무인 함정과의 감시정찰 작전 수행을 위한 전기 추진 수직이착륙기 개념설계

학위논문(석사) -- 서울대학교대학원 : 공과대학 항공우주공학과, 2024. 2. 이관중.본 연구는 2022년 7월 하와이 해상에서 실시된 다국적 연합훈련인 환태평양 훈련(Rim of the Pacific Exercise, RIMPAC)에서 미 해군 유령함대(Ghost fleet) 소속 무인수상함의 최초 등장을 모티브로 하여, 최근 모빌리티 시장에서 연구개발 붐을 일으키고 있는 전기 추진 수직이착륙기를 해상환경과 현 기술 수준을 고려한 개념설계를 수행하였다. 지금까지 연구되어 온 미 해군의 무인수상함에 대한 발전배경과 전략적 운용방향에 대한 고찰 연구들을 바탕으로, 해양 무인전력으로서 가장 우선적으로 수행하게 될 임무로 접적지역 감시정찰 임무를 설정하여 운용개념 및 임무형상을 정립하고, 해상 및 함상에서 운용되는 환경을 고려하여 멀티콥터 형상과 헬리콥터 형상 두 가지로 개념설계를 수행하였다. 또한 설계결과를 이용하여 현대전에서 감시정찰 전력의 생존성에 가장 중요한 요소인 RCS 스텔스 성능을 Physical Optic method를 이용하여 평가하고, 항공기 생산비용 및 운용비용을비용추정 모델을 이용하여 생애주기 비용을 확인하였다. 개념설계 과정에서는 서울대학교에서 개발한 회적익 항공기 개념설계 프로그램인 RISPECT+를 사용하였으며, 설계결과 공력 비행성능을 고려한 에너지 효율면에서 헬리콥터 형상의 기체가 더욱 효율적인 것으로 확인되었다. 또한 해상 무인환경에서 무인수상함과의 협동작전을 고려하여 무인수상함의 비행갑판 상 배터리 재충전 방식을 유선충전과 무선충전으로 나누어 가정하고, 충전효율은 현재 상용화된 기술수준을 고려하여 적용하였다. 배터리 충전상태인 SoC의 분석을 통해 두 기체 모두 현재 기술수준의 배터리 충·방전을 고려하여 운용 시 이종 간의 해양 무인체계를 통해 해상 감시능력을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 스텔스 성능 평가 과정에서는 RCS 예측을 위해 미 해군대학원에서 개발한 POFACETS 프로그램을 사용하였으며, 평가결과 테일로터 및 테일붐으로 인해 동체 크기가 상대적으로 큰 헬리콥터 형상에서 더 큰 값이 확인되었다. 이를 통해 레이더 탐색이 많은 접적지역에서의 생존성 측면에서는 멀티콥터 형상이 다소 유리한 것을 확인하였다. 비용 추정 과정에서는 NASA의 NDARC에 적용된 Scott 모델을 이용하였으며, Scott 모델은 미 군용 항공기 생산과정의 자료를 근거로 만들어진 모델로, 상용 항공기 비용 모델과 비교 시 비용을 높게 추정하는 경향이 있으나 탑재장비 등의 추가사항을 고려 시 군용항공기 비용을 예측하는데 적합한 것으로 판단하였다. 비용 추정 결과 생산비용에서는 헬리콥터 형상이 멀티콥터 형상에 비해 더 낮은 생산비용을 나타내었으며, 멀티콥터의 다량의 추진기와 이를 지탱하는 구조적인 요인으로 더 높은 비용이 예측되었다. 이러한 연구결과들을 바탕으로 대형 무인수상함 개발 시 이종 플랫폼 간의 협동운용개념과 핵심 성능요소가 초기설계 단계부터 고려되어야 할 필요성을 확인하였으며, 특히 본 연구에서는 그동안 무인전력의 발전방향 및 전략에 집중되었던 유령함대 등의 해양 무인체계 관련 연구를 더 구체적으로 접근하기 위해 물리 기반의 성능해석 및 개념설계를 수행하고 감시정찰 임무에서의 작전효용성을 확인한데 의의가 있다고 할 수 있다. 그러나 설계된 비행체에 대하여 생존성에 관련된 또 하나의 중요 요소인 Noise 스텔스에 관한 성능 평가가 필요하며, 이에 따라 후속 연구로 설계결과를 비행체 운동 시뮬레이션을 통해 환경조건 극복능력의 검증이 필요하다. 이를 통해 해상 환경 조건에 최적화된 전기 추진 수직이착륙기의 다양한 임무 수행을 위한 성능을 확인하고, 미래에 배터리를 비롯한 제반 기술의 발전에 따라 해양 무인체계 능력 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대한다.The emergence of the U.S. Navy's Ghost Fleet and the increasing interest in unmanned systems in the world's navies have led to a surge in attention towards unmanned warfare capabilities. Additionally, in the mobility market, advancement in battery-related technologies have paved the way for the development of electric Vertical Take-off and Landing (eVTOL) aircraft. This study was motivated by the inaugural appearance of unmanned surface vessels belonging to the U.S. Navy's Ghost Fleet during the Rim of the Pacific Exercise (RIMPAC), a multinational joint training conducted in the Hawaiian waters in July 2022. Taking inspiration from the recent boom in research and development in the electric vertical takeoff and landing (eVTOL) market, the study performed conceptual design considering the maritime environment and current technological capabilities. Drawing on the background of the evolution and strategic operational directions of unmanned surface vessels in the U.S. Navy, as well as previous research, this study established a conceptual framework for the design and operational concept by prioritizing the surveillance and reconnaissance mission in enemy-adjacent regions. Two conceptual designs, one based on a multi-copter configuration and the other on a helicopter configuration, were developed, taking into account the operational environment at sea and on board ships. Furthermore, using the design results, the study evaluated the radar cross-section (RCS) stealth performance, a critical factor for the survivability of surveillance and reconnaissance capabilities in modern warfare, utilizing the Physical Optic method. The study also verified the life cycle cost by estimating aircraft production and operational costs through a cost estimation model. During the conceptual design process, the RISPECT+ aircraft conceptual design program developed by Seoul National University was utilized. The design results indicated that, in terms of energy efficiency considering the aerodynamic