도심항공모빌리티 비행체 PAV 탑승자 실내행위에 영향을 미치는 제약 요소 도출 및 인체 영향 수준에 따른 설계 기준

진석준,오영훈,주다영 한국감성과학회 2022 감성과학 Vol.25 No.-

최근 도심항공모빌리티(UAM) 상용화에 앞서 도심 내 항공 교통수단 관련 산업에 대한 연구개발 중요성이 급격히 증가하고 있다. 도심항공모빌리티(UAM) 환경을 조성하기 위해서 핵심 항공 이동 수단 비행체인 개인용 항공기 (PAV) 기체에 관한 연구가 수행되고 있으나, 탑승자 관점의 연구가 상대적으로 부족한 상황이다. 특히 PAV는 탑승 자의 새로운 생활공간으로 활용될 것으로 예상되기 때문에 탑승자의 실내행위를 지원하는 실내공간 설계를 위해서 는 PAV 기체에서 발생하는 물리적 요소가 인체에 미치는 영향에 관한 연구가 필수적으로 이루어져야 한다. 이에 본 연구의 목적은 PAV의 공중 운항 특성으로 인해 인체에 영향을 주는 제약 요소를 도출하고, 이러한 제약 요소가 실내행위를 수행하는 탑승자 인체에 미치는 영향을 파악하는 것이다. 본 연구 결과, 항공 이동 수단 비행 기체 PAV 는 4,000ft 이하에서 운항해야 하는 기준에 따라, 운항고도에 따른 제약 요소는 소음, 진동, 저주파 운동에 의한 멀미 로 나타났다. 이러한 제약 요소가 실내행위에 영향을 미친다는 관점에서 PAV에서 행할 수 있는 실내행위를 자율주 행 자동차, 비행기, PAV 컨셉 사례를 활용하여 도출하고 인체에 미치는 영향과 수준을 고려하여 실내행위 지원을 위한 제약 요소 권장기준을 설정하였다. 또한 실내행위 지원을 위한 제약 요소의 인체 영향 수준을 감소시키기 위해 서는 시트의 형태 및 내장기능(진동 저감 기능, 온도조절, LED조명 등), 개인 좌석별 지향성 스피커를 활용한 외부소 음 감소, 소음과 진동 감소를 위한 내장재 등을 실내공간 설계에 반영해야 함을 제시하였다. 본 연구는 PAV 실내행 위에 영향을 주는 제약 요소를 도출하였고, 인체에 미치는 영향 수준을 확인하였으며, 추후 PAV 실내 설계 시 기초 자료로써 활용할 수 있다는 점에서 의미가 있다. Recently, prior to the commercialization of urban air mobility (UAM), the importance of R&D for air transportation-related industries in urban areas has significantly increased. To create a UAM environment, research is being conducted on personal air vehicles (PAVs). They are key means of air transportation, but research on the physical factors influencing their passengers is relatively insufficient. In particular, because the PAV is expected to be used as a living space for the passengers, research on the effects of the physical elements generated in the PAV on the human body is essential to design an interior space that supports the in-vehicle activities of the passengers. Therefore, the purpose of this study is to derive the constraint factors that affect the human body due to the air navigation characteristics of the PAV and to understand the impact of these constraint factors on the bodies of the passengers performing in-vehicle activities. The results of this study indicate that when the PAV was operated at less than 4,000 ft, which is the operating standard, the constraint factors were noise, vibration, and motion sickness caused by low-frequency motion. These constraint factors affect in-vehicle activity; thus, the in-vehicle activities that can be performed in a PAV were derived using autonomous cars, airplanes, and PAV concept cases. Furthermore, considering the impact of the constraint factors and their levels on the human body, recommended constraint factor criteria to support in-vehicle activities were established. To reduce the level of impact of the constraint factors on the human body and to support in-vehicle activity, the seat's shape and built-in functions of the seat (vibration reduction function, temperature control, LED lighting, etc.) and external noise reduction using a directional speaker for each individual seat were recommended. Moreover, it was suggested that interior materials for noise and vibration reduction should be used in the design of the interior space. The contributions of this study are the determination of the constraint factors affecting the in-vehicle PAV activity and the confirmation of the level of impact of the factors on the human body; in the future, these findings can be used as basic data for suitable PAV interior design.

