[논문]자전형 로터를 갖는 복합 자이로플레인 개념설계 기법과 프로그램 개발에 관한 연구

이영재; 김지민; 부앵; 이재우; 정인재

자전형 로터를 갖는 복합 자이로플레인 개념설계 기법과 프로그램 개발에 관한 연구
Conceptual Design Method and Program Development Study on Compound Gyroplane with Rotor and Wing 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.18 no.3, 2010년, pp.1 - 8

이영재 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 김지민 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 부앵 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 이재우 (건국대학교 항공우주정보시스템공학과) , 정인재 (국방과학연구소)

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A design study has been performed to obtain configuration and weight of a compound gyroplane. A study of research trends and characteristics was performed to develop the compound gyroplane sizing program. Based on these results, the sizing program has been developed and its suitability has been validated using existing compound gyroplane data. The subject air vehicles was a Challis Heliplane UAV, Carter Coptet, FB-1 Gyrodyne, and Jet Gyrodyne. As results, the program was suitable to size a compound gyroplane at conceptual design phase, because the greatest error rate was less than 10% and the conceptual design allowance error rate is less than 15%.

주제어

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문제 정의

그러나 70년이 지난 근래에 이르러 복합비행체의 연구와 개발이 다시 활발하게 이루어지고 있다. 기존 항공기가 지닌 한계를 극복하기 위해서이다.
본 연구에서는 복합비행체중 복합 자이로플레인의 Sizing 프로그램 개발에 초점을 맞추었다. 기반프로그램은 미국 보잉 버톨(Boeing Vertol)사에서 개발한 회전익 비행체 Sizing 프로그램인 HESCOMP와 건국대학교의 CRW Sizing 프로그램이다.

가설 설정

또한 복잡한 허브를 가지고 있는 헬리콥터와는 달리 복합 자이로플레인의 허브는 매우 단순한 형태이므로 허브의 무게와 크기를 감소시켰다. 로터의 경우, VTOL(Vertical Takeoff and Landing), STOL(Short Takeoff and Landing) 복합 비행체 모두 이륙을 할 때에 양력의 전부를 로터에서 생성하는 것으로 가정하고 Sizing을 수행하게끔 하였다. STOL의 경우에도 로터에 빠른 RPM을 가해 순간적으로 수직에 가깝게 이륙하는 'Jump Takeoff‘ 기동이 가능하기 때문이다.

