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문제 정의
- 본 연구는 군용항공기에 사용되는 전자광학추적장치의 저속 기동조건에서의 공력특성 및 회전구동부에 가해지는 토크특성을 알기 위하여 아음속 풍동 시험을 통해 수행하였다. EOTS모형의 측정 결과를 비교하기 위해 실시된 원기등에 반구를 붙인 형태의 단순모형실험에서는 유동특성이 원통과 구의 특성을 결합한 모습을 보여주었다.
- 본 연구에서는 전자광학추적장치의 저속 유동 기동 조건에서 전자광학추적장치에 발생하는 공력 특성에 관한 연구를 수행하였다. EOTS의 형상은 실물의 전자광학추적장치의 모형을 사용하였으며, 실제 크기의 EOTS를 실험하기 위하여 공군사관학교의 대형 풍동을 이용하였다.
제안 방법
- 같다. 0°부터 180°까지 지지부의 회전각에 대한 압력장 및 토크변화를 측정하기 위하여, 이동형 회전테이블에 모형을 고정하고 각도에 따라 회전 시켜 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 이동형 회전테이블은 Aerotech사의 것으로 회전각도 는 -30°에서 30°까지로 0.
- EOTS 모형은 헬리콥터장착형 태인 경우 관측창이 지면에 수직일 때를 관측창구동부가 0° 인 지점으로 정의하여 -15°부터 135°까지 15°간격으로 11개 조건에서 측정하였다. 관측창구동부를 수동으로 일정 각도 단위로 조정한 후 고정하여 측정하였다.
- EOTS모형의 실험은 헬리콥터 장착형태 및 고정익기장착 형태에 대하여 각각의 구동부에 가해지는 토크와 표면 압력을 측정하였다. 실험의 타당성과 관측창에 의한 유동의 영향을 확인하기 위하여 단순모형 (b)의 표면 압력과 EOTS모형의 표면 압력을 관측창구동부를 회전시켜가며 비교한 결과는 그림 7과 같다.
- 형상은 그림 4와 같다. EOTS모형의 압력측정 점의 개수는 총68개로 관측창구동부에 위치하여 구동부의 표면의 압력을 측정토록 하였다. 또한 토크 측정을 위하여 관측창구동부 및 지지부에 각각 토크 센서를 장착하였다.
- 관한 연구를 수행하였다. EOTS의 형상은 실물의 전자광학추적장치의 모형을 사용하였으며, 실제 크기의 EOTS를 실험하기 위하여 공군사관학교의 대형 풍동을 이용하였다. 사용된 EOTS 모형은 내부 장착물을 제거하고, 압력측정을 위하여 표면에압력공을 분포시켰고 내부에는 토크 센서를 장착하여 회전구동부에 가해지는 토크를 측정하였다.
- 조건에서 측정하였다. 관측창구동부를 수동으로 일정 각도 단위로 조정한 후 고정하여 측정하였다. 지지부는 관측창이 유동방향을 바라보는 때를 0°로 정의하여 0°부터 180°까지 10°간격으로 19개의 실험조건을 설정하였다.
- 이러한 결과로 보아 관측 창의 위치에 의하여 표면 압력이 크게 변화하며 이런 표면 압력의 변화가 구동부의 토크에 영향을 줄 것으로 생각된다. 그러한 압력의 변화에 따른 토크의 변화를 확인하기 위하여 관측 창구 동부와 지지부의 토크를 확인하여 연관성을 확인하였다.
- 단순 모형 (a)는 EOTS모형의 관측창구동부를 단순화 한것으로 구의 형상을가지고 있는 모형 이며 단순 모형 (b)는 EOTS의 전체적인 형상을 단순화한 것으로 원기둥위에 반구가 부착되어 있는 형상이다. 단순모형 2종의 실험결과를 유사한 형상을 갖는 타실험결과와 비교하였다. 비교에 사용한 Hoerner[4]의 결과는 구를 실험한 것이며 Warschauer와 Leene[5]의 실험결과는 원기등을 실험한 결과이다.