AHP를 이용한 PAV 설계·제조 기술요소 선정 및 평가 : 국내 항공기제조기업 사례

정성훈,윤한성 경성대학교 산업개발연구소 2020 산업혁신연구 Vol.36 No.1

“personal aerial vehicle”, “personal air vehicle” 등으로 표현되는 PAV는 항공기제조 선진국 을 중심으로 PAV의 개발과 실용화를 위한 기술진척에 속도를 내고 있으며, 국내 항공기제조기 업인 k사에서도 PAV의 설계·제조 기술개발을 진행하고 있다. 항공기제조기업인 k사의 관점에 서 PAV개발을 위한 기술요소의 체계적인 식별 및 식별된 기술요소별 중요도를 AHP(analytic hierarchy process)를 통해 분석하였다. 발견점으로 최근의 개인용 수송수단의 자율운행에 대한 관심과 함께 자율비행에 관한 기술요소들이 전반적으로 높게 평가되었다. 그리고 수송수단의 성 능을 충족하기 위한 전기 배터리 경량화 기술이 필수적이라는 견해가 확인되었다. 소음문제 등 의 해결과 관계되는 분산 전기추진 기술도 비교적 높게 평가되고 있다. 기존의 항공기 설계·제 조의 경험을 통해 비교적 확보가 용이한 기술들은 비교적 낮게 평가되었다. 항공기제조분야의 기업에서는 PAV의 설계·제조에 필요한 기술요소의 체계적인 식별 및 상대적인 중요도를 참고 하여, 기술요소별로 자체개발, 공동개발, 외주개발 등 다양한 확보방안을 포함하는 제조전략의 수립에도 활용할 수 있을 것이다. 본고의 분석 및 평가결과는 최근 관심이 커지는 국내 PAV분 야에서 개발에 필요한 기술요소를 정리하였다는데 의의가 있으며, 관련 산업분야에서 필요한 의 사결정에 참고가 될 것으로 판단된다. In the area of PAV(expressed as “personal aerial vehicle” and “personal air vehicle”), the technological progress has been speeded up for the development and commercialization, mainly in advanced countries of aircraft manufacturing. From a Korean aircraft manufacturing company’s point of view, the systematic identification of technology elements for PAV development and the importance of each identified technology element were analyzed through AHP (analytic hierarchy process). As a result, the technological elements of autopilot (autonomous flight), along with the recent interest in autonomous operation of personal vehicles, were generally appreciated. And it was confirmed that the electric battery lightening technology is essential to meet the performance of the PAV. Distributed electric propulsion technologies related to the solution of noise problems are also highly valued. Based on previous aircraft design and manufacturing experience, technologies easy to obtain are rated relatively low. The analysis and evaluation results of this paper are intended to summarize the technological elements necessary for development in the domestic PAV field, which is of increasing interest in recent years.

