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문제 정의
- 본 연구에서는 단일 로터 깃의 공력 성능 특성 파악을 위해 구축된 로터 시험장비와 부분적인 지면효과를 모사할 수 있는 이동식 바닥면을 이용하여 저 레이놀즈 수(Re≈3×105) 영역에서 운용되는 단일 로터의 제자리 비행 시 부분적 지면효과가 로터의 공력 성능에 미치는 영향에 대한 실험을 수행하였으며, 실험을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 이러한 실험 결과를 바탕으로 본 논문에서는 로터 깃의 개수와 부분적인 지면효과가 고려된 새로운 경험식을 도출하였다. 실험결과를 이용하여 로터 깃의 개수가 고려된 추력비는 식(2)로 표현할 수 있다.
- 이에 본 논문에서는 단일로터 깃의 공력 데이터 및 성능 특성 파악을 위해 구축된 로터 시험 장비와 부분적인 지면효과를 모사할 수 있는 이동식 바닥면을 이용하여 저 레이놀즈 수 (Re≈3×105) 영역에서 운용되는 단일로터의 제자리 비행 시 부분적 지면효과가 로터의 공력 성능에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하였다.
- 현재 본 연구의 최종 목표인 동축반전 로터블레이드에 대한 제자리 비행 성능 실험 및 부분 적인 지면효과 하에서의 제자리 비행 성능 특성을 측정하기 위한 실험이 진행 중이다. 또한 본 연구에서 획득한 단일로터 제자리 비행 성능 데이터와 부분적인 지면조건 하에서의 성능 데이터를 검증하기 위해 기 개발된 장속도 기법을 적용한 자유후류 모델과 연계된 비정상 용출 및 중첩 패널 코드[13]에 지면효과에 대한 해석 기법을 추가한 연구를 진행할 예정이다.
제안 방법
- 3. 로터와 지면 사이의 거리, 로터 깃의 개수, 부분적인 지면효과가 고려된 추력비를 구하는 새로운 식을 도출하였다.
- 315로 일정하게 유지한 상태에서 콜렉티브 피치각을 0°~ 11°까지 1°씩 변화시키며 데이터를 측정하였다. 각각의 콜렉티브 피치각에 대하여 10초간 데이터를 저장하여 평균 추력과 토크를 측정하였고, 실험 결과의 신뢰성을 확인하기 위해 각각의 경우에 대하여 3~4회 반복 실험을 수행하였다.
- 먼저 로터면과 지면이 겹치는 면적을 일정 간격으로 변화시켜 가며 부분적 지면효과를 적용하여 로터 성능의 변화를 측정하였고, 로터 깃의 개수가 2개, 4개일 때의 부분적 지면효과에 의한 성능의 차이를 비교하였다. 그리고 피치각에 따른 추력의 증가율을 통하여 부분적인 지면효과가 로터의 공력특성에 어떠한 영향을 미치는 지를 파악하였다. 이러한 실험결과를 토대로 로터 깃의 개수와 부분적인 지면효과가 고려된 새로운 지면효과 경험식을 도출하였다.
- 로터 성능 실험은 깃끝 마하수를 Mtip=0.315로 일정하게 유지한 상태에서 콜렉티브 피치각을 0°~ 11°까지 1°씩 변화시키며 데이터를 측정하였다.
- 회전장치부는 로터 허브와 동력 전달 장치로 구성되어 있다. 로터 허브는 플래핑 힌지가 있는반 관절형 방식의 4-블레이드 허브로 구성하였으며, 동력전달장치는 5.4:1의 감속 기어비를 가지는 2개의 2kW급 브러시리스 모터로 구성하였다.
- 로터의 트래킹(Tracking) 및 평형(Balancing) 교정 실험은 Fig. 7과 같이 로터 회전 시험장치에 포토센서와 진동센서를 장착하고, 각각의 로터 깃의 끝에 반사 테이프를 부착하여 수행하였다.
- 로터의 평형(Balancing) 교정을 위해서 먼저 각각의 깃에 아무것도 부착하지 않은 초기 상태에서 로터의 진동을 측정하였다. 측정 결과 운용 허용범위인 2.
- ) 영역에서 운용되는 단일로터의 제자리 비행 시 부분적 지면효과가 로터의 공력 성능에 미치는 영향에 대하여 연구를 수행하였다. 먼저 로터면과 지면이 겹치는 면적을 일정 간격으로 변화시켜 가며 부분적 지면효과를 적용하여 로터 성능의 변화를 측정하였고, 로터 깃의 개수가 2개, 4개일 때의 부분적 지면효과에 의한 성능의 차이를 비교하였다. 그리고 피치각에 따른 추력의 증가율을 통하여 부분적인 지면효과가 로터의 공력특성에 어떠한 영향을 미치는 지를 파악하였다.