제안 방법

Sizing 프로그램을 통해 얻어진 데이터를 토대로 실제 형상과 얼마나 유사한지를 확인하기 위해 비행체 형상을 구현해 보았다. 시뮬레이션을 통한 비행 성능 테스트를 위해 X-Plane [14]을 이용해 형상을 구현하였으며, 구현된 형상 결과는 Fig 5와 같다.
본 연구를 통해 복합비행체의 특성과 장단점, 국내외 연구동향을 분석하고 Sizing 기법을 연구하여 프로세스를 정립하였다. 개념 설계 단계에서는 로터 양력분담률과 Bw/D가 형상 결정에 가장 큰 영향을 미치는 변수이므로 이를 토대로 설계가 진행되도록 Sizing 프로그램을 개발하였다. 이러한 결과들을 가지고 실제 개발된 비행체를 통해 프로그램의 적합성을 검증하였다.
STOL의 경우에도 로터에 빠른 RPM을 가해 순간적으로 수직에 가깝게 이륙하는 'Jump Takeoff‘ 기동이 가능하기 때문이다. 날개의 경우 순항을 할 때에 로터의 자전성을 고려 하여 날개의 면적을 계산해야 하므로 순항 시의 로터 양력분담률(Rotor Lift Sharing Factor)을 이용해 계산하도록 하였다. 주익 Span의 경우에는 Bw/D(Wing Span / Rotor Diameter Ratio)를 적용하여 계산이 가능하도록 구성하였다.
한편 헬리콥터의 경우, 로터에서 100% 양력과 추력을 발생시키지만 복합 자이로플레인은 엔진에서 추력을 발생시키고 비행 상태에 따라 주익과 로터에서 각각 양력을 분담한다. 따라서 이에 적합한 공력해석 모듈과 요구동력해석 모듈을 구성하였다. 여기서 주익과 로터의 양력분담률과 비행체에 유입되는 공기의 유입방향(Inflow), 그리고 그에 따른 로터와 주익사이의 간섭 (Interference)을 고려하였다.
실제 개발되고 있는 복합 자이로플레인 데이터를 이용하여 코드의 적합성을 검증하였다. STOL은 Carter Copter [10], Challis사의 Heliplane UAV [11], 그리고 FB-1 Gyrodyne을 대상으로 선정하였으며, VTOL은 1950년대에 개발된 Jet Gyrodyne을 대상으로 선정하였다.
따라서 이에 적합한 공력해석 모듈과 요구동력해석 모듈을 구성하였다. 여기서 주익과 로터의 양력분담률과 비행체에 유입되는 공기의 유입방향(Inflow), 그리고 그에 따른 로터와 주익사이의 간섭 (Interference)을 고려하였다. 헬리콥터의 경우 공기의 유입이 로터위에서 아래로 향하지만 복합 자이로플레인은 기체의 아래에서 로터를 거쳐 위로 향하므로 간섭이 많이 발생하지 않는다.
기반프로그램은 미국 보잉 버톨(Boeing Vertol)사에서 개발한 회전익 비행체 Sizing 프로그램인 HESCOMP와 건국대학교의 CRW Sizing 프로그램이다. 이 중 HESCOMP는 다양한 형태의 회전익 항공기 Sizing이 가능한데, 이중 복합 자이로플레인과 가장 유사한 Winged Helicopter를 모체로 프로그램을 개발하였다. [7]
형상과 중량해석 모듈에서도 기존 헬리콥터에서 추가로 날개가 장착되어 있는 형태를 고려하였고 테일로터가 없는 대신 수평·수직 미익에 대한 해석을 고려하였다.

대상 데이터

실제 개발되고 있는 복합 자이로플레인 데이터를 이용하여 코드의 적합성을 검증하였다. STOL은 Carter Copter [10], Challis사의 Heliplane UAV [11], 그리고 FB-1 Gyrodyne을 대상으로 선정하였으며, VTOL은 1950년대에 개발된 Jet Gyrodyne을 대상으로 선정하였다. [12] Table 1부터 4까지는 검증 결과를 나타낸다.

데이터처리

Sizing 프로그램을 통해 얻어진 데이터를 토대로 실제 형상과 얼마나 유사한지를 확인하기 위해 비행체 형상을 구현해 보았다. 시뮬레이션을 통한 비행 성능 테스트를 위해 X-Plane [14]을 이용해 형상을 구현하였으며, 구현된 형상 결과는 Fig 5와 같다. 비행체 데이터는 Carter Copter를 기반으로 하였으며, 구현된 비행체 형상 결과 보면 실제 Carter Copter와 상당부분 유사함을 알 수 있다.
개념 설계 단계에서는 로터 양력분담률과 Bw/D가 형상 결정에 가장 큰 영향을 미치는 변수이므로 이를 토대로 설계가 진행되도록 Sizing 프로그램을 개발하였다. 이러한 결과들을 가지고 실제 개발된 비행체를 통해 프로그램의 적합성을 검증하였다. 검증 결과 개발된 Sizing 프로그램은 10% 미안의 오차율을 보여 개념설계 단계에 적합하다는 사실을 입증하였다.

이론/모형

본 연구를 통해 복합비행체의 특성과 장단점, 국내외 연구동향을 분석하고 Sizing 기법을 연구하여 프로세스를 정립하였다. 개념 설계 단계에서는 로터 양력분담률과 Bw/D가 형상 결정에 가장 큰 영향을 미치는 변수이므로 이를 토대로 설계가 진행되도록 Sizing 프로그램을 개발하였다.

