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문제 정의
- 최근에는 고성능 무힌지 로터 시스템을 개발하기 위해 스마트 플랩이 적용된 무힌지 로터 시스템에 대한 공력탄성학적 안정성 연구도 이루어지고 있다 [6]. 본연구는 Super Lynx의 금속 재 무 힌지 허브시스템을 기본으로 하여 제작된 축소 무힌지 허브시스템의 공력탄성학적 안정성에 관한 것이다. 이는 금속재 허브 flexure# 복합재 허브 flexure 로의 대체 가능성을 판단하기 위함이다.
제안 방법
- 이는 금속재 허브 flexure# 복합재 허브 flexure 로의 대체 가능성을 판단하기 위함이다. 무힌지 로터 시스템의 동 특성을 고려한 두 가지 flexure 를 제작한 후 블레이드를 장착하여 동일시험조 건에서 가진 시험을 수행하였다. 실제 헬리콥터에서 금속 재 허브를 복합재 허브로 대체 가능할 경우 허브시스템의 중량이득에 따른 성능 향상 및 안정성 향상의 효과를 기대할 수 있다.
- 축소 무힌지 로터 시스템의 공력탄성학적 안정성 시험은 한국항공우주연구원(이하 KARI)의 GSRTS (General Small-scaled Rotor Test System) 에 장착하여 회전 시험을 수행하였다. GSRTS는 축소 로터 시험장비로 1999년 제작된 후 데이터 획득 시스템 추가, 허브 상단의 프리앰프 추가/ 변경, .
- 복합재 허브flexure는 금속재와 동일한 하중 조 건과 동일한 동력학적 특성을 갖도록 설계되었다. 금속 재료와의 접합이 어려운 복합재성형 특성상 피치베어링 하우징과 허브 flexure 가 일체형으로 제작되었다.
- 5는 제작된 축소 무힌지 허브시스템으로 왼쪽은 금속재허브시스템이며 오른쪽 상단은 유압식 댐퍼, 하단은 복합재flexure이다. 로터시스템 제작 시 성능시험 및 로터 불안정성을 대비하여 댐퍼를 제작하였으나 본 연구는 안정성 시험이므로 댐퍼를 탈착한 후 시험을 수행하였다.
- 신호의 측정은 시험조건에 맞는 피치각과 회전수로 GSRTS를 회전시킨 후, 가진 하기 전부터 가진 후 감쇠 응답이 끝날 때까지 블레이드 응답을 측정한다. 이때 블레이드와 flexure에 부착된 스트레인게이지로부터 발생된 신호는 허브 상단의 프리앰프에서 적절한 배율로 증폭되며, 증폭된 신호는 회전축을 통해 연결된 80접점 슬립링으로 전달되어 비회전계로 연결된다.
- 이때 블레이드와 flexure에 부착된 스트레인게이지로부터 발생된 신호는 허브 상단의 프리앰프에서 적절한 배율로 증폭되며, 증폭된 신호는 회전축을 통해 연결된 80접점 슬립링으로 전달되어 비회전계로 연결된다. 이후로 A/D 변환된 데이터가 DAQ 컴퓨터에 저장되며, 오실로스코프 및 모니터링 콘솔을 통하여 항상 신호를 관찰한다. 이 과정을 회전수와 일괄 피치각 및 전진 속도비에 따라 반복 수행하며, 저장된 신호로부터 MBA(Moving Block Analysis)프로그램을 이용하여 고유 진동수와 감쇠비를 산출한다.
- 이후로 A/D 변환된 데이터가 DAQ 컴퓨터에 저장되며, 오실로스코프 및 모니터링 콘솔을 통하여 항상 신호를 관찰한다. 이 과정을 회전수와 일괄 피치각 및 전진 속도비에 따라 반복 수행하며, 저장된 신호로부터 MBA(Moving Block Analysis)프로그램을 이용하여 고유 진동수와 감쇠비를 산출한다.
- 전진비행시는 Fig. 6(b)와 같이 KARI의 4x3x10m 중형 아음속 풍동에서 수행하였으며 전진비 별 동체 기울 임각, 풍속 등을 적용하여 시험하였다. 전진비행 시 트림은 회전 시 블레이드의 모션을 모니터링하여 플랩 모멘트가 최소가 되도록 Fig.
- 신호저장은 sampling rate 1024이로 15초 동안 저장하여 가진 시작 전부터 가진 후 감쇠가 끝나는 신호를 저장하였다. 감쇠비는 MBA 프로그램을 이용하여, 블레이드 및 flexure에 부착된 리드래그 모드 스트레인 게이지신호로부터 산출하였다.가진이 끝난 시점을 시작점 (start point)으로 하여 최대 진폭의 0.
- 2배가 되는 시점을 종료점(end point)으로 감쇠 신호를 설정하였다. 블록 크기 및 iteration 횟수 등은 감쇠 신호의 절반 정도가 되도록 기준으로 하였다.