- 사용된 EOTS 모형은 내부 장착물을 제거하고, 압력측정을 위하여 표면에압력공을 분포시켰고 내부에는 토크 센서를 장착하여 회전구동부에 가해지는 토크를 측정하였다. 또한 장착형태에 따라 헬리콥터 장착형태와 고정익기 장착형태의 2가지 모드로 실험이 수행되었다. 복잡한 형상에 의한 공력 특성 변화를 비교하기 위해 EOTS형상을 단순화한 모형 2종을 제작하여추가 실험을 수행하였으며, 그 결과를 유사한 형상과 유동조건에서 실험한 Hoerner[4], Warschauer& Leene[5]의 연구 결과와 비교하였다.
- EOTS모형의 압력측정 점의 개수는 총68개로 관측창구동부에 위치하여 구동부의 표면의 압력을 측정토록 하였다. 또한 토크 측정을 위하여 관측창구동부 및 지지부에 각각 토크 센서를 장착하였다. 토크 측정시 자료측정 속도는 1㎑이며 30초간 데이터를 측정하였다.
- 모형에 가해지는 표면 압력과 각 구동부에 가해지는 토크를 측정하기 위한 시스템의 구성도는 그림 1과 같다. 모형표면의 압력을 얻기 위하여 모형 표면에 압력공을 설치하고 디지털압력측정시스템인 PSI8400 Electric Pressure Scanning System을 이용하여 표면 압력분포를 측정하였다. 압력측정범위는 0~750psi, 압력측정치의정확도는±0.
- EOTS의 형상은 실물의 전자광학추적장치의 모형을 사용하였으며, 실제 크기의 EOTS를 실험하기 위하여 공군사관학교의 대형 풍동을 이용하였다. 사용된 EOTS 모형은 내부 장착물을 제거하고, 압력측정을 위하여 표면에압력공을 분포시켰고 내부에는 토크 센서를 장착하여 회전구동부에 가해지는 토크를 측정하였다. 또한 장착형태에 따라 헬리콥터 장착형태와 고정익기 장착형태의 2가지 모드로 실험이 수행되었다.
- 이것으로 측정시간내의 최대값 및 최소 값을 구하였으며 30초간의 누적총평균을 구하여 회전부에 작용하는 힘을 구하였다. 압력장 자료 측정속도는 5Hz로 10초간 측정하여 누적총평균을 구하였다. 토크센서의 이득값이 +값을 갖는 방향은 지지부 센서의 경우 상부에서 관찰하였을 때 시계방향이며, 관측창구동부의 경우에는 유동 방향의 좌측에서 관찰하였을 때시계방향이다.
- 그리하여 토크값의 처리과정에서 누적된 값에 대한 평균값 및 최대변화량을 구하였으며 그러한 측정값의 예는 그림 9와 같다. 여기서 구한 평균값으로 압력 값과 비교하여 관측 창의 영향을 알아보았다. 그러나 EOTS를 설계하는데 있어서는 순간적인 최대 부하에 대한 자료가 필요하므로 최대 변화량에 대한 값을 측정하여 평균 토크값과 비교하여 보았다.
- 토크 측정시 자료측정 속도는 1㎑이며 30초간 데이터를 측정하였다. 이것으로 측정시간내의 최대값 및 최소 값을 구하였으며 30초간의 누적총평균을 구하여 회전부에 작용하는 힘을 구하였다. 압력장 자료 측정속도는 5Hz로 10초간 측정하여 누적총평균을 구하였다.
- 관측창구동부를 수동으로 일정 각도 단위로 조정한 후 고정하여 측정하였다. 지지부는 관측창이 유동방향을 바라보는 때를 0°로 정의하여 0°부터 180°까지 10°간격으로 19개의 실험조건을 설정하였다. 지지부의 경우는 모형을 풍동내의 회전테이블에 장착한 후 이를 구동하여 방위각을 회전하여 시간단위의 압력 및 토크를 측정하였다.
