Joined wing configuration has been attained the spotlight for the future aircraft, the high altitude long endur-ance unmanned aerial vehicle (HALE UAV), et cetera. This is because numerous researches have suggested that the joined wing configuration contains positive characteristics on aerodynamics, structures, and stability. Most of these researches have focused on analyzing given joined wing configuration’s performances in each field of study.
In this paper, we have focused on designing the optimum joined wing configuration. Since the joined wing configuration is the concept based on the prodigious ability on structure performance, we have focused on the aerodynamics and stability when designing the joined wing configuration. The purpose of this research is to cal-culate and produce the optimum joined wing configuration based on the multi-objective optimization method.
Through this research, we have developed, implemented, and validated the ‘aero-stability optimization framework’. This framework includes aerodynamics, stability, and mathematical optimization method. For the aerodynamics, the vortex lattice method, which calculates aerodynamic performances within short time, was used, because the optimization framework requires numerous calculations. For the stability, the flying quality evaluation is applied in order to measure the dynamic stability and express the measurement in numerical value. For the optimization method, multi-objective genetic algorithms are utilized since the purpose of the framework is to find the optimum joined wing configuration in terms of aerodynamics and stability.
With the aero-stability optimization framework, the optimum joined wing configuration is produced. To check the increment of the multidisciplinary performances of the optimum joined wing, we set baseline joined wing configuration which was designed by traditional way of constructing aircraft, the trial and error technique. This baseline joined wing configuration was designed, simulated, and test-flied, which indicates, represents and guar-antees successful operation.
By comparing the multidisciplinary performances of the baseline and the optimum joined wing configuration, the aero-stability optimization framework developed through this research is validated as producing better per-formed joined wing configuration.
조인드윙은 주 날개와 꼬리 날개가 서로 연결되어 다이아몬드 모양을 띠는 형상의 항공기를 일컫는다. 이 항공기는 복엽기의 특징 중 높은 구조 성능은 유지하고, 낮은 공력 성능은 극대화시켜 보다 효율적인 항공기를 설계하고자 하는 목적을 가지고 있다. 기존 많은 연구자들이 조인드윙 형상의 공력, 구조, 안정성 평가와 같은 해석 위주의 연구를 진행해왔다. 그 결과, 적절하게 설계된 조인드윙 형상은 공력, 구조, 안정성을 포함한 모든 면에서 탁월한 성능을 낼 수 있는 잠재적 요소가 다분하다는 성과 발표가 이어졌을 뿐만 아니라, 보잉 및 나사에서는 조인드윙 형상을 기반으로 차세대 항공기를 설계 할 것이라는 이야기가 나올 정도로, 조인드윙은 각광받고 있다. 하지만, 높은 공력 성능을 가진 조인드윙 형상은 안정성 면에서는 상대적으로 그 성능이 낮을 수 있으며, 반대로 높은 안정성 성능을 가진 조인드윙 형상은 공력 성능이 낮을 수 있다. 즉, 보다 효율적인 조인드윙 형상의 설계를 위해 다분야 최적설계가 필요하다는 의견이다. 그리하여, 본 연구에서는 어느 정도의 구조 성능을 확보한 조인드윙 형상에 대해 공력 및 안정성을 동시에 고려한 다분야 최적 설계를 수행하여 최적 형상을 제시하고, 그 형상에 대해 공력, 구조, 및 안정성 해석을 수행하여 그 성능을 비교 분석하는 것에 목적을 둔다. 이를 이루기 위해, 항공기 형상을 입력 값으로 하여 짧은 시간 안에 공력 성능을 계산하는 공력 성능 알고리즘, 이 공력 성능을 입력 값으로 하여 항공기의 안정성 성능을 측정하는 안정성 성능 알고리즘, 그리고 다목적 최적 설계 방법론을 기반으로 하나의 큰 공력-안정성 최적화 프레임워크 (aero-stability optimization framework)로 통합하였다. 공력 성능 알고리즘으로는 비교적 짧은 시간에 정확한 공력 해석을 수행하는 vortex lattice meth-od를 기반으로 하고, 안정성 성능 알고리즘으로는 정적 및 동적 안정성 해석을 수행함으로 항공기의 안정성을 나타내는 flying quality evaluation을 기반으로 하며, 마지막으로 다목적 유전자 알고리즘을 이용하여, 공력 및 안정성 성능 알고리즘을 목적 함수로 설정함으로 하나의 프레임워크로 통합하였다. 프레임워크를 이용하여 공력 및 안정성에 대해 최적화된 조인드윙 UAV를 설계하였고, 그 성능을 비교하고자 전통적인 항공기 설계 방식인 시행착오법 (trial and error method)을 기반으로 하여 설계한 베이스라인(baseline) 조인드윙 UAV를 설계하였다. 베이스라인 조인드윙은 시험비행에도 통과한 형상으로, 공력, 구조, 및 안정성 면에서 그 성능이 이미 입증된 형상이다. 하지만, 앞서 개발한 프레임워크를 이용하여 설계한 최적화된 조인드윙 UAV와 베이스라인 조인드윙 UAV의 다분야 성능을 비교해본 결과, 공력, 구조 및 안정성 모든 면에서 보다 좋은 성능을 내는 것을 확인하였다.
