[논문]전산해석 및 풍동시험을 이용한 다기능 대기 자료 센서의 공력 설계

박영민; 최인호; 이융교; 권기정; 김성찬; 황인희

[국내논문] 전산해석 및 풍동시험을 이용한 다기능 대기 자료 센서의 공력 설계
AERODYNAMIC DESIGN OF A MULTI-FUNCTION AIR DATA SENSOR BY USING CFD AND WIND TUNNEL TEST 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.15 no.3 = no.50, 2010년, pp.32 - 38

박영민 (한국항공우주연구원, 회전익기사업단) , 최인호 (한국항공우주연구원, 회전익기사업단) , 이융교 (한국항공우주연구원, 항공기술실) , 권기정 (한국항공우주연구원, 항공기술실) , 김성찬 (한국항공우주연구원, 회전익기사업단) , 황인희 (한국항공우주연구원, 회전익기사업단)

Abstract ▼ AI-Helper

Aerodynamic design of the vane type multi-function probe was tried by using CFD and wind tunnel test for the MALE UAV and small business jets. The present multi-function probe can measure total pressure, static pressure and angle of attack by using rotating vane. Therefore, major performances are determined by aerodynamic characteristics of vane. In order to design the sensor compatible to the requirement, aerodynamic characteristics of sensors were investigated by using CFD and dynamic response analysis was also performed for transient performance. The final aerodynamic performance was measured by the wind tunnel test at Aerosonic and the results were compared with the present design. The results showed that the aerodynamic design using the CFD can be successfully used for the design of vane type multi-function air data sensor.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 공기역학적인 특성이 가장 중요한 설계 인자가 되는 베인형 다기능 센서에 대한 설계 내용을 다루었다. 베인형 다기능 센서는 유동의 흐름에 정렬하여 압력을 측정하므로 받음각이 클 경우 오차가 증가하는 다공 피토 프로브(multi-hole Pitot probe)와 달리 전 받음각 영역에서 정확한 측정값을 제공한다.
반면 내부의 히터 전선이나 베이링 마찰 등으로 인해 저속시 응답속도는 증가할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 다기능 센서의 동적 응답성에 대한 설계를 주로 다루기로 한다.
본 논문에서는 전산유체역학을 이용 베인형 다기능 대기자료 센서의 설계를 시도하였고 이를 풍동시험으로 확인하였다. 전산 해석은 센서의 정압홀 위치, 속도에 따른 특성분석 그리고 받음각에 대한 복원력을 계산하는 데 활용하였다.

제안 방법

국내의 경우 Smart Probe와 유사한 피토형의 다기능 프로브에 대한 전산해석 및 설계가 시도된 바 있다[7]. 문헌에서는 설계된 형상의 프로브에 대한 보정기법을 수립하였고 최종적으로 풍동시험을 통해 성능을 확인하였다. 반면 베인형 다기능 프로브는 제조회사가 극히 소수이고 설계 방법 또한 알려진 바가 없다.
베인형 다기능 센서는 유동의 흐름에 정렬하여 압력을 측정하므로 받음각이 클 경우 오차가 증가하는 다공 피토 프로브(multi-hole Pitot probe)와 달리 전 받음각 영역에서 정확한 측정값을 제공한다. 본 연구에서는 무인기 및 소형 제트기에 사용할 수 있는 규모의 베인형 다기능 센서에 대한 전산해석을 수행하여 이를 형상설계에 이용하였고 동적 응답(dynamic response) 해석을 시도하였다. 설계한 형상은 Aerosonic사의 풍동을 이용 시험을 수행하여 결과를 확인하였다.
본 연구에서는 무인기 및 소형 제트기에 사용할 수 있는 규모의 베인형 다기능 센서에 대한 전산해석을 수행하여 이를 형상설계에 이용하였고 동적 응답(dynamic response) 해석을 시도하였다. 설계한 형상은 Aerosonic사의 풍동을 이용 시험을 수행하여 결과를 확인하였다.
6은 기계적인 damper 없이 기본 형상에 대한 동특성을 도시한 그림으로 약 55 msec 시간에서 기준각을 만족하는 것을 알 수 있다. 그러나 요구도인 70 msec 와 비교시 여유가 많지 않고 진동 특성이 강하며 무인기에 사용하기에 다소 J 값 및 중량이 크므로 이를 감안하여 형상을 변경하기로 하였다. 형상 변경 시에는 경량 설계와 빠른 응답성을 위하여 J 값 및 중량은 적고 복원력은 증가하도록 설계하였다.
그러나 요구도인 70 msec 와 비교시 여유가 많지 않고 진동 특성이 강하며 무인기에 사용하기에 다소 J 값 및 중량이 크므로 이를 감안하여 형상을 변경하기로 하였다. 형상 변경 시에는 경량 설계와 빠른 응답성을 위하여 J 값 및 중량은 적고 복원력은 증가하도록 설계하였다.
최종 형상에 대한 성능을 확인하기 위하여 풍동시험 모델을 제작하고 정적 및 동적 응답 특성을 관찰하였다. 풍동시험 모델은 SLA를 이용하여 제작하였으나 실제 알루미늄 재료의 중량을 감안하여 내부에 dummy weight를 부착하였다.
1도 이내이다. 풍동 시험은 정적 복원력을 측정과 동적 응답성을 측정하기 위하여 수행하였으며 결과를 이용 공기역학적인 damper 값을 산출하도록 하였다. Fig.
본 논문에서는 전산유체역학을 이용 베인형 다기능 대기자료 센서의 설계를 시도하였고 이를 풍동시험으로 확인하였다. 전산 해석은 센서의 정압홀 위치, 속도에 따른 특성분석 그리고 받음각에 대한 복원력을 계산하는 데 활용하였다. 또한 계산된 정보는 다기능 센서의 동적 성능 해석과정에 활용되었다.
설계형상에 대하여 풍동시험을 수행한 결과 전산유체역학을 통한 복원력 예측이 타당함을 알 수 있었다. 최종적으로 풍동시험을 통해 공력 damping 값을 예측하고 이를 바탕으로 천음속에서의 동적응답성을 예측하였다. 해석결과 기계적인 damping 값은 0.

