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문제 정의
- NRSB의 익단형상은 Fig. 11과 같이 Vane Tip 개념을 도입하여 익단와류를 두개로 나누어 형성시킴으로서 일반적인 강한 단일익단와류에 의해 발생되는 소음대비 수동제어적인 소음저감을 획득하는 것을 목표로 하고 있다. 그러나 이러한 두개의 익단와류에 대한 모델링이 CAMRAD-II에서는 불가능하여 비정상 공기력해석에서는 단일 익단와류만을 고려하여 수행하고 소음해석에서 기존 연구를 통하여 수행되었던 단일익단와류 대비 쌍익단와류에 의한 소음차이를 가감하여 소음치를 유추하도록 하였다[12-13].
제안 방법
- 3종의 블레이드 모두 동일하게 CAMRAD-II의 Onera-edlin 비정상 공력해석모델과 자유 후류유입류모델을 사용하여 비정상 공기력계산을 수행하였다.
- Isolate rotor에 대해 S76의 동체 항력 f=1.136m2 및 중량 10,000lb을 적용하여 propulsive trim을 적용하여 전진비행성능 해석을 수행하였다.
- SC1095 및 SC1095R8 에어포일의 공력 DB는 연구보고서, 논문 등을 통해 발표된 데이터를 이용하여 생성하였고 SC1013R8 및 OA2 계열의 에어포일 공력 DB는 XFoil 프로그램을 사용하여 생성하였다. NSRB-2R, NRSB-2M 에어포일의 공력 DB는 “차세대 로우터 시스템 개발(2002~2005)” 사업 연구보고, 논문 등을 통해 발표된 데이터를 이용하였다.
- 본 연구에서는 CAMRAD-II와 음향상사법을 이용하여 민수헬기 제안대상기종 중 2개 기종, 국내 보유 차세대 블레이드 1개에 대한 정지비행 효율, 전진비행성능, 원거리소음장 해석을 수행하였다.
- 블레이드 성능해석을 위해서 상기 해외체계업체 제안기종 블레이드 중 모델링이 가능한 수준의 정보가 확보된 AS365N3, S76C++와 국내개발 형상 NRSB에 대하여 CAMRAD-II모델을 형성하여 정지비행/전진비행 성능예측을 수행하였으며 CAMRAD-II의 비정상 공기력 해석결과를 음향상사법과 연계하여 소음해석을 수행하였다.
- 이를 위한 기술적 데이터로 본 연구에서는 CAMRAD-II와 음향상사법을 이용하여 해외체계 업체 제안대상기종 중 2개 기종, 국내 보유 차세대 블레이드 1개에 대한 정지비행효율, 전진비행 성능, 원거리소음장을 수행하였다. 이 결과는 민수헬기개발사업의 해외협상 및 국내고유형상 블레이드 개발 시 목표 성능지표 등으로 활용될 수 있다.
- 한국항공우주연구원이 “차세대 로우터 시스템 개발” 사업을 통해 개발된 NRSB형상을 S-76과 동일한 로터 반경과 코드를 가지도록 변형시켰으며 모델링된 블레이드 형상은 Fig. 9와 같다.
- 해석수행 및 결과비교는 앞서 언급된 바와 같이 익형공력DB 생성방법에 의한 예측결과 영향성을 최소화하기위하여 XFoil 익형공력을 이용한 S76_x와 AS365를 비교하였으며 익형시험치를 이용한 S76과 MSES를 이용한 NRSB를 비교하였다.
대상 데이터
- NRSB는 NSRB-2R, NRSB-2M, RAE9634 3가지 에어포일이 사용하고 있다.
- NSRB-2R, NRSB-2M 에어포일의 공력 DB는 “차세대 로우터 시스템 개발(2002~2005)” 사업 연구보고, 논문 등을 통해 발표된 데이터를 이용하였다.
- OA207의 에어포일 형상은 Public Domain에 공표되지 않아 형상이 알려져 있는 OA206으로 대체하였다. OA206, OA207 익형은 블레이드 익단 부위에 장착되어 항력발산 마하수를 높이기 위한 익형으로 OA207을 OA206으로 대체하여 해석할 경우 고속 전진비행시 성능이 다소 높게 예측될 수 있다.
- 구조모델링을 위한 데이터는 확보하기 어려워, KUH 구조 물성치 데이터를 스케일링하여 사용하였으며 공기역학적 모델링은 수집된 자료를 활용하였다. 모델링된 블레이드 형상은 Fig.
이론/모형
- 원거리 외부소음은 ICAO Annex 16.에 의거하여 6도의 하각각을 지니고 착륙접근 비행하는 경우에 대하여 CAMRAD-II의 비정상 공기력과 Farassat Formulation 1A 음향상사법을 이용하여 소음계산을 수행하였다.
성능/효과
- AgustaWestland(영국)는 Lynx에 장착하여 세계최고 속도기록을 보유하고 있는 BERP-III 블레이드의 업그레이드 블레이드로 BERP-IV를 개발 완료하였다. BERP-IV는 기존의 BERP-III 대비 정지비행효율 5% 이상 향상, 순항요구동력 10~15% 저감, 블레이드 실속한계 10knot 이상 증가 등을 확인하였다[3].
- NRSB의 정지비행효율은 S76과 AS365대비 최대 7% 향상된 성능효율을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 소음예측결과 S76이 AS365대비 5~6dB 조용한 것으로 확인되었으며 단일익단와류에 의한 NRSB는 S76대비 2.8dB 정도 소음이 많이 발생되는 것을 알 수 있다. 그러나 “차세대 로우터 시스템 개발” 사업보고서에 기술된 NRSB Vane Tip의 쌍와류 발생에 의한 소음피크저감이 5.
- 전진비행 시 소요동력 비교에서는 S76_x가 AS365보다 우수한 것으로 예측되었으며 이는 AS365가 반경이 작음으로 인하여 전진 비행 시 S76보다 높은 disk loading을 나타내 큰 유도동력을 필요로 하는데 기인하고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구의 결과는 일차적으로 향후 민수헬기 개발사업의 해외협상 및 국내고유형상 블레이드 개발시 목표 성능지표 등으로 활용될 수 있다.
- 쌍와류 발생에 의한 정확한 소음저감의 검증을 위해서는 추가적인 정밀 CFD해석 및 풍동시험이 필요하다.
- 중량 10,000lb 조건에 대해 해수면 고도에서는 S76이 약간 우수한 성능을 보이고 있으나 높은 고도 조건 및 고속전진비행에서는 NRSB 블레이드에 비하여 성능이 매우 뒤지는 것을 알 수 있다. 앞서 기술한 S76D의 일부 알려진 성능향상 항목은 이러한 높은 고도 조건에 대한 성능보완으로 유추되나 보다 정밀한 해석을 위해서는 익형 동실속 풍동시험 등을 포함한 추가적인 연구가 필요하다.
- 향후 국내 무장헬기 개발과 병행하여 개발될 민수헬기는 해외체계업체 보유 민수헬기를 기반으로한 국제공동 업그레이드형태로 개발이 추진될 계획이다. 따라서 해외체계업체 제시 대상기종의 로터 블레이드 성능파악을 통한 최신 해외 블레이드 대비 성능파악 및 국내고유형상 블레이드 개발 가능성을 타진하는 것이 매우 중요하다.
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