도심항공모빌리티 비행체 PAV 탑승자 실내행위에 영향을 미치는 제약 요소 도출 및 인체 영향 수준에 따른 설계 기준

진석준,오영훈,주다영 한국감성과학회 2022 감성과학 Vol.25 No.1

Recently, prior to the commercialization of urban air mobility (UAM), the importance of R&D for air transportation-related industries in urban areas has significantly increased. To create a UAM environment, research is being conducted on personal air vehicles (PAVs). They are key means of air transportation, but research on the physical factors influencing their passengers is relatively insufficient. In particular, because the PAV is expected to be used as a living space for the passengers, research on the effects of the physical elements generated in the PAV on the human body is essential to design an interior space that supports the in-vehicle activities of the passengers. Therefore, the purpose of this study is to derive the constraint factors that affect the human body due to the air navigation characteristics of the PAV and to understand the impact of these constraint factors on the bodies of the passengers performing in-vehicle activities. The results of this study indicate that when the PAV was operated at less than 4,000 ft, which is the operating standard, the constraint factors were noise, vibration, and motion sickness caused by low-frequency motion. These constraint factors affect in-vehicle activity; thus, the in-vehicle activities that can be performed in a PAV were derived using autonomous cars, airplanes, and PAV concept cases. Furthermore, considering the impact of the constraint factors and their levels on the human body, recommended constraint factor criteria to support in-vehicle activities were established. To reduce the level of impact of the constraint factors on the human body and to support in-vehicle activity, the seat's shape and built-in functions of the seat (vibration reduction function, temperature control, LED lighting, etc.) and external noise reduction using a directional speaker for each individual seat were recommended. Moreover, it was suggested that interior materials for noise and vibration reduction should be used in the design of the interior space. The contributions of this study are the determination of the constraint factors affecting the in-vehicle PAV activity and the confirmation of the level of impact of the factors on the human body; in the future, these findings can be used as basic data for suitable PAV interior design. 최근 도심항공모빌리티(UAM) 상용화에 앞서 도심 내 항공 교통수단 관련 산업에 대한 연구개발 중요성이 급격히 증가하고 있다. 도심항공모빌리티(UAM) 환경을 조성하기 위해서 핵심 항공 이동 수단 비행체인 개인용 항공기 (PAV) 기체에 관한 연구가 수행되고 있으나, 탑승자 관점의 연구가 상대적으로 부족한 상황이다. 특히 PAV는 탑승 자의 새로운 생활공간으로 활용될 것으로 예상되기 때문에 탑승자의 실내행위를 지원하는 실내공간 설계를 위해서 는 PAV 기체에서 발생하는 물리적 요소가 인체에 미치는 영향에 관한 연구가 필수적으로 이루어져야 한다. 이에 본 연구의 목적은 PAV의 공중 운항 특성으로 인해 인체에 영향을 주는 제약 요소를 도출하고, 이러한 제약 요소가 실내행위를 수행하는 탑승자 인체에 미치는 영향을 파악하는 것이다. 본 연구 결과, 항공 이동 수단 비행 기체 PAV 는 4,000ft 이하에서 운항해야 하는 기준에 따라, 운항고도에 따른 제약 요소는 소음, 진동, 저주파 운동에 의한 멀미 로 나타났다. 이러한 제약 요소가 실내행위에 영향을 미친다는 관점에서 PAV에서 행할 수 있는 실내행위를 자율주 행 자동차, 비행기, PAV 컨셉 사례를 활용하여 도출하고 인체에 미치는 영향과 수준을 고려하여 실내행위 지원을 위한 제약 요소 권장기준을 설정하였다. 또한 실내행위 지원을 위한 제약 요소의 인체 영향 수준을 감소시키기 위해 서는 시트의 형태 및 내장기능(진동 저감 기능, 온도조절, LED조명 등), 개인 좌석별 지향성 스피커를 활용한 외부소 음 감소, 소음과 진동 감소를 위한 내장재 등을 실내공간 설계에 반영해야 함을 제시하였다. 본 연구는 PAV 실내행 위에 영향을 주는 제약 요소를 도출하였고, 인체에 미치는 영향 수준을 확인하였으며, 추후 PAV 실내 설계 시 기초 자료로써 활용할 수 있다는 점에서 의미가 있다.

