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문제 정의
- 이 연구에서는 한국항공우주산업(주)에서 진행되었던 소음관련 비행시험과 수치해석 사례에 대해서 살펴보았다.
제안 방법
- UH-60은 가장 널리 알려지고, 현재 우리 군에서도 사용하고 있는 헬리콥터이다. UH-60의 외부소음을 측정하여 전산 해석 방법과 비교하였다. 외부소음 측정 방법은 1.
- 음속 폭음 시험은 국내 여건상 해상에서 진행될 수밖에 없었다. 시험 방법은 해군 함정에 음속 폭음 측정을 위한 계측 장비를 탑재하고, 어선분포가 적은 해상에 정박하여, 시험 항공기가 임무 공역 진입, 음속돌파 비행 및 측정을 진행하였다. 측정요원은 해군 함정 내 UHF/VHF 통신장비로 비행현황 모니터링 및 상호 교신을 통해 시험을 수행하였다.
- 해석방법은 전산 유체역학을 이용하여 비정상(unsteady)해석을 수행하여 블레이드의 소음원을 추출한 후, FW-H eq.에 기반을 둔 전산 공력 소음 해석툴인 FlowNoise를 이용하여 소음해석을 수행한다.
- 제자리 비행시 소음을 방향별로 차이를 분석 하기 위하여 45°간격으로 시계방향으로 회전 하여 8차례 데이터를 획득하여 수행하였다.
- 주로터 반경의 약 9배의 유동장을 갖는 4개의 블레이드에 대해 정상상태(steady state) 해석을 수행하여 수렴시키고, 시간에 대한 비정상상태(unsteady state) 해석을 수행한 후, 공력 해석 데이터를 입력 받아 공력소음 해석을 수행하게 된다. 그림 11은 절차를 도시하였다.
- 그림 14는 전산해석 결과와 외부소음비행시험 결과를 비교하였다. 주로터만을 해석하였기 때문에 시험결과도 꼬리로터와 고주파수 영역을 필터링한 결과와 비교를 하였다. 비교 결과 주로터의 주파수와 잘 일치하나 주로터의 16/rev이상에서 부터는 CAA값이 작은 특성을 보이고 있다.
- 시험 방법은 해군 함정에 음속 폭음 측정을 위한 계측 장비를 탑재하고, 어선분포가 적은 해상에 정박하여, 시험 항공기가 임무 공역 진입, 음속돌파 비행 및 측정을 진행하였다. 측정요원은 해군 함정 내 UHF/VHF 통신장비로 비행현황 모니터링 및 상호 교신을 통해 시험을 수행하였다.
- 해석 조건은 UH-60의 제자리비행을 모사하기 위해 컬렉티브 피치각 8.5°일 때 해석을 수행하였다.
- 앞서 설명한 공력 소음 해석 방법 중 “3) CFD plus acoustic modeling” 의 방법을 이용하여 외부 소음 시험결과와 비교하였다. 해석방법은 전산 유체역학을 이용하여 비정상(unsteady)해석을 수행하여 블레이드의 소음원을 추출한 후, FW-H eq.에 기반을 둔 전산 공력 소음 해석툴인 FlowNoise를 이용하여 소음해석을 수행한다.
대상 데이터
- 음속 폭음 측정을 위해 준비된 장비는 sound intensity probe, 압력센서, data aquisition system, sound level meter, 기타(캠코더, 카메라)가 사용되었다.
데이터처리
- 앞서 설명한 공력 소음 해석 방법 중 “3) CFD plus acoustic modeling” 의 방법을 이용하여 외부 소음 시험결과와 비교하였다.
이론/모형
- UH-60의 외부소음을 측정하여 전산 해석 방법과 비교하였다. 외부소음 측정 방법은 1.2 m 정도 높이의 마이크로폰 시스템을 헬기로부터 150 m 떨어지게 설치함으로써 소음을 측정하고, 시험을 위한 대기 조건 등은 ICAO의 규정을 따랐다. 다음은 비행시험시의 대기 조건 예이다.
- 5°일 때 해석을 수행하였다. 전산해석은 상용 전산유체역학(CFD) 툴인 ANSYS CFX가 사용되었으며, 해석 방법은 아래와 같다.
성능/효과
- 그림 6은 SR-71의 음속 폭음시의 측정된 N-wave(상)의 예와 음속 폭음 시험 시 측정된 N-Wave(하)의 결과이다. 시험 결과 음속 폭음이 약한 충격음으로 밖에 들리지 않았고, 작은 측정값을 보였다. 이러한 비정상적으로 작은 측정 결과는 바람과 습도가 높은 해상에서 측정이 이루어졌고, 계측장비를 배경 소음이 크고(군함의 발전기 소음) 불안정한 함상에 설치하였기 때문인 것으로 보인다.
- 시험 결과 음속 폭음이 후부 연소기(afterburner)의 소음 수준보다 컸으나, 배경 소음에 비해 비정상적인 작은 소음이 측정되었다. NASA의 외부 소음 측정 방법과 비교하면, 비행 장소(해상 대 평야), 소음 측정 장비(마이크로폰 한 세트 대 마이크로폰 어레이 시스템), 소음 비행 횟수 등의 많은 차이가 있다.
후속연구
- NASA의 외부 소음 측정 방법과 비교하면, 비행 장소(해상 대 평야), 소음 측정 장비(마이크로폰 한 세트 대 마이크로폰 어레이 시스템), 소음 비행 횟수 등의 많은 차이가 있다. 이런 시험 조건이 결과를 훼손 시킨 것으로 보이며, 향후 음속 폭음 연구를 위해서는 시험 조건에 대한 정확한 구현 및 장비가 필요한 것으로 보인다.
- 현재 국내에서는 항공기의 소음 시험을 위한 제반 조건(시험 장소, 설비, 인력)이 매우 취약하다. 향후 학계와 산업체 그리고 정부(군)의 소음에 대한 인식 공유와 기술 교류를 통해 국내의 소음 감소 기술의 향상을 기대해 본다.
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