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초록
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본 논문은 동축반전 로터 블레이드의 성능 특성 파악을 위한 선행연구로서, 단일 로터 블레이드에 대한 공력 데이터 획득 및 성능 특성을 확인하기 위한 연구에 중점을 두었다. 이를 위해 제자리 비행 상태에서 추력과 토크의 측정이 가능한 소형 로터 블레이드용 회전 시험장치를 구성하고 제작하였다. 로터 회전 시험장치는 회전장치부, 센서부, 그리고 데이터 획득 시스템으로 구성되었으며, 고정된 회전속도에서 콜렉티브 피치각을 변화시키면서 추력과 토크를 측정할 수 있도록 하였다. 이를 통하여 저 레이놀즈 수 ($Re{\approx}3{\times}10^5$) 영역에서 운용되는 단일 로터의 제자리 비행 성능 시험을 수행하였고 소형 로터 블레이드의 제자리 비행 성능을 획득하여 로터 회전 시험장치의 성능을 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the work being carried out in order to deduce hover performance of a small-scale single rotor blade as a preliminary study of a small coaxial rotor helicopter development. As an initial research, a test stand capable of measuring thrust and torque of a small-scale rotor blade in ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문은 동축반전 로터 블레이드의 성능 특성 파악을 위한 선행연구로서, 단일 로터 블레이드에 대한 공력 데이터 획득 및 성능 특성을 확인하기 위한 연구에 중점을 두었으며, 이를 위해 제자리 비행 상태에서 추력과 토크의 측정이 가능한 소형 로터 블레이드용 회전 시험장치를 구성하고 제작하였다. 이를 통하여 저 레이놀즈 수 (Re≈3×105) 영역에서 운용되는 단일 로터의 제자리 비행 성능 시험을 수행하였고 소형 로터 블레이드의 제자리 비행 성능을 획득하여 로터 회전 시험장치의 성능을 검증하였다.
  • 본 연구에서는 동축반전 헬리콥터형 소형 무인항공기의 설계 및 개발을 위한 선행 연구의 일환으로, 저 레이놀즈 수(Re ≈3×105) 영역에서 운용되는 소형 로터 블레이드의 성능해석에 관한 연구를 진행하였다.
  • 특히, 본 연구실에서 개발중인 동축반 전형 헬리콥터에 적용하고자 하는 소형 로터 블레이드의 경우 성능 예측을 위한 기본적인 공력데이터 및 실험 결과 등이 잘 알려져 있지 않아 실험을 통해 검증할 필요가 있다. 이에 본 논문에서는 소형 로터 블레이드의 제자리 비행 성능 측정을 위하여 단일 및 멀티 로터 블레이드의 성능 측정이 가능한 로터 회전 시험장치를 각각 구축하는 연구를 수행하였다.
  • 일반적으로 회전체에 대한 실험을 진행할 경우에는 안전한 실험을 위해 실험 장비에 대한 진동 특성에 대한 분석이 이루어져야 한다. 특히, 본 연구에서는 로터회전수를 원하는 회전속도에서 일정하게 유지한 상태에서 실험을 진행할 것이기 때문에 각 구성품에 대한 교정 시험을 완료한 이후 스탠드의 진동 특성을 분석하여 안전한 실험이 될 수 있도록 하였다. 본 연구에 사용된 장비는 장비의 공진주파수를 확인하기 위하여 센서부에 부착되어 있는 3축 가속도계를 이용하여 간단한 FFT(Fast Fourier Transform) 분석이 가능하도록 구성하였다.