AEDT(Aviation Environmental Design Tool)를 이용한 전기추진 수직이착륙형 PAV 운영을 위한 소음 분석

윤주열,이봉술,황호연 한국항행학회 2019 韓國航行學會論文誌 Vol.23 No.4

본 논문에서는 우리나라에서 가장 교통이 혼잡한 수도권에서의 출퇴근 시나리오를 선정하고, 미국연방항공국에서 개발한 AEDT (aviation environmental design tool) 소트프웨어를 사용하여 PAV (personal air vehicle) 운용 시 발생하는 소음 분석을 수행하였다. 미항공우주국에서 선보인 ODM (on-demand mobility) 개념에서 PAV를 운용하기 위한 안전성 다음으로 소음이 중요한 고려요소이다. PAV의 정확한 NPD (noise power distance) 데이터가 공개되어 있지 않는 문제를 해결하고자 eVTOL (electric vertical take off and landing) PAV와 같은 저소음 PAV를 민간용 헬리콥터로 모델링하여 소음 분석을 수행하고, 해당지역의 주거 적합성을 예측하였다. 전기추진과 같은 소음 감소 기술의 적용은 소음 노출 레벨을 큰 폭으로 감소시켰고, 수도권 내에서 소음문제 없이 PAV를 이용한 출퇴근이 실현 가능하다는 결론에 도달하였다. In this paper, we selected commuting scenarios in the most congested metropolitan area in Korea, and conducted noise analysis during personal air vehicle (PAV) operation using aviation environmental design tool (AEDT) software which was developed by Federal Aviation Administration (FAA). Noise is the second important factor after safety in order to operate PAVs through concepts such as ODM (on-demand mobility) introduced by National Aeronautics and Space Administration (NASA). Noise analysis were performed by modeling low-noise ePAVs as commercial helicopters and predicted residential suitability in order to resolve problems in which accurate NPD (noise power distance) data from PAVs were not released. The application of noise reduction technology such as electric propulsion has significantly reduced noise exposure levels and has reached the conclusion that commuting with PAVs is feasible without noise problems in the metropolitan area.

eVTOL PAV 유형별 항속거리 및 항속시간 분석

이봉술,윤주열,황호연 한국항행학회 2020 韓國航行學會論文誌 Vol.24 No.2

To overcome ground congestions due to growing number of cars, a lot of companies have proposed personal aerial vehicle (PAV). Among PAV, electric vertical take-off and landing (eVTOL) aircrafts capable of vertical take-off and landing with electric power are drawing attention, and their configurations vary from multicopters to tilt ducted fans. This study tries to analyze the characteristics of each eVTOL design configurations. Parasite drag was calculated using component build up method for Vahana, Aurora, Volocopter representing each eVTOL PAV type of tilt-wing, compound, and multicopter. Wetted area and induced drag was calculated using OpenVSP and XFLR5 that are aircraft design and aerodynamic analysis software. The batteries used in the eVTOL PAV was assumed as Tesla 2170 batteries and flight ranges were calculated. Also, energy consumption and maximum flight time for the given mission profile including take-off and landing, cruising segments were compared for each eVTOL. 자동차 대수의 증가로 인한 지상 교통의 혼잡을 극복하기 위해 많은 회사들이 새로운 방식의 운송 수단인 미래형 개인항공기(PAV)를 제안하였다. 미래형 개인항공기 중에서도 전기를 동력으로 사용하고 수직 이착륙이 가능한 전기수직이착륙(eVTOL)항공기가 주목을 받고 있으며 그러한 항공기들의 형상은 멀티콥터형에서 틸트 덕티드팬까지 다양하다. 본 연구에서는 eVTOL 유형별 장단점 등 특성을 분석하였다. 틸트날개형, 복합형, 멀티콥터형의 대표적인 eVTOL PAV인 바하나, 오로라, 볼로콥터에 대해 구성성분 합계 방식을 사용하여 유해항력을 구하였으며, 항공기 설계 및 공력 해석 프로그램인 OpenVSP와 XFLR5 프로그램을 사용하여 표면적과 유도항력을 구하였다. eVTOL PAV에 사용되는 배터리는 테슬라 2170 배터리로 가정하고 항속거리를 계산하였다. 또한 각 eVTOL에 대해 이착륙 및 순항을 포함한 임무형상별로 에너지소모 및 최대 비행시간을 계산하여 비교하였다.