- 이와 같은 방법으로 산출된 블레이드 감쇠비와 flexure의 감쇠비의 평균값을 무힌지로터 시스템의 감쇠비로 결정하였다.
데이터처리
- 데이터 측정, 저장 및 감쇠비 산출 등 모든 데이터 처리 과정은 Lab VIEW 를 이용하여 작성한 프로그램을 이용하였다. 신호저장은 sampling rate 1024이로 15초 동안 저장하여 가진 시작 전부터 가진 후 감쇠가 끝나는 신호를 저장하였다.
- Fanplot에서 점선은 N/rev을 나타내며 실선은 미국 ART사의 로터 시스템 전용 해석코 드인 FLIGHTLAB 해석 결과이며, 도형으로 표시한 것이 시험 결과이다. 각 모드별 고유 진동수는 부착된 블레이드에 따라 미소한 차이가 있기 때문에 각각 평균값을 표시하였다.
이론/모형
- 특히, 회전익 시험의 특성상 저장된 신호에는 타모드의 주파수와 노이즈가 포함되어 있다. 이에 대한 산출에러를 최소화 하기 위해 lowpass filter 20Hz를 적용하였고, 가 중함수(weighting function)는 Hanning window 를 사용하였다. 좀 더 정확한 감쇠비 산출에 대한 연구는 차후 수행할 예정이다.
성능/효과
- 각 모드별 고유 진동수 측정 결과로 1차 플랩 고유 진동수는 1/rev신호와 근접하여 약간 상위 범위인 1.1Q에 존재하는 것으로 측정되었으며, 1차 리드래그 고유 진동수는 0.72 정도로 측정되었고 해석 결과와 잘 일치함을 알 수 있다. 비틀림 모드는 타모드에 비해 미소진폭과 고주파로 정확한 예측과 측정이 매우 어렵다.
- 비틀림 모드는 타모드에 비해 미소진폭과 고주파로 정확한 예측과 측정이 매우 어렵다. 특히 비틀림과 관계된 FLIGHTLAB 입력값 중 피치링크 강성, 타이바탄성 등을 정확히 모델링하지 못했고, 블레이드 피치 방향 체결 유격, 스와시판 베어링 유격 등의 영향으로 해석결과와 측정 결과의 차이가 나타났다.
- 정지 및 전진비행 시 공력탄성학적 안정성 시험으로 리드래그 감쇠비를 측정한 결과는 Fig. 10, 11, 12와 같으며 모든 조건에서 일괄피치각이 증가할수록 감쇠비도 증가함을 확인하였다. 이는 로터시스템의 일반적인 특성이며, 블레이드 피치각이 운용 범위를 넘어 실속이 발생될 때까지 리드래그 감쇠는 증가한다.
- 25로 증가함에 따라 감쇠비도 증가하였다. 이로서 전진 속 도가 빨라질수록 공기력에 의한 감쇠가 더 커짐을 알 수 있었다.
- 1) 측 정한 모든 범위의 리드래그 감쇠비가 양의 값으로 측정되어 본 연구에 사용된 무힌지 허브시스템은 공력탄성학적으로 안정함을 알 수 있었다.
- 2) 일반적으로 리드래그 감쇠비는 일괄 피치각 에 따라 증가하다가 실속이 되면 급격히 감소하게 된다. 본 연구 결과에서도 일괄 피치각이 증가함에 따라 감쇠비도 증가하였다.
- 2) 일반적으로 리드래그 감쇠비는 일괄 피치각 에 따라 증가하다가 실속이 되면 급격히 감소하게 된다. 본 연구 결과에서도 일괄 피치각이 증가함에 따라 감쇠비도 증가하였다. 또한 전진 속도가 빨라질수록 공기력에 의한 감쇠가 증가하였다.
- 3) 금속재와 복합재flexure를 교체하여 시험한 결과 복합재flexure의 감쇠비가 약 20% 정도 높게 측정되었다. 이는 동일한 공력 성능의 허브 부품을 복합재로 사용할 경우 경량화 및 안정성 증대를 이룰 수 있는 근거가 된다.
후속연구
- 이에 대한 산출에러를 최소화 하기 위해 lowpass filter 20Hz를 적용하였고, 가 중함수(weighting function)는 Hanning window 를 사용하였다. 좀 더 정확한 감쇠비 산출에 대한 연구는 차후 수행할 예정이다.
- 본 연구로 수행된 시험기법과 시험장치는 현재 수행 중인 "차세대 헬리콥터 로터 시스템 개발” 등과 같은 연구과제와 향후 국내 수행 예정인 ”한 국형 다목적 헬기(KMH) 개발” 등과 같은 국가헬리콥터 개발사업의 시험평가 분야에도 적용할 예정이다.
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