성능/효과

이러한 결과들을 가지고 실제 개발된 비행체를 통해 프로그램의 적합성을 검증하였다. 검증 결과 개발된 Sizing 프로그램은 10% 미안의 오차율을 보여 개념설계 단계에 적합하다는 사실을 입증하였다. 그러나 복합 자이로플레인 연구 개발 사례가 극히 적으므로 향 후 더 많은 비행체를 통해 프로그램의 적합성을 향상시켜야 한다.
시뮬레이션을 통한 비행 성능 테스트를 위해 X-Plane [14]을 이용해 형상을 구현하였으며, 구현된 형상 결과는 Fig 5와 같다. 비행체 데이터는 Carter Copter를 기반으로 하였으며, 구현된 비행체 형상 결과 보면 실제 Carter Copter와 상당부분 유사함을 알 수 있다.
Table 1부터 5까지, STOL 복합 자이로플레인과 VTOL 복합 자이로플레인 모두 결과 오차율이 10% 미만을 보이는 것을 알 수 있다. 일반적으로 개념설계 단계에서의 허용 오차율이 15%인 점을 감안하면, 본 연구를 통해 개발된 Sizing 프로그램은 개념설계 단계에 적합하다고 할 수 있다. [13] 그러나 현재까지 개발된 복합 자이로플레인의 수가 극히 드문 만큼 다른 유사한 비행체와 새로운 복합 자이로플레인을 통한 지속적인 검증과 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반 프로그램 또는 공력 실험을 통한 비행체 형상 및 비행가능성 여부 확인이 추가적으로 진행되어야 한다.

후속연구

국내 기업인 동해기계항공은 2000년 5월, 자이로플레인 ‘담비’ 의 개발에 착수해 2003년에 개발을 완료하였다. 23m의 이륙거리와 3m의 착륙 거리가 필요한 담비는 레저용뿐만 아니라, 환경 감시, 관측, 농약살포에도 사용될 것으로 전망하고 있다. [5]
일반적으로 개념설계 단계에서의 허용 오차율이 15%인 점을 감안하면, 본 연구를 통해 개발된 Sizing 프로그램은 개념설계 단계에 적합하다고 할 수 있다. [13] 그러나 현재까지 개발된 복합 자이로플레인의 수가 극히 드문 만큼 다른 유사한 비행체와 새로운 복합 자이로플레인을 통한 지속적인 검증과 CFD(Computational Fluid Dynamics) 기반 프로그램 또는 공력 실험을 통한 비행체 형상 및 비행가능성 여부 확인이 추가적으로 진행되어야 한다.
검증 결과 개발된 Sizing 프로그램은 10% 미안의 오차율을 보여 개념설계 단계에 적합하다는 사실을 입증하였다. 그러나 복합 자이로플레인 연구 개발 사례가 극히 적으므로 향 후 더 많은 비행체를 통해 프로그램의 적합성을 향상시켜야 한다. 또한 로터 양력분담률과 Bw/D가 변화함에 따라 형상이 어떻게 정해지는 지를 연구하고 이를 토대로 형상최적설계도 함께 진행시켜야 할 것이다.
그러나 복합 자이로플레인 연구 개발 사례가 극히 적으므로 향 후 더 많은 비행체를 통해 프로그램의 적합성을 향상시켜야 한다. 또한 로터 양력분담률과 Bw/D가 변화함에 따라 형상이 어떻게 정해지는 지를 연구하고 이를 토대로 형상최적설계도 함께 진행시켜야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합비행체란 무엇인가?	복합비행체란 기존 회전익 항공기에 날개와 추가 추진 시스템을 장착한 비행체이다. 이를 통해 복합비행체는 고속에서 로터에 요구되는 하중을줄임으로서 실속 및 압축성 효과에 의한 손실을 감소시켜 고속비행이 가능하다.
	산업적 측면에서 복합비행체 연구가 중요한 이유는 무엇인가?	기술적으로 복합비행체의 개발은 선진국에서도 아직 연구단계에 있는 미개척 분야이므로 우리에게도 충분히 연구하여 운용할 가능성이 큰 분야이다. 산업적으로도 복합비행체는 고정익과 회전익의 장점을 고루 갖춘 항공기이므로 활주로를 건설하기 어려운 도심에서 바로 이착륙할 수있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 인력 및 물자 수송용으로 개발을 한다면 수송비용과 시간을 대폭 감소시킬 수 있고, 이용의 편리성을 도모할수 있다. 그리고 이는 도심의 극심한 교통 혼잡 문제를 해결할 수 있을 것으로 전망하고 있다. 또한 도심과 산림의 화재 발생 시 화재진압용으로도 사용이 가능하다. [1] 또한 복합비행체는 산악이 많은 한국 지형에서 탁월한 기동성을 발휘할 수 있고 화학 무기로 인해 오염된 지역에서도 운용이 가능하므로 국방력 강화에 크게 일조할 것으로 예측되어 군사적인 중요성도 가지고 있다.
	복합비행체는 어떻게 고속비행이 가능한가?	복합비행체란 기존 회전익 항공기에 날개와 추가 추진 시스템을 장착한 비행체이다. 이를 통해 복합비행체는 고속에서 로터에 요구되는 하중을줄임으로서 실속 및 압축성 효과에 의한 손실을 감소시켜 고속비행이 가능하다. 기존 회전익 항공기가 고속에서 로터를 앞으로 기울여 추력을 발생시키는데 비해 복합비행체는 터보프롭 또는 터보팬 엔진을 이용해 추력을 발생시킨다.

