공압부양 고속 지상운송체의 공력해석 및 설계

Abstract

최근 새로운 개념의 운송체로써 자기부상열차(Magnetic Levitation Train; Maglev)와 공기부상 전동운행체(Aerolevitation Electric Vehicle; AEV)의 연구가 진 행 중이다. Maglev 와 AEV 같은 새로운 개념의 운송체는 지면과의 마찰 (mechanical friction)이 없어 추진효율이 매우 높다. 그러나, Maglev 는 고속운행 시 발생하는 조종 불안정성 등의 문제로 국내에서는 고속 운송체로써의 개발이 사실상 중단되었으며, AEV 는 큰 날개의 사용으로 인하여 운송체 무게가 증가하 고 날개와 날개 사이의 유동이 복잡해져 Maglev 에 비해 추진효율이 떨어진다. 본 논문에서는 Maglev 와 AEV 의 장점을 취하고 단점을 보완한 새로운 개념의 공압부양 고속 지상운송체(Air-Pressure-Levitated High-Speed Ground Vehicle)인 FAST(Future Air-Speed Transit)를 제안한다. FAST 는 공압부양(air-pressure-levitation) 장치인 리프팅 슈(lifting shoe)를 이용하여 부양하고 리니어 모터(linear motor)를 이용하여 추진하며 조종면(control surface)이 있는 탠덤날개(tandem wing)를 이용 하여 운송체의 자세를 제어한다. 본 논문에서는 비평면(nonflat) 지면 위를 이동하는 FAST 의 공력해석을 수 행할 수 있는 포텐셜 이론(potential theory)에 기초한 수치해석기법(boundaryelement method)을 개발하였다. 이동경로에 따른 비정상 후류(unsteady wake)를 모 사하기 위해 시간전진법(time-stepping method)과 자유후류 모델(free-wake model)을 이용하였고 조종면이 있는 3 차원 날개의 비선형 공력특성을 계산하기 위해 반 복적 캠버변형기법(iterative decambering approach)과 다차원 Newton 반복법(multidimensional Newton iteration)을 도입하였다. 지면효과를 받는 날개 및 동체의 정상/비정상 공력해석을 수행하였고 공력 특성을 알고 있는 에어포일을 이용하여 조종면이 있는 3 차원 날개의 비선형 공 력특성을 해석하였다. 또한 개념설계 및 기본설계된 FAST 의 공력설계 및 공력 해석을 수행하였다.v; In recent years, there have been many efforts to develop the new concept vehicles such as the Magnetic levitation train(Maglev) and the Aerolevitation Electric Vehicle(AEV). These new concept vehicles have high energy efficiency since the aerodynamic friction between the vehicle and the ground is far less than the mechanical friction. Future Air-Speed Transit(FAST) is proposed since the Maglev shows the unstable behavior at high-speed and the wings used for the levitation of AEV increases the vehicle weight and complicated flow between the wings decreases the energy efficiency compared to Maglev. FAST is levitated by the air-pressure lifting shoe and is driven by the linear motor. The stability of the vehicle is secured using tandem wings with control surfaces. A boundary-element method based on the potential theory is developed to predict the aerodynamic characteristics of FAST moving over the nonflat ground surfaces. The time-stepping method and the free-wake model are used to simulate the unsteady wake along arbitrary time-dependent paths. The iterative decambering approach and the multi-dimensional Newton iteration are used to calculate the nonlinear aerodynamic characteristics of three-dimensional wings with control surfaces. The steady/unsteady aerodynamic characteristics of arbitrary three-dimensional bodies in static/dynamic ground effect are calculated. The nonlinear aerodynamic characteristics of three-dimensional wings with control surfaces are calculated using the known nonlinear aerodynamic characteristics of two-dimensional airfoil sections. The aerodynamic design and analysis of FAST in static/dynamic ground effect are performed using the boundary-element method after the conceptual and preliminary design.