Tiltrotor has been demonstrated as a strong alternative for future high speed VTOL aircraft in military and civil applications, through the successful development and operation of V-22 and BA609 tiltrotor aircraft. The usefulness of the tiltrotor is currently being expanded to the area of unmanned aerial vehicle (UAV) due to its operational capability in mountainous areas and shipboard operations, and its superior performance in maximum speed and altitude compared to helicopters. Many studies to improve tiltrotor performance have been conducted for many years, using several techniques such as elastic-tailoring of composite material, active control of the blade twist distribution using shape memory alloy, concept of variable diameter tiltrotor. The nacelle-fixed auxiliary wings (NFAW) concept of the present study was derived from the necessity to improve the endurance performance in the airplane mode of the KARI Smart Unmanned Aerial Vehicle (SUAV) tiltrotor. In this concept, auxiliary wings are attached to the left and right rotor gear boxes so that they rotate with nacelles during conversion mode flight. The basic idea of NFAW concept is to use beneficial effects on endurance and range performance due to the increased wing length, instead of increasing main wing length which has several constraints due to increased wing bending moment and wing deflection in helicopter mode flight. In this research, a detailed performance comparison for airplane-mode flight was conducted in order to investigate the effects of NFAW on required power, lift-to-drag ratio of wing-body, endurance and range parameters. The results showed that there is potential to significantly increase the lift-to-drag ratio of the wing-body with a minor increase of gross weight. Parametric study of auxiliary wing shape has shown that additional performance enhancement could be possible through the optimal shape design of the auxiliary wing. Additional study was performed to investigate the effects on hover and conversion flight performance, and main wing load increase due to the NFAW attachment. The effects of NFAW on the whirl flutter stability were also investigated. The data of wing, rotor and nacelle of XV-15 tiltrotor and SUAV were used as baselines for the current study. Form the whirl flutter analysis results for baseline and NFAW model, it was observed that auxiliary wing has significant effect on increasing of wing beam mode damping, and whirl flutter stability as a result. The effects of span length, mass and moment of inertia of the NFAW on the wing damping were also investigated. Based on the SUAV design data, the influence of main design parameters of the rotor, wing and nacelle on whirl flutter stability was investigated. From the results of the current study, it is concluded that NFAW can be an effective means for enhancement of airplane-mode performance and whirl flutter stability of tiltrotor.
틸트로터는 V-22 및 BA609 틸트로터 항공기의 성공적인 개발 및 운용을 통하여, 군용뿐만 아니라 민수용 고속 수직이착륙 항공기로서 큰 경쟁력을 가지는 항공기 형태임이 검증되었다. 산악 및 함상운용 능력과 헬리콥터에 비하여 우수한 최대 비행속도 및 고고도 성능으로 틸트로터 항공기의 효용성은 무인기 분야로 확장되고 있는 추세다. 그 동안 복합재료의 탄성 테일러링을 이용한 블레이드 비틀림각의 수동제어 기법, 형상기업합금을 이용한 블레이드 비틀림분포의 능동제어 기법, 가변직경 틸트로터 개념 등을 이용하여 틸트로터의 성능향상을 위한 많은 연구가 수행되어 왔다. 본 연구의 나셀고정 보조날개 개념은 스마트무인기를 대상으로 고정익모드 체공시간 성능향상을 위한 목적으로 고안되었으며, 보조날개가 좌/우 기어박스에 부착되어 천이비행 동안 나셀과 같이 회전하게 된다. 나셀고정 보조날개의 기본 원리는, 여러 가지 제약조건을 가지는 주날개의 길이 연장 대신 나셀 바깥쪽에 보조날개를 부착하여 유효 날개길이를 늘리고 이를 통해 증가되는 비행체 양항비 효과를 이용하여 체공시간 및 항속거리 향상을 가져오는 것이다. 본 연구에서는 보조날개가 비행요구마력, 비행체 양항비, 체공시간 및 항속거리 성능인자에 미치는 영향에 대하여 상세한 비교분석을 수행하였다. 보조날개 장착으로 인한 중량 증가치는 비행체 총 중량의 1.2% 정도로 매우 낮은 수준인 반면 비행체의 양항비 특성이 대폭 향상되는 결과를 보여주었으며, 보조날개 형상에 대한 최적설계를 통해 추가적인 성능 향상이 가능함을 확인하였다. 보조날개 부착에 따라 제자리비행 및 천이비행 성능에 미치는 영향과, 보조날개에 작용하는 공력하중에 의한 주날개 하중 증가 영향을 추가로 분석하였다. 보조날개가 훨플러터 안정성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 XV-15 및 스마트무인기의 기본모델과 보조날개 장착모델의 감쇠비를 비교하였으며, 보조날개는 날개 수직 굽힘모드 감쇠비를 크게 증가시켜 훨플러터 발생속도를 늦추는 효과를 가져왔다. 보조날개의 길이, 질량 및 관성이 주날개 감쇠에 미치는 영향을 분석하였으며, 추가로 스마트무인기 기본모델의 로터, 날개, 나셀의 주요 설계변수가 훨플러터 안정성에 미치는 영향성 분석을 수행하였다. 본 연구를 통해 나셀고정 보조날개는 틸트로터의 고정익모드 성능과 훨플러터 안정성을 향상시킬 수 있는 매우 효과적인 수단임을 확인하였다.