- 부분적인 지면효과가 있을 때 로터 깃의 제자리 비행 성능 실험은 로터와 지면과의 거리와 로터 깃의 길이 비(H/R)가 0.8일 때를 기준으로 수행하였다. 실험은 Fig.
- 부분적인 지면효과를 모사하기 위한 이동식 바닥면의 넓이는 12.96m2 (3.6m×3.6m)로 제작하였으며, 높이와 각도를 조절할 수 있게 설계하였다.
- 시험장치에 설치 된 하중 측정장치를 이용하여 지면효과가 없을 때와 부분적인 지면효과가 작용할 때의 콜렉티브 피치각 변화에 따른 추력및 토크를 측정하였다. 3~4회 반복하여 추력과 토크를 측정한 결과, 측정치의 최대 오차는 0.
- 시험장치의 정확도를 보증하기 위하여 하중 측정장치에 대한 교정 실험[9] 및 로터의 트래킹 (Tracking) 및 평형(Balancing) 교정 실험을 먼저 수행하였다.
- 실험은 Fig. 9와 같이 FGE(Full Ground Effect, ∞)일 때와 OGE(Out of Ground Effect -∞), 로터면과 지면이 겹치는 거리와 로터 직경의 비(d/D)가 각각 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1일 때, 총 7가지 경우에 대하여 수행하였으며 실험 결과의 신뢰성을 확인하기 위해 각각의 경우에 대하여 3~4회 반복 실험을 수행하였다.
- 본 실험의 모든 과정은 실험 프로그램에 의해 제어된다. 실험은 로터 회전 시험장치에 5kW급 정류기를 통해 전력을 인가한 후 실험 프로그램을 작동시켜 로터가 회전함과 동시에 시작되며, 실험 시작과 동시에 로터의 회전속도, 추력, 토크가 각각 포토센서(Autonics, BF3RX)와 로드셀 (BONGSHIN, DBBP-500, Error 0.5%)에 의해 실시간으로 측정된다.
- 그리고 피치각에 따른 추력의 증가율을 통하여 부분적인 지면효과가 로터의 공력특성에 어떠한 영향을 미치는 지를 파악하였다. 이러한 실험결과를 토대로 로터 깃의 개수와 부분적인 지면효과가 고려된 새로운 지면효과 경험식을 도출하였다.
- 8m의 높이에 위치하도록 설치하였다. 이를 통하여 유도 공기흐름에 의한 지면 효과 및 벽면 효과 등의 제약을 받지 않도록 하여 실험 시 데이터의 신뢰성을 확보할 수 있게 하였다.
- 지면효과가 없을 때(Out of Ground Effect, OGE) 로터 깃의 제자리 비행 성능 실험은 실험의 신뢰성을 도모하고 벽면 효과(Wall effect)를 최소화하기 위하여 모든 벽이 구멍이 있는 철망으로 된 항공우주연구원의 로터 시험동에서 실시하였다[10]. 또한 제자리 비행 상태에서 서로 다른 깃면 하중(Blade loading)을 가진 로터 깃의 지면으로부터 높이에 따른 추력비의 변화를 실험한 다양한 연구를 통해 지면효과는 지면에 대한 로터 회전면의 높이가 로터 깃 반지름의 약 2.
대상 데이터
- 소형 로터 깃의 추력과 토크를 측정하기 위한 로터 회전 시험장치는 Fig. 3와 같이 회전장치부, 센서부 및 포스트로 구성하였다.
- 실험에 사용된 로터 깃은 NACA 0015 익형의 매끈한 표면을 가지며 코드길이 0.059m, 비틀림 각과 테이퍼가 없는 사각 깃을 이용하였으며, 그 형상은 Fig. 4, 상세 제원은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 1. 로터 깃의 개수가 2개, 4개일 때 모두 동력이 다른 조건에서 추력은 동일하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
- 2. 지면효과가 없을 때(OGE) 부터 d/D가 0.25일 때 까지는 로터 깃의 개수 차이에 상관없이 추력비가 약 1% 미만으로 지면효과가 작용하지 않을 때 발생하는 추력과 거의 차이가 없었다. 하지만 d/D≥0.
- 시험장치에 설치 된 하중 측정장치를 이용하여 지면효과가 없을 때와 부분적인 지면효과가 작용할 때의 콜렉티브 피치각 변화에 따른 추력및 토크를 측정하였다. 3~4회 반복하여 추력과 토크를 측정한 결과, 측정치의 최대 오차는 0.44%로 비교적 정확한 실험 결과를 획득할 수있었다.
- 4. d/D가 증가함에 따라 로터에서 발생하는 추력의 크기가 클수록 요구되는 동력은 감소한다. 이는 추력이 증가할수록 유도속도가 감소하는 비율이 훨씬 크기 때문이다.
- 5. 피치각이 클수록 유입류의 속도(vi)가 증가 하여 유효 받음각(Effective angle of attack, αeff) 이 증가하는 비율이 피치각이 작을 때보다 감소하므로 추력 변화율은 피치각의 크기가 클수록 감소하는 경향을 나타낸다.