- 지지부는 관측창이 유동방향을 바라보는 때를 0°로 정의하여 0°부터 180°까지 10°간격으로 19개의 실험조건을 설정하였다. 지지부의 경우는 모형을 풍동내의 회전테이블에 장착한 후 이를 구동하여 방위각을 회전하여 시간단위의 압력 및 토크를 측정하였다. 고정익기 장착형태일 때는 관측 창이 지면에 수평일 때를 0°로 정의하였다.
- 풍동시험은 공군사관학교의 폭 5.25m, 높이 3.67m인 측정부를 가진 단일 폐쇄회로식 풍동에서 진행하였으며, 모형을 회전테이블에 장착하여 실험을 진행하였다. 실험을 진행한 풍동의 주요제원은 표 1과 같다.
대상 데이터
- 02% FS이며, 측정속도는 5Hz이다. 관측창 구동부와 지지부에 가해지는 토크를 얻기 위하여 각 작동부에 토크센서를 설치하고 National Instrument 사의 PXI-6251 다기능데이터 수집모듈을 이용하여 토크 데이터를 획득하였다.
- 0°부터 180°까지 지지부의 회전각에 대한 압력장 및 토크변화를 측정하기 위하여, 이동형 회전테이블에 모형을 고정하고 각도에 따라 회전 시켜 실험을 진행하였다. 실험에 사용된 이동형 회전테이블은 Aerotech사의 것으로 회전각도 는 -30°에서 30°까지로 0.1° 간격으로 회전이 가능하다.
데이터처리
- 단순모형 (a)의 경우 모형이 구 형상으로서 유사한 실험결과가 존재한다. 그러나 단순 모형 (b)와 같은 형상과 같은 모형에 대한 실험 결과를 찾을 수가 없어서 단순모형 (b)와 유사한 Warschauer 와 Leene의 실험결과를 이용하여 비교하기로 하였다.
- 여기서 구한 평균값으로 압력 값과 비교하여 관측 창의 영향을 알아보았다. 그러나 EOTS를 설계하는데 있어서는 순간적인 최대 부하에 대한 자료가 필요하므로 최대 변화량에 대한 값을 측정하여 평균 토크값과 비교하여 보았다. 그림 10에서 보면 모형이요(Yaw) 방향으로 회전함에 따라 관측창구 동부의 위치(Pitch)에 따른 평균토크 변화의 경향이 반대로 나타남을 알 수 있다.
- 또한 장착형태에 따라 헬리콥터 장착형태와 고정익기 장착형태의 2가지 모드로 실험이 수행되었다. 복잡한 형상에 의한 공력 특성 변화를 비교하기 위해 EOTS형상을 단순화한 모형 2종을 제작하여추가 실험을 수행하였으며, 그 결과를 유사한 형상과 유동조건에서 실험한 Hoerner[4], Warschauer& Leene[5]의 연구 결과와 비교하였다.
이론/모형
- EOTS모형은 현재 개발되어 사용되는 제품의 형상과 같은 모형을제작하여 사용하였으며 모형의 형상은 그림 4와 같다. EOTS모형의 압력측정 점의 개수는 총68개로 관측창구동부에 위치하여 구동부의 표면의 압력을 측정토록 하였다.
- 본 연구에서는 형상에 의한 공력특성 비교를 위한 단순 모형 2종과EOTS모형의 총 3가지 모형을 가지고 실험을 수행하였다. 단순모형은 각각 원통 위에 반구를 얹은 형태와 구형태의 모형을 제작하였으며, 그 형상은 그림 3(a), (b)와 같다.
