, 실비행 데이터 분석. 넷째, 디지털 트윈. 다섯째, 클라우드 기반 해석. 이러한 접근이 설계 과정을 혁신하고 있다.

16. 다학제 최적화

다학제 설계 최적화(MDO)는 고정익 연구의 중심이다. 주요 발전은 다음과 같다. 첫째, 대규모 MDO 프레임워크. 둘째, 가용 목적 자동 최적화. 셋째, 불확실성 정량화. 넷째, 다목적 최적화. 다섯째, 공력-구조-제어 통합. 이러한 발전이 최적 설계를 가능하게 한다.

17. 인증과 규제

새로운 기체 형식과 추진 시스템의 인증 기준 개발이 진행 중이다. 주요 영역은 다음과 같다. 첫째, eVTOL 인증. 둘째, 무인기 운용 규정. 셋째, 전기 항공기 안전 기준. 넷째, 도심 공역 관리. 다섯째, 환경 기준. 규제의 발전이 새로운 기술의 실용화를 지원한다.

18. 로봇공학적 의의

고정익 항공역학의 최신 연구 동향은 자율 비행 로봇의 다음 측면에 기여한다. 첫째, 새로운 기체 형식 개발. 둘째, 고효율 자율 비행 로봇. 셋째, 도심항공교통. 넷째, 학습 기반 공력. 다섯째, 친환경 자율 비행. 이러한 의의는 고정익 항공역학이 자율 비행 로봇 기술 발전의 기반임을 보여 준다.

19. 출처

• Moore, M. D. “Misconceptions of Electric Aircraft and Their Emerging Aviation Market.” AIAA SciTech Forum, AIAA Paper 2014-0535, 2014.
• Liebeck, R. H. “Design of the Blended Wing Body Subsonic Transport.” Journal of Aircraft, vol. 41, no. 1, 2004.
• Barbarino, S., Bilgen, O., Ajaj, R. M., Friswell, M. I., and Inman, D. J. “A Review of Morphing Aircraft.” Journal of Intelligent Material Systems and Structures, vol. 22, no. 9, 2011.
• Ling, J., Kurzawski, A., and Templeton, J. “Reynolds Averaged Turbulence Modelling Using Deep Neural Networks with Embedded Invariance.” Journal of Fluid Mechanics, vol. 807, 2016.
• Martins, J. R. R. A., and Lambe, A. B. “Multidisciplinary Design Optimization: A Survey of Architectures.” AIAA Journal, vol. 51, no. 9, 2013.

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