〈기술논문〉 PAV(Personal Air Vehicle) 개발에 필요한 주요 성능 지표들

정진덕(Chung Jindeog),강왕구(Kang Wanggu) 대한기계학회 2010 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2010 No.5

To resolve the current ground traffics congestion PAV(Personal Air Vehicle) is suggested one of the means of future transportation. Various configuration and concept of PAV's are being introduced and couple of PAV's are under flight test. The configuration and aerodynamic characterisitcs, type of propulsion system, structure, control, system requirements of the suggested PAVs are summarized in this paper. And key performance parameters for PAV development considering future technology enhancement are suggested.

PAV용 미래형 추진기관의 현황 및 전망

윤동익(Dongik Yun),허환일(Hwanil Huh) 한국추진공학회 2009 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2009 No.11

본 논문에서는 PAV 추진기관에 대한 현황 및 전망을 조사하고 검토하였다. 현재의 수송교통 체계가 포화상태로 가고 있기 때문에 그 대안으로 개인용 항공기(PAV, Personal Air Vehicle)의 출현이 강하게 요구되고 있다. 왕복엔진의 경우 효율과 가격의 측면에서 우수하다는 장점을 지니고 있어 큰 출력을 필요로 하지 않는 PAV에 적합하다고 생각할 수 있다. 최근 친환경 시장이 급격히 성장하고 있어 기존 왕복엔진이나 가스터빈엔진 기술의 발전과 더불어서 연료전지와 배터리를 이용하는 친환경적인 추진기관을 선호하는 추세가 높아지고 있다. In this paper, we present the status and prospect for PAV propulsion system. Reciprocating engines are suitable for current PAV because of its efficiency and price advantages. However, fuel cells and batteries may replace conventional engines in the near future.

국내환경을 고려한 도로주행형 PAV 사이징을 위한 구속조건 해석

차재영 ( Jae-young Cha ),황호연 ( Ho-yon Hwang ),임은하 ( Eun-ha Lim ),김석범 ( Seok-beom Kim ) 한국항행학회 2018 韓國航行學會論文誌 Vol.22 No.2

현재 우리나라를 포함한 다수의 국가에서 지상 교통수송 체계가 포화상태에 이르렀다. 이를 해결하기 위해 교통체계의 3차원 화로 교통체증을 완화하고 door-to-door 이동성을 달성하고자 도로주행형 개인용 항공기 (PAV; personal air vehicle)에 관한 많은 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 도로주행형 PAV의 사이징에서 지상 활주거리, 상승률, 최대 순항속도, 최대 상승고도, 실속 속도 등의 구속조건하에서 주요 설계 변수인 추력대중량비, 익면하중, 동력대중량비를 구하기 위한 구속조건 해석을 수행하였다. 또한 사이징 과정에서 국내 환경과 일반항공기급 인증기준인 FAR PART 23을 고려한 임무형상에 대하여 추력대중량비, 익면하중, 동력대중량비, 그리고 제동마력의 그래프를 통해서 설계점을 결정하는 연구도 수행하였다. At present, the ground transportation system is saturated in many countries including Korea. To overcome this problem, many researches of developing a roadable personal air vehicle (PAV) are being carried out to alleviate traffic congestion and to accomplish door-to-door mobility through three-dimensional traffic system. In this study, the thrust-to-weight ratio, the wing loading, and the power-to-weight ratio that are major design parameters for the sizing of roadable PAVs were calculated under the constraints of ground roll, climb rate, maximum cruise speed, service ceiling, stall speed. Also, in the sizing process, the study was conducted to determine the design point using the graphs of thrust-to-weight ratio, wing loading, power-to-weight ratio, and brake horse power for the mission profiles considering domestic environments and the FAR PART 23 which is the GA class aircraft certification standard.

