Design of Low-Reynolds-Number Propellers for a Stratospheric HALE UAV

성층권은 기상 변동성이 적고 안정적인 대기를 제공하나, 낮은 공기 밀도로 인해 프로펠러의 추진 효율이 지상보다 낮아지는 문제가 발생한다. 제한된 전력으로 운용되는 성층권 태양광 무인항공기의 프로펠러 효율은 임무 지속시간과 직결되는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 KARI(한국항공우주연구원)에서 개발 중인 성층권 태양광 무인항공기의 추진 효율 향상을 목표로, 저 레이놀즈수 효과를 고려한 프로펠러 설계 기법을 제시하고, 설계된 프로펠러의 성능을 분석하였다. 야간 순항 고도 이상에서 우수한 공력 특성을 갖도록, XFOIL 프로그램을 활용하여 프로펠러 단면 익형을 설계하였다. 설계된 익형의 XFOIL 공력해석 결과를 보간한 공력 모델링을 Adkins가 제안한 최소 유도 손실 프로펠러 설계 기법과 결합하여 프로펠러 형상을 설계하였다. 설계된 형상에 대해 깃 요소 운동량 이론(BEMT) 해석을 수행하여 12km 이상 21km 고도까지 순항 조건에서 모두 80% 이상의 추진 효율을 달성하였다. 또한, 추진시스템의 고고도 운용 효율 향상을 위해, 설계 전진비를 변경하여 총 6종의 프로펠러를 설계 및 분석하였다. 전진비에 상응하는 단면 익형의 레이놀즈수가 성층권 프로펠러 성능에 있어 핵심적인 설계 변수임을 정량적으로 확인하였다. 본 연구의 결과는 한국항공우주연구원에 제공되어, EAV-4 무인기의 추진시스템 성능 제고에 기여할 것으로 기대한다.