한국형기동헬기(KUH)는 국내 최초로 개발된 헬기로서, 2010년 3월 초도 비행을 시작으로 2012년 6월 체계 개발을 성공적으로 종료하였다. 비행시험 단계에서 다양한 진동문제가 발생하였으며 이를 제어하기 위해 적절한 진동저감장치를 설계하고 적용하였다. 한국형 기동헬기의 주요 진동 성분인 $4{\Omega}$ 주파수 진동 저감을 위해 주로터 블레이드, 주기어박스 지지부, 조종실, 승객실 그리고 조종좌석에 진동저감장치를 적용하였다. 또한, 테일-쉐이크 진동 제어를 위해 돔페어링을 적용하였다. 본 논문에서는 한국형 기동헬기에 적용된 진동저감장치들의 해석 및 설계 기법과 비행시험 결과를 제시한다.
한국형기동헬기(KUH)는 국내 최초로 개발된 헬기로서, 2010년 3월 초도 비행을 시작으로 2012년 6월 체계 개발을 성공적으로 종료하였다. 비행시험 단계에서 다양한 진동문제가 발생하였으며 이를 제어하기 위해 적절한 진동저감장치를 설계하고 적용하였다. 한국형 기동헬기의 주요 진동 성분인 $4{\Omega}$ 주파수 진동 저감을 위해 주로터 블레이드, 주기어박스 지지부, 조종실, 승객실 그리고 조종좌석에 진동저감장치를 적용하였다. 또한, 테일-쉐이크 진동 제어를 위해 돔페어링을 적용하였다. 본 논문에서는 한국형 기동헬기에 적용된 진동저감장치들의 해석 및 설계 기법과 비행시험 결과를 제시한다.
Korean Utility Helicopter(KUH) is the first korean-developed helicopter. Its first flight was performed in March 2010 and then its development was completed successfully by June 2012. During flight test phase, KUH faced various vibration problems and appropriate vibration-reduction devices were desi...
Korean Utility Helicopter(KUH) is the first korean-developed helicopter. Its first flight was performed in March 2010 and then its development was completed successfully by June 2012. During flight test phase, KUH faced various vibration problems and appropriate vibration-reduction devices were designed and applied to solve the problems. The vibration-reduction devices were applied to main rotor blades, main gear box(MGB) supporting structure, cockpit, cabin and pilot seats to reduce rotor-induced 4/rev vibration. Also, dome-fairing was introduced in order to reduce the tail-shake vibration. This paper shows design technique and flight test results for vibration-reduction devices that have been incorporated into KUH.
Korean Utility Helicopter(KUH) is the first korean-developed helicopter. Its first flight was performed in March 2010 and then its development was completed successfully by June 2012. During flight test phase, KUH faced various vibration problems and appropriate vibration-reduction devices were designed and applied to solve the problems. The vibration-reduction devices were applied to main rotor blades, main gear box(MGB) supporting structure, cockpit, cabin and pilot seats to reduce rotor-induced 4/rev vibration. Also, dome-fairing was introduced in order to reduce the tail-shake vibration. This paper shows design technique and flight test results for vibration-reduction devices that have been incorporated into KUH.
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문제 정의
또한, 주로터 마스트의 후류에 의한 테일-세이크(Tail-Shake) 진동 개선을 위해 돔페어링이 적용되었다. 본 논문에서는 한국형 기동헬기에 적용된 진동저감장치들의 해석 및 설계 기법과 비행시험을 통해 확인된 진동 저감 효과를 제시한다.
본 논문에서는 한국형 기동헬기의 주요 진동 성분인 4Ω 주파수 진동과 테일-쉐이크 현상을 제어하기 위해 적용된 진동저감장치의 해석 및 설계 기법을 보이고 비행시험을 통해 확인된 진동 저감 효과를 제시하였다.
제안 방법
돔페어링에 의한 테일-쉐이크 현상 개선효과를 확인하기 위해 수직미익에 센서를 장착하고 비행 시험을 수행하였다. Fig.
주요 진동 성분인 4Ω 주파수 진동 저감을 위해 한국형 기동헬기에는 주로터 블레이드, 주기어박스 지지부, 조종실, 승객실 그리고 조종좌석에 진동저감장치가 적용되었다. 또한, 주로터 마스트의 후류에 의한 테일-세이크(Tail-Shake) 진동 개선을 위해 돔페어링이 적용되었다. 본 논문에서는 한국형 기동헬기에 적용된 진동저감장치들의 해석 및 설계 기법과 비행시험을 통해 확인된 진동 저감 효과를 제시한다.
18과 같이 조종좌석 상부에 코일-스프링, 샤프트, 고정질량, 보정질량 등으로 구성된 진동흡수기를 장착하였다. 보정질량은 4Ω 주파수에 튜닝이 용이하도록 설계하였다.
이러한 분석 결과에 따라 3Ω와의 관계로 인한 하중 증가를 제어하기 위해 블레이드의 2차 플랩 모드를 감소시키는 것이 효과적임을 확인하였다. 블레이드의 2차 플랩 모드를 효과적으로 감소시키기 위해 Fig. 4와 같이 모드형상 분석에 따라 블레이드 길이 방향의 40% 위치와 90% 위치에 질량을 블레이드 내부에 추가하였다.