- 따라서 로터면이 지면과 모두 겹치기 시작할 때(d/D≥1)부터는 완전한 지면효과의 영향을 받고, 로터면이 지면과 겹치지 않는 부분(d/D≤0) 부터는 지면효과의 영향을 거의 받지 않는다는 것을 보임으로써 실험의 신뢰성을 확인할 수 있 었다.
- 89%)의 값을 획득할 수있었다. 또한 UH-1C와 OH-6A의 실험을 비교한결과 로터 깃의 개수가 2개일 때와 4개일 때 모두 기존 연구결과와 유사한 측정값을 획득하여 실험의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
- 11은 로터 깃의 개수가 2개, 4개일 때의 부분적인 지면효과에 대한 로터의 추력비를 다양한 CP/σ에서 비교한 결과이다. 로터 깃의 개수가 2개, 4개일 때 모두 동력이 다른 조건에서 추력은 동일하게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
- 10은 측정된 추력과 토크를 이용하여 추력계수에 대한 동력계수의 비로 나타낸 결과이다. 로터 깃의 개수가 2개일 때와 4개일 때 결과 모두 완전한 지면효과의 영향을 받을 때(FGE)와 d/D=1, 지면효과의 영향을 받지 않을 때(OGE) 와 d/D=0인 경우에는 거의 같은 결과를 나타내었다.
- 부분적인 지면효과에 대한 추력비와 동력비에서 확인할 수 있듯 로터면이 지면과 겹치는 부분이 클수록 지면효과의 영향을 크게 받아 로터 성능의 이득을 얻을 수 있었다.
- 12는 로터 깃의 개수가 2개, 4개일 때의 부분적인 지면효과에 대한 로터 추력비의 평균값을 나타낸 결과이다. 완전한 지면효과의 영향을 받을 때(FGE), 로터 깃의 개수가 2개일 때는 지면효과의 영향이 없을 때(OGE) 보다 10.93%, 4개일 때는 11.42%의 추력이 더 발생하였다. 또한 지면효과가 없을 때(OGE) 부터 d/D가 0.
- 5인 경우 Itoga의 실험 결과[12]를 근사식(4)로 나타낸 그래프이다. 전반적으로 근사식이 실험치와 일치하는 경향을 보이며, Itoga의 실험결과와도 상당히 잘 일치하는 것을 확인할수 있었다.
- 14는 로터 깃의 개수가 2개, 4개일 때의 부분적인 지면효과에 대한 로터의 동력비를 다양한 CT/σ에서 비교한 결과이다. 전체적으로는 로터 깃의 개수가 2개, 4개일 때 모두 요구 동력은 지면효과의 영향이 클수록 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. 여기서 주목할 점은 d/D가 증가 함에 따라 로터에서 발생하는 추력의 크기가 클수록 요구 동력은 감소한다는 점이다.
- 로터의 평형(Balancing) 교정을 위해서 먼저 각각의 깃에 아무것도 부착하지 않은 초기 상태에서 로터의 진동을 측정하였다. 측정 결과 운용 허용범위인 2.0IPS(Inch/Second)보다 높은 2.7IPS 의 측정값을 획득하여, 총 10번의 교정실험을 통해 얻은 자료를 기반으로 계산을 통해 Fig. 8과 같이 1번 로터 깃에 교정 테이프를 이용, 1g을 추가하여 운용 허용범위 내에 들어오는 1.2IPS의 값을 획득하여 교정을 완료하였다.
- 하중 측정장치 교정 실험은 Fig. 6과 같이 실하중 분동을 이용하여 추력 및 토크 방향으로 하중을 인가하면서 실시하였고, 실험 결과 추력방향으로 최대 0.27%, 토크 방향으로 최대 0.17%의 오차 범위 내에서 교정을 완료하였다.
- 하지만 d/D≥0.25부터는 로터 깃의 개수 4개일 때가지면효과의 영향을 더 크게 받아 로터 깃의 개수가 2개일 때보다 추력비가 약간 더 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
- 하지만 d/D≥0.3부터는 로터 깃의 개수 4개일 때가 2개일 때보다 지면효과의 영향을 더 크게 받아 추력비가 약간 더 증가하는 것을 확인할 수있었다.
후속연구
- 현재 본 연구의 최종 목표인 동축반전 로터블레이드에 대한 제자리 비행 성능 실험 및 부분 적인 지면효과 하에서의 제자리 비행 성능 특성을 측정하기 위한 실험이 진행 중이다. 또한 본 연구에서 획득한 단일로터 제자리 비행 성능 데이터와 부분적인 지면조건 하에서의 성능 데이터를 검증하기 위해 기 개발된 장속도 기법을 적용한 자유후류 모델과 연계된 비정상 용출 및 중첩 패널 코드[13]에 지면효과에 대한 해석 기법을 추가한 연구를 진행할 예정이다.
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