성능/효과
- EOTS모형의 헬리콥터 장착형태 및 고정익기장착 형태에서의 관측창구동부 및 지지부에 가해지는 평균토크의 크기는 각도에 따라 100Tref 이하의 범위에서 변화를 보여주었다. 헬리콥터 장착형태 및 고정익기 장착형태 모두 지지부와 관측 창구 동부의 회전에 따라 관측창과 같은 외부형상의 급격한 변화가 유동과 만나는 위치가 달라지고 이것이 구동부에 가해지는 토크에 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 이러한 현상을 확인하기 위하여 지지부의 최대토크변화량을 확인해보았으며 그 결과는 그림 14와 같다. 관측창의 각도가 30° 일때 토크의 변화량을확인하여 보면 요각도가 100° 지점에서 큰 토크변화가 있음을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 관측창의 각도가 0°~30°에서 특징적으로 나타는 현상으로, 이 경우에 그림 12와 같이 관측창이 유동박리점 근처에 위치하게 되어 유동박리에 영향을 주어 좌우에 미치는 공기력에 영향을 미치기 때문으로생각된다.
- 압력분포의 경향은 단순모형 (b) 의 결과와 유사하였으나 지지부와 관측 창구 동부 사이의 홈이 존재하는전면부에서 압력이 전체적으로 높게 나타났다. 또한 관측창의 전면 상부에 위치하게 되는 135°일 때 표면 압력이 크게 변화하는 것을 확인하였다. 이러한 결과로 보아 관측 창의 위치에 의하여 표면 압력이 크게 변화하며 이런 표면 압력의 변화가 구동부의 토크에 영향을 줄 것으로 생각된다.
- 평균토크값과 순간 최대 토크변화량을 비교하였을 때 같은 각도에서 순간 토크변화량이 평균값의 3배정도의 변화를 보였다. EOTS의 설계에는 이러한 순간적인 회전부하가 작동의 장애 요인이 될 수 있으므로 이러한 평균토크값과 순간 토크 변화량의 차이를 생각하여 EOTS의설계가필요할 것으로 생각된다.
- 모형의 전면에 존재하는 지지부와 관측창구동부 사이의 움푹 들어간 면이 바로 이런 유동방향 단면 형상의 좌우 비대칭을 유발하는가장큰 인자이다. 평균토크값의 변화량이큰 80°지점에서 관측 창구 동부의 회전각에 따른 평균토크 변화를 살펴보면 관측창이 위치하는 각도가 증가함에 따라 평균 토크가 점차 감소함을 확인할 수 있다. 이러한 평균 토크의 감소는 그림 12의결과에서 좀 더 잘 나타나는데, 지지부의 회전각이 80°인 지점에서 평균 토크가 최소인 지점은 최대인 위치의 50%인 것을 확인할 수 있다.
- 모습을 보인다. 하지만 90° 이후에서는 압력계수의 기울기가 차이를 보이며, 유동 박리 점의 위치가 Warschauer와 Leene의 실험에서 측정된 120°와는 달리 본 연구에서는 150° 근처에서 일어남을 확인할 수 있다. 이는 구형상에 대한 본 연구의 단순모형 (a) 및 Hoerner의 결과와 일치하는 것으로 원기둥 상부에 반구가 부착된 단순 모형 (b)의 유동특성이 원기등과 구의 유동특성이 결합된 형태로나타남을알 수 있다.
- 범위에서 변화를 보여주었다. 헬리콥터 장착형태 및 고정익기 장착형태 모두 지지부와 관측 창구 동부의 회전에 따라 관측창과 같은 외부형상의 급격한 변화가 유동과 만나는 위치가 달라지고 이것이 구동부에 가해지는 토크에 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
- 헬리콥터 장착형태의 관측창구동부의 토크 측정 결과와 고정익기 장착형태의 관측 창구 동부의 토크 측정 결과를 비교해보면, 고정익기 장착형태에서의 토크 변화량이 헬리콥터 장착형태에서의 변화량보다 상대적으로 작음을 알 수 있다. 이는 모형이 장착형태 변화로 보다 항공역학적 인형상이 되면서 유동에 의한 영향을 작게 받게 되어 나타나는 현상으로 생각된다.
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