한국형 기동헬기는 국내 최초로 개발된 헬기로서, 2010년 3월 초도 비행을 시작으로 2012년 6월 체계 개발을 성공적으로 종료하였다. 비행시험 단계에서 다양한 진동문제가 발생하였으며, 이를 제어하기 위해 적절한 진동저감장치를 설계하고 적용하였다. 헬기의 진동은 회전하는 블레이드의 플래핑(Flapping)과 리드-래그(Lead-Lag) 운동에 의해 생성된 하중에 의해 유발된다.
스프링플레이트의 종방향 강성 변화에 따른 하중전달율을 Fig. 8과 같이 분석하여 4Ω에서의 하중전달율이 64%에서 56%로 개선되는 스프링플레이트의 강성을 확인하고 설계에 반영하였다.
승객실 진동흡수기는 Fig. 14와 같이 좌측 승객실 프레임(Frame)위치에 장착 하였으며, 코일 스프링(Coil-Spring)을 적용하여 승객실 측면의 공간에 장착이 가능하도록 설계하였다. 요구질량 분석을 통해 고정질량을 결정하고 4Ω 주파수에 튜닝이 용이하도록 보정질량을 설계하였다.
승객실 진동흡수기의 진동저감 효과를 확인하기 위해 좌측 승객실 바닥에 센서를 장착하고, 속도별 수평비행에서 진동을 측정하였다. Fig.
요구질량 분석을 통해 고정질량을 결정하고 4Ω 주파수에 튜닝이 용이하도록 보정질량을 설계하였다.
16과 같이 조종실 좌우측 바닥 하부의 장착 공간을 고려하여 캔틸레버(Cantilever) 형상의 진동흡수기를 장착하였다. 요구질량 분석을 통해 우측 질량부와 좌측 질량부를 설계하였다. 주파수 튜닝을 목적으로 질량부의 위치 이동을 위한 슬롯(Slot)과 질량부의 플래핑 운동으로 인한 미끄러짐 현상을 방지하기 위한 스토퍼(Stopper)를 설계하였다.
13과 같이 가진 시험을 구성하였으며 진동흡수기가 장착될 위치에서 4Ω 성분의 진동에 대한 주요 구조 위치에서 응답을 측정하였다. 이를 이용하여 전달함수 및 동적 특성을 분석하고 진동흡수기 장착 위치의 유효성 및 요구질량 분석을 수행하였다.
조종실 진동흡수기의 진동저감 효과를 확인하기 위해 조종실 바닥에 센서를 장착하고, 속도별 수평비행에서 진동을 측정하였다. Fig.
조종좌석 좌우방향의 진동을 저감하기 위해 Fig. 18과 같이 조종좌석 상부에 코일-스프링, 샤프트, 고정질량, 보정질량 등으로 구성된 진동흡수기를 장착하였다. 보정질량은 4Ω 주파수에 튜닝이 용이하도록 설계하였다.
조종좌석 진동흡수기의 진동저감 효과를 확인 하기 위해 Fig. 20과 같이 조종좌석 패드에 인체 진동 평가를 위한 센서를 장착하였다. 인체진동센서는 조종좌석의 진동이 조종사 인체에 미치는 영향을 확인하기 위해 기존의 센서와는 달리 조종사가 깔고 앉을 수 있도록 둥글고 납작한 형태의 센서이다[9].
주로터 블레이드 동특성 변화에 따른 진동저감 효과를 확인하기 위해 일정한 고도에서 수평 비행 조건의 비행시험을 수행하였다. Fig.
주로터 허브 4Ω 하중 성분 중 Mx, My 모멘트가 동체 진동에 대한 기여도가 가장 높다는 것을 NASTRAN을 이용한 진동 해석을 통해 Fig. 2와 같이 확인하였다.
요구질량 분석을 통해 우측 질량부와 좌측 질량부를 설계하였다. 주파수 튜닝을 목적으로 질량부의 위치 이동을 위한 슬롯(Slot)과 질량부의 플래핑 운동으로 인한 미끄러짐 현상을 방지하기 위한 스토퍼(Stopper)를 설계하였다.
항공기의 동적 특성을 분석하고 진동흡수기 의장착 유효성 및 요구질량 분석을 위해 전기체 가진 시험을 수행하였다. Fig.
성능/효과
Fig. 12와 같이 최대수평비행속도에서 8.5Hz와 2Ω 성분의 진동이 60~80% 저감되는 효과를 확인하였다.
이러한 분석 결과에 따라 3Ω와의 관계로 인한 하중 증가를 제어하기 위해 블레이드의 2차 플랩 모드를 감소시키는 것이 효과적임을 확인하였다.
일정 고도에서 속도별 수평비행 결과를 통해 동체의 4Ω 진동이 20~40% 저감되는 효과를 확인하였으며, 특히 주기어박스의 구동축과 직접 연결된 엔진의 진동 수준은 30~50% 개선되는 효과를 확인하였다
19와 같이 확인하였다. 조종좌석 진동흡수기 장착에 의해 조종좌석의 응답이 4Ω (18.1Hz)에서 70% 감소됨을 확인하였다.
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