참고문헌 (14)

이재우, "복합비행체 Sizing 프로그램 및 자동형상구현 시스템 구축", 국방과학연구소 연구 용역 제안서, 건국대학교 산학협력단, 2008.10.
Dr. Dan Schrage, "DARPA Heliplane", Georgia Tech
Jay Groen, "Groen Borthers Aviation : Autogyros in the 21st Century", AIAA/ICAS International Air and Space Symposium and Exposition : The Next 100 Years, 14-17th July, 2003, Dayton, Ohio, USA
이영재, 강호정, 김지민, 이재우, 정인재, "복합비행체의 오늘과 미래", KSAS 매거진, 한국항공우주학회, 2009.7
동해기계항공 항공사업부, 담비 홈페이지, cafe.naver.com/dambiair
김종환, "다중 비행 모드를 갖는 Canard Rotor/Wing 항공기 최적 설계에 관한 연구", 건국대학교 대학원 항공우주공학과, 2003.12
S. Jon Davis, J. S. Wisniewski, User's Manual for HESCOMP, The helicopter Sizing and Performance Computer Program, Boeing Vertol Company, 1973.9
Byung Ho Ahn, Han Gil Chae, "Gyroplane Level 1 Trim Analysis", Theory Manual, Alpha Engineering, 2009.9
이영재, 김지민, 강호정, 부 앵, 이재우, 정인 재, "복합 자이로플레인의 형상설계 및 Sizing 기법에 관한 연구", 한국항공운항학회 추계학술대회 논문집, 2009.11.25, pp90-95.
Carter Aviation Technologies Website, http://www.cartercopters.com
Challis Heliplane UAV Inc. http://www.challis-heliplan.com/v3/
Fairey Jet gyrodyne, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Fairey_Jet_Gyrodyne
최석민, "다정밀도 해석 기법을 이용한 무인항공기 다분야통합 최적설계에 관한 연구", 한석사학위논문, 건국대학교 대학원 항공우주정보시스템 공학과, 2010.2.
Laminar Research, "X-Plane 9 Program", Graphsim entertainment

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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