익형과 엔진 종류를 고려한 도로주행형 PAV 초기 사이징

차재영,황호연 한국항행학회 2019 韓國航行學會論文誌 Vol.23 No.1

In many countries, there are needs of new transportations to replace ground congestions due to growing number of cars. In addition, the increase in the number of cars held by economic growth will further increase traffic congestion in the future. To overcome this problem, many researches have been performed for personal air vehicle (PAV). In this study, the wing loading and the power-to-weight ratio that are major design parameters for the sizing of roadable PAVs were calculated for different kinds of airfoil and engine types. I.e., in the sizing process, the study was conducted to determine the design point using the graphs of wing loading, power-to-weight ratio, brake horse power, and fuel efficiency for the given mission profiles considering domestic environments and the FAR PART 23 which is the GA class aircraft certification standard. As a result of sizing, using diesel engine require high maximum take-off weight, wing area, and power compared to gasoline engine due to more engine weight. 많은 나라들에서 늘어가는 자동차로 인한 교통체증에 대체 할 수 있는 새로운 교통수단에 대한 요구가 증가하고 있다. 또한, 경제적인 성장으로 인한 자동차 보유 대수의 증가로 앞으로 교통체증은 더욱 증가할 것이다. 이를 위해 도로주행형 개인용 항공기 (PAV; personal air vehicle)에 관한 많은 연구가 진행 되고 있다. 본 연구에서는 도로주행형 PAV의 사이징에서 엔진과 익형의 종류에 따른 주요 설계 변수인 익면하중과 동력대중량비를 구하기 위한 사이징을 수행하였다. 즉, 사이징 과정에서 국내 환경과 일반항공기급 인증기준인 FAR PART 23을 고려한 임무형상에 대하여 익면하중, 동력대중량비, 제동마력, 그리고 연료효율의 그래프를 통해서 설계점을 결정하는 연구도 수행하였다. 사이징 결과 디젤 엔진을 사용하는 경우 가솔린 엔진보다 더 큰 중량으로 인해 더 큰 이륙총중량, 날개 면적, 그리고 더 큰 동력을 요구한다.

도심용 공중 모빌리티 개발 현황 및 과제

황창전(Hwang, Chang-jeon) 한국항공우주연구원 2018 항공우주산업기술동향 Vol.16 No.1

과거 개인항공기(PAV)에 대하여 연구기관과 일부 매니아층에서 여러 분야의 연구 및 개발이 진행되어 왔다. 하지만, `16년 1월 Ehang의 CES전시, 10월 우버의 Elevate를 발표, 분산전기추진 등 관련기술의 성숙화 등에 따라, 전 세계적으로 도심용 공중 모빌리티(Urban Air Mobility, UAM) 개발열풍이 불고 있다. 지난 `17.9월 20여개였던 비행체 개발자는 `18.2월 현재 50여개로 늘어났다. 전기동력 PAV 시장은 `17년 중반까지 수요대응형 모빌리티(On Demand Mobiiity, ODM) 시장을 중심으로 논의되다가 현재는 도심용 공중 모빌리티 개발 및 서비스에 집중하고 있다. 이런 배경에서 본 논문은 과거 PAV연구를 정리하여 UAM으로 집중하게 된 원인을 분석하고, 최신 UAM 개발동향을 살펴보고, 우리가 참고해야 할 시사점과 과제를 도출한다. Previous PAV R&D has been performed by research institutes and a part of aero-maina. However, nowadays urban air mobility (UAM) developments are worldwidely performed by start-ups to legacy airframers as well as research institutes, since Ehang exhibited at CES in Jan. 2016, Uber announced a service plan in Oct. 2016, and enabling technologies such as DEP were matured. There were about 20 developers in Sep. 2017, but more than 50 in Feb. 2018. Electric PAV market about ODM (On-Demand Mobility) was considered until mid-2017, however now focused more on the UAM market. Based on these background, this paper summarizes the previous PAV studies, the reasons why UAM are more focused, the status of UAM developments, and some challenges considering for the development.