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2차원 축소확대노즐의 추력편향특성 실험연구
Experimental Study of the Thrust Vectoring Characteristics in a Two-Dimensional Convergent-Divergent Nozzle 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.17 no.2, 2013년, pp.84 - 93  

유두환 (전북대학교 항공우주공학과) ,  최성만 (전북대학교 항공우주공학과) ,  오성환 (국방과학연구소 7기술연구본부 2부)

초록
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차세대 전투기 및 무인 전투기의 경우 스텔스성과 고 기동성, 초음속 순항 등의 임무들이 필수적으로 요구된다. 이러한 고성능 요구조건을 만족하기 위하여 초음속 배기노즐의 추력편향제어기법이 대두되고 있다. 본 연구에서는 2차원 초음속 추력편향노즐의 축소모델을 이용하여, 피치 편향각 및 피치 플랩길이에 따른 추력을 측정하고, 동시에 초음속 유동에 대한 쉴리렌 가시화를 수행하였다. 연구결과 추력편향시의 유동특성을 이해할 수 있었고, 추력 편향 시 최적의 피치편향 효율을 가지는 추력편향노즐의 기하학적 형상을 도출 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Stealthy, high maneuverability and super cruise abilities are required for the next generation fighter and unmanned aircraft. Thrust vector control technique currently come into use to meet these requirements. In this experimental study, axial and pitch thrust were measured and Schlieren visualizati...

주제어

#축소 확대 노즐   #추력편향   #수직 편향  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 특히 축대칭 노즐과 유사한 성능을 가지면서도 가변제어 및 추력편향이 가능한 이차원 축소-확대 노즐을 이용한 추력편향 기술은 기동성, 운용성, 생존성 등의 향상을 위한 필수적인 요소로 인식되고 있다[9, 10]. 따라서 본 연구에서는 추력편향기술에 대한 기초연구의 일환으로 이차원 초음속 추력편향 노즐에 대한 유동 가시화 실험연구를 수행하였다. 이를 위해 차원 축소 확대 노즐의 실험 장치를 구성하고 피치 편향각 및 피치플랩길이의 등의 기하학적 변수에 대한 영향을 로드셀을 이용하여 추력을 측정하고 이를 분석하고 평가하였다.

가설 설정

  • 이를 토대로 설정한 가상의 초음속 항공기 엔진에 대하여 약 1/18로 축소된 2차원 축소 확대 노즐의 모델을 도출하였으며, 축소모델에 대한 유량, 압력, 온도, 속도 및 추력 값이 Table 1에 제시 되어 있다[11]. 단 본 실험연구는 실험설비의 여건상 온도조건은 모사하지 않고 상온조건에서 실험을 진행 하였으며, 공기온도는 상온인 300 K 로 가정 하였 으며, 노즐의 유동특성은 비행조건과 동일하게 유지하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
CJTVC 노즐이란? 유체역학적 방법 중 하나인 CJTVC(Confined Jet Thrust Vector Control)에 관해서 Porzio[4]등에 의해서 연구가 되었다. CJTVC 노즐은 과팽창 유동조건에서 작동하며, 확대부 영역에서 하류쪽으로 흘러가며 오리피스에서 출구로 재 부착되는 유동에 의해 좁은 영역에 제트가 형성되어 추력 편향되는 원리를 이용하는 것이다. 이 방법의 경우 2차 분사압력이 주어진 주 유동 압력보다 매우 낮을 때 노즐안의 압력 파동, 불안정한 측 추력 그리고 불안정한 편향이 나타나는 문제점이 발생하였다.
CJTVC 노즐에서 발생할 수 있는 문제점은? CJTVC 노즐은 과팽창 유동조건에서 작동하며, 확대부 영역에서 하류쪽으로 흘러가며 오리피스에서 출구로 재 부착되는 유동에 의해 좁은 영역에 제트가 형성되어 추력 편향되는 원리를 이용하는 것이다. 이 방법의 경우 2차 분사압력이 주어진 주 유동 압력보다 매우 낮을 때 노즐안의 압력 파동, 불안정한 측 추력 그리고 불안정한 편향이 나타나는 문제점이 발생하였다. 고정된 형상을 갖는 항공기 배기 노즐 시스템에서 스텔스 기능과 함께 배기노즐 시스템의 무게를 줄이기 위하여 "Shock Vector Control Method (SVC)", "Throat Shifting Method(TS)" 및 "Counter Flow Method" 등 3가지 개념의 추력편향 기술에 대한 연구가 Karen 등[5]에 의해 진행 되고 있다.
추력편향의 방법은 어떻게 구분할 수 있는가? 특히 엔진의 배기노즐을 이용한 추력편향은 공기역학 제어 표면의 표면적을 줄어들게 하여 항력과 항공기 무게를 줄여줄 수 있는 장점이 있는 것으로 알려져 있다[2]. 추력편향의 방법으로는 크게 노즐 형상의 기하학적 변화를 이용하여 직접적으로 유동의 방향을 바꾸어주는 기계 역학적 방법, 고정노즐에 유체역학적 효과를 이용해 추력을 편향 시키는 유체역학적 방법으로 구분할 수 있다[3].
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참고문헌 (12)