가설 설정

  • 11에 나타내었다. 앞서 기술한 대로 정적 상태에서의 콜렉티브 피치각을 기준으로 하여 측정하였으므로 오차가 발생할 수 있으나 본 연구에서는 그 영향이 작다고 가정하였다. 실험 결과를 이용하여 특정한 콜렉티브 피치각에서의 단일 로터 블레이드에 요구되는 동력을 확인할 수 있으며, 개별 로터 블레이드의 성능 특성들을 도출할수 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
로터 블레이드의 교정은 어떻게 진행하였나? 또한, 실제 로터 실험을 진행하기 전, 로터 블레이드의 회전에 의해 발생하는 진동으로 인한 실험장치의 안전사고 예방 및 효과적인 성능 특성 획득을 위하여 로터 블레이드의 교정을 수행하였다. 교정은 정적 평형(Static Balancing), 깃끝 궤적(Tracking) 그리고 동적 평형(Dynamic Balancing)을 확인하는 것으로 진행하였다. 우선, RC용 정적 평형 장치를 이용하여 로터 블레이드의 질량 중심 분포를 확인하여 마주보는 로터 블레이드의 정적 평형을 확인하였다.
회전익 무인항공기의 비행 특징은? 무인항공기의 활용분야가 증가함에 따라 다양한 임무수행을 위한 무인항공기의 연구 및 개발이 민간부분에서 활발하게 진행되고 있다. 특히, 헬리콥터로 대표되는 회전익 무인항공기의 경우 제자리 비행 및 저속비행이 가능하여 감시 및 정찰을 목적으로 하는 무인항공기로 개발하기 위한 연구가 증가하고 있다[1]. 부산대학교 무인 시스템 연구실에서는 회전익 비행체 중에서도 단일로터 헬리콥터에 비해 뛰어난 이륙중량을 가지는 동축반전(Coaxial) 무인 헬리콥터의 개발을 진행하고 있으며, 근거리 감시 및 정찰을 위한 소형 UAV(Unmanned Aerial Vehicle)로서의 응용 가능성에 대한 연구를 진행하고 있다[2-3].
일반적인 헬리콥터의 성능 예측은 무엇을 말하는가? 특히, 로터 블레이드의 성능 예측은 헬리콥터 개발에 있어서 무게 및 크기 등 설계 요소를 결정하기 위한 중요한 작업이다. 일반적으로 헬리콥터의 성능 예측은 각각의 비행조건에 대한 요구동력의 예측을 의미한다. 초기 설계 단계에서의 요구 동력 예측은 운동량 이론에 의해 수행되며, 운동량 이론에서 제자리 비행 시 요구되는 동력은 식(1)과 같이 추력을 발생시키기 위한 유도동력 항과 로터 블레이드의 점성에 의해 발생되는 형상항력 항으로 구성된다.
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참고문헌 (8)

  1. 이경태, 오철준, “회전익 무인 항공기의 임무 요구 및 개발동향”, 한국항공우주학회지, Vol. 30 No. 8, 2002, pp. 156-163. 

  2. Y. S. Byun, B. E. Lee, J. B. Song, J. Kim and B. S. Kang, "Preliminary Design of Small Coaxial Unmanned Aerial Vehicle", Proceeding of KSAS-JSASSS Joint International Symposium, 2006, pp. 29-36 

  3. 김상덕, 변영섭, 송준범, 이병언, 송우진, 김정, 강범수 "동축반전 헬리콥터형 소형 무인항공기 설계 및 제작", 한국항공우주학회지, Vol. 37, No. 3, 2009, pp. 293~300 

  4. J. Gordon Leishman, "Principles of Helicopter Aerodynamics", Cambridge University Press, New York, 2006 

  5. J. Gordon Leishman, Shreyas Ananthan, "Aerodynamic Optimization of a Coaxial Proprotor", 62th Annual Forum and Technology Display of the American Helicopter Society International, Phoenix, AZ, May, 2006 

  6. 주진, 김준호, 김덕관, “KARI GSRTS를 이용한 축소 로우터 시스템 시험 기술연구”, 한국항공우주학회 추계학술발표회 논문집, 2000, pp. 79-82 

  7. 이 욱, 최종수, “헬리콥터 로터 시험장치의 개발 및 공력소음특성의 측정”, 한국항공우주학회지, Vol. 32, No. 3, 2004, pp. 10-16 

  8. 이재원, 이관중, 오세종, “비정상 Source-Doublet 패널 기법을 이용한 헬리콥터 로터 공력 해석”, 한국항공우주학회지, Vol. 34, No. 6, 2006, pp. 1~9. 

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