대상 데이터

11). 모델은 실제 센서와 동일한 크기로 높이 50 mm, 길이는 75 mm 이다 .

이론/모형

베인형 센서는 비교적 단순한 형상이므로 대부분 정렬격자를 사용하였고 일부 격자의 질 저하가 우려되는 부분과 연결 영역은 비정렬 격자를 사용하였다. 난류모델은 SpalartAllmaras 모델을 사용하였다.

성능/효과

위의 특성을 조합한 결과 정압홀의 위치는 높이 약 70%에서 회전축 지점에 위치하는 것이 최적임을 알 수 있다.
다만 단면적이 증가한 6%만큼 히터의 전력 또한 증가하므로 이를 감안해야 한다. Solidworks를 이용하여 J 값을 계산한 결과 약 0.00022 kg m² 와 0.00026 kg m²로 약 50% 정도로 감소하였다. 이는 전체적인 두께를 약 1 mm 정도 감소시켰고 이전 대비 경량의 센서를 사용해서 나타나는 것으로 파악된다.
또한 계산된 정보는 다기능 센서의 동적 성능 해석과정에 활용되었다. 설계형상에 대하여 풍동시험을 수행한 결과 전산유체역학을 통한 복원력 예측이 타당함을 알 수 있었다. 최종적으로 풍동시험을 통해 공력 damping 값을 예측하고 이를 바탕으로 천음속에서의 동적응답성을 예측하였다.
최종적으로 풍동시험을 통해 공력 damping 값을 예측하고 이를 바탕으로 천음속에서의 동적응답성을 예측하였다. 해석결과 기계적인 damping 값은 0.01 정도가 타당함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 판매 중인 통합형 다기능 센서에는 무엇이 있는가?	통합형 다기능 대기 자료 센서는 최근까지 군용기에 주로 이용되었으나 현재는 상업용 민간 항공기까지 폭넓게 이용되고 있다. 현재 판매되는 대표적인 통합형 다기능 센서로는 Thales사의 베인형 센서, Goodrich사의 Smart Probe 그리고 Aerosonic사의 IMFP(Integrated Multi-Function Probe)등이 있다(Fig. 2).
	통합형 다기능 대기 자료 센서는 주로 어디에 이용되는가?	통합형 다기능 대기 자료 센서는 최근까지 군용기에 주로 이용되었으나 현재는 상업용 민간 항공기까지 폭넓게 이용되고 있다. 현재 판매되는 대표적인 통합형 다기능 센서로는 Thales사의 베인형 센서, Goodrich사의 Smart Probe 그리고 Aerosonic사의 IMFP(Integrated Multi-Function Probe)등이 있다(Fig.
	베인형 센서의 저속시 응답속도의 증가는 무엇으로 인한 현상인가?	또한 각도오차는 일반적으로 40 kts 이상의 경우 공기역학적인 복원력으로 인해 베인이 유동에 정확하게 정렬되므로 오차가 매우 적다. 반면 내부의 히터 전선이나 베이링 마찰 등으로 인해 저속시 응답속도는 증가할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 다기능 센서의 동적 응답성에 대한 설계를 주로 다루기로 한다.

참고문헌 (7)

1994, Hagen, F.W. and Seidel, H, "Deutsche Airbus Flight Test of Rosemount Smart Probe for Distributed Air Data Systems," Aerospace and Electronic Systems Magazine, Vol.9, Issue 4.
http://www.sensors.goodrich.com
http://www.thalesgroup.com
http://www.aerosonic.com
2009, Performance-Based Specification for the Multi- Function Intelli-Probe, KARI Internal Document.
1985, Wickens, R.H. and Williams, C.D., "Calibration and Use of Five-hole Flow Direction Probes for Low Speed Wind Tunnel Application," Aeronautical Note, National Research Council, Canada, p.49.
2009 Kang, Y., Kim, S., Myong, R., Cho, T., Park, Y. and Choi, I., "Calibration of a Five-hole Multi-function Probe for Helicopter Air Data Sensors," International Journal of Aeronautical & Space Sciences, Vol.10, No.2, pp.43-61.

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