performance during powered flight, the helicopter configuration was found to be more efficient. Additionally, taking into account cooperative operations with unmanned surface vessels in a maritime unmanned environment, the study considered two battery recharging methods for the unmanned surface vessel's flight deck: wired charging and wireless charging. Charging efficiency was applied based on the current commercially available technology level. Through the analysis of the State of Charge (SoC) of the batteries, it was confirmed that both configurations, considering the current state of battery charging and discharging technology, could enhance maritime surveillance capabilities through the operation of heterogeneous unmanned systems at sea. During the stealth performance evaluation process, the POFACETS program developed by the U.S. Naval Postgraduate School was utilized for Radar Cross Section (RCS) prediction. The evaluation results revealed larger values for the helicopter configuration, characterized by relatively larger body size due to the tail rotor and tail boom. This observation suggests that, from a survivability perspective in areas with frequent radar surveillance, the multi-copter configuration is somewhat advantageous. In the cost estimation process, the Scott model applied to NASA's NDARC was utilized. The Scott model is based on data from the production process of U.S. military aircraft. While it tends to estimate costs higher when compared to commercial aircraft cost models, it was deemed suitable for predicting military aircraft costs, especially when considering additional factors such as mission equipment. The cost estimation results indicated that, in terms of production costs, the helicopter configuration showed lower production costs compared to the multi-copter configuration. The higher cost for the multicopter configuration was attributed to the numerous propulsion systems and the structural factors supporting them. Based on these research findings, it was confirmed that the collaborative operational concept and key performance factors between heterogeneous platforms should be considered from the early design stages in the development of large unmanned surface vessels. In particular, this study is significant for approaching maritime unmanned systems, such as the Ghost Fleet, which has been the focus of research on the direction and strategy of unmanned power, in a more concrete manner through physics-based performance analysis and conceptual design. The study verified the operational effectiveness in surveillance and reconnaissance missions. However, an evaluation of the performance related to another critical factor for survivability, Noise Stealth, is necessary for the designed aircraft. Subsequent research should focus on validating the ability to overcome environmental conditions through simulations of aircraft movement, considering the importance of Noise Stealth. Through this, the performance of electric vertical takeoff and landing aircraft optimized for maritime conditions can be confirmed, contributing to the development of capabilities in maritime unmanned systems. It is also anticipated that future advancements in technology, including batteries, will further contribute to the enhancement of maritime unmanned system capabilities.Abstract i Chapter 1. Introduction 1 1.1. Study background 1 1.2. Purpose of research . 6 Chapter 2. Conceptual Design . 9 2.1. Conceptual design tool for an eVTOL 9 2.2. Concept of operations 13 2.3. Mission profile 16 2.4. Design Requirement 19 2.5. Reference aircrafts . 23 2.6. Design optimizing problem definition 27 2.7. Design results 29 Chapter 3. Stealth Perfomance Evaluation 36 3.1. RCS prediction tool . 38 3.2. Prediction results 41 Chapter 4. Cost Estimation 44 4.1. Cost estimation tool for an eVTOL 44 4.2. Estimation results 48 4.2.1. Flyaway cost . 48 4.2.2. Operating cost 51 Chapter 5. Conclusion 53 Bibliography 56 Abstract in Korean 59석