  1. Herbst, W. B., "Future Fighter Technologies," Journal of Aircraft, Vol. 17, No. 8, 1980, pp.561-566 

    상세보기 crossref

  2. Taylor, J. G., "A Static Investigation of a Simultaneous Pitch and Yaw Thrust Vectoring 2-D C-D Nozzle," AIAA/ ASME/SAE/ASEE 24th Joint Propulsion Conference, 1988, pp.1-12 

  3. Yagle, P. J., Miller, D. N., Ginn K. B., and Hamstra, J. W., "Demonstration of Fluidic Throat Skewing for Thrust Vectoring in Structurally Fixed Nozzles," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 123, No. 3, 2001, pp.502-507 

    상세보기 crossref

  4. Porzio, A. J. and Franke, M. E., "Experimental Study of a Confined Jet Thrust Vector Control Nozzle," Journal of Propulsion and Power, Vol. 5, No. 5, 1989, pp.596-601 

    상세보기 crossref

  5. Deere, K. A., "Summary of Fluidic Thrust Vectoring Research Conducted at NASA LANGLEY Research Center," The 21st AIAA Applied Aerodynamics Conference, AIAA-2003-3800, 2003, pp.1-18 

  6. Brenner, M. J., "Aeroservoelastic Modeling and Validation of a Thrust -Vectoring F/A-18 Aircraft," NASA Technical Paper 3647, 1996 

  7. 신춘식, 김희동, "이중목 노즐을 이용한 추력 벡터 제어에 관한 기초적 연구," 한국 추진 공학회지, 제14권, 제6호, 2010, pp.25-30 

    원문보기 상세보기

  8. 전동현, 이열, 허준영, 성홍계, 전동연, "Coanda 효과를 이용한 추력편향 제어에 관한 실험적 연구," 한국항공우주학회 2008년도 추계학술발표회 논문집, 2008, pp.82-85 

  9. Carson, G. T. Jr. and Capone, F. J., "Static Internal Performance of an Axisymmetric Nozzle with Multiaxis Thrust-Vectoring Capability," NASA Technical Memorandum 4237, 1991 

  10. Stevens, H. L., Thayer, E. B., and Fullerton, J. F., "Development of the Multi- Function 2-D/C-D Nozzle," AIAA/SAE/ASME 17th Joint Propulsion Conference, AIAA-81-1491, 1981, pp.1-11 

  11. 김윤희, 최성만, 장현수, "2D 추력편향 노즐 성능 및 유동 해석," 한국추진공학회 제33회 추계학술대회논문집, 2009, pp.483-486 

  12. 이종성, Vicent Lijo, 김희동, "과팽창 노즐에 서 발생하는 충격파-경계층 간섭의 천이에 관한 수치 해석적 연구," 대한기계학회 유체 공학부문 춘계학술대회 논문집, 2010, pp.157-162 

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