본 연구에서는 편대비행하는 고속 항공기의 날개 끝 와류의 공력 간섭 효과를 연구하기 위해서 풍동실험기법이 적용되었다. 편대비행에서 앞선 항공기의 날개 끝에서 발생하는 와류가 뒤따르는 항공기의 공력 특성에 영향을 미칠 수 있다. 흐름의 간섭 효과는 앞선 항공기와 뒤따르는 항공기의 날개 끝 사이의 거리에 따라서 변화된다. 본 연구의 실험결과 앞선 항공기에서 발생되는 날개 끝 와류는 뒤따르는 항공기의 공력 및 모멘트 계수를 변화시킴을 확인하였다. 특히, 후방 항공기의 양력계수는 수직 및 수평 위치에 따라 y/b=-0.125, z/b=0.0에서 가장 많이 증가되거나 y/b=-0.5, z/b=0.38에서 가장 크게 감소됨을 확인하였으며, 두 항공기로부터 발생된 날개 끝 와류의 간섭 현상이 자세히 관찰되었다.
본 연구에서는 편대비행하는 고속 항공기의 날개 끝 와류의 공력 간섭 효과를 연구하기 위해서 풍동실험기법이 적용되었다. 편대비행에서 앞선 항공기의 날개 끝에서 발생하는 와류가 뒤따르는 항공기의 공력 특성에 영향을 미칠 수 있다. 흐름의 간섭 효과는 앞선 항공기와 뒤따르는 항공기의 날개 끝 사이의 거리에 따라서 변화된다. 본 연구의 실험결과 앞선 항공기에서 발생되는 날개 끝 와류는 뒤따르는 항공기의 공력 및 모멘트 계수를 변화시킴을 확인하였다. 특히, 후방 항공기의 양력계수는 수직 및 수평 위치에 따라 y/b=-0.125, z/b=0.0에서 가장 많이 증가되거나 y/b=-0.5, z/b=0.38에서 가장 크게 감소됨을 확인하였으며, 두 항공기로부터 발생된 날개 끝 와류의 간섭 현상이 자세히 관찰되었다.
Experimental study was conducted to investigate aerodynamic interference effect of wing tip vortex in formation flight of high speed aircraft. In formation flight, wing tip vortex produced by leading aircraft can affect on the aerodynamic characteristics of trailing aircraft. The interference effect...
Experimental study was conducted to investigate aerodynamic interference effect of wing tip vortex in formation flight of high speed aircraft. In formation flight, wing tip vortex produced by leading aircraft can affect on the aerodynamic characteristics of trailing aircraft. The interference effect of flow is varied with distances between wing tips of leading and trailing aircraft. It is confirmed, in this study, that the interference of wing tip vortex generated from the leading aircraft makes the aerodynamic forces and moments of the trailing aircraft with the vertical or horizontal positions of the trailing aircraft. Especially, the lift coefficients of trailing aircraft were highly increased at y/b=-0.125, z/b=0.0 or deeply decreased at y/b=-0.5, z/b=0.38. The interfering pattern of wing tip vortices from two aircraft is precisely observed.
Experimental study was conducted to investigate aerodynamic interference effect of wing tip vortex in formation flight of high speed aircraft. In formation flight, wing tip vortex produced by leading aircraft can affect on the aerodynamic characteristics of trailing aircraft. The interference effect of flow is varied with distances between wing tips of leading and trailing aircraft. It is confirmed, in this study, that the interference of wing tip vortex generated from the leading aircraft makes the aerodynamic forces and moments of the trailing aircraft with the vertical or horizontal positions of the trailing aircraft. Especially, the lift coefficients of trailing aircraft were highly increased at y/b=-0.125, z/b=0.0 or deeply decreased at y/b=-0.5, z/b=0.38. The interfering pattern of wing tip vortices from two aircraft is precisely observed.
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문제 정의
본 연구에서는 고속 항공기 모델의 편대비행 시 전방 항공기의 날개 끝 와류가 후방 항공기의 공력에 미치는 영향에 대한 풍동실험 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
이에 본 연구에서는 고속 항공기들이 편대비행 시 앞서가는 항공기의 날개 끝 와류에 의해 발생되는 공력 간섭 현상에 뒤따르는 후방 항공기의 공력특성 변화에 어떻게 영향을 미치는가를 측정하고 분석하고자 연구하였다.
가설 설정
이 공력 자료는 항공기 모델의 기본 공력 특성을 파악하기 위한 것으로 와류의 영향을 판단할 수 있는 기준 자료로 활용한다. 날개 끝 와류의 영향에 대한 풍동 실험을 수행하기 위하여 2대의 항공기가 인접하여 편대 비행을 하고 있는 것으로 가정하였다. 그리고 전방 항공기의 날개 끝에서 발생하는 와류의 영역에 후방 항공기를 설치하고 측정 위치를 이동시키면서 후방 항공기의 공력을 측정하는 방식을 적용하였다.
그리고 전방 항공기의 날개 끝에서 발생하는 와류의 영역에 후방 항공기를 설치하고 측정 위치를 이동시키면서 후방 항공기의 공력을 측정하는 방식을 적용하였다. 이 때 두 항공기의 받음각 자세는 동일하게 변화되는 것으로 가정하였다.
제안 방법
날개 끝 와류의 영향에 대한 풍동 실험을 수행하기 위하여 2대의 항공기가 인접하여 편대 비행을 하고 있는 것으로 가정하였다. 그리고 전방 항공기의 날개 끝에서 발생하는 와류의 영역에 후방 항공기를 설치하고 측정 위치를 이동시키면서 후방 항공기의 공력을 측정하는 방식을 적용하였다. 이 때 두 항공기의 받음각 자세는 동일하게 변화되는 것으로 가정하였다.
다음은 편대비행하는 고속 항공기의 날개 끝 와류의 간섭 효과를 관찰하기 위해서 날개 끝 와류를 가시화하여 보았다. 항공기 날개 끝 와류의 가시화는 입자영상유속계(PIV: Particle Image Velocimetry)가 사용되었다.
38b까지 동일한 크기만큼 이동하는 것으로 위치를 설정하였다. 마지막으로 전방 항공기로부터 후방 항공기의 흐름 방향으로 이격거리(x)는 1.5b, 2b, 2.5b 떨어진 지점에서 공력을 측정하는 것으로 설정하였다. 이들 측정 위치는 전방 항공기의 날개 끝 와류의 영역을 고려하여 설정된 것이다.
항공기 모델은 일반적인 소형 전투기 크기의 5% 크기로 축소하여 제작하였다. 모델의 재질은 FRP(fiber reinforced plastics)를 사용하여 무게를 가볍게 만들었다. 동체 내부에는 밸런스를 장착할 수 있도록 금속재료를 이용한 장착용 프레임을 제작하여 삽입하였다.
1은 풍동 시험부에 장착된 항공기 모델을 보여준 것으로 후방에서 모델을 지지할 수 있도록 만들었다. 모델의 지지 중심은 35% MAC(mean aerodynamic chord)를 기준으로 설정하여 제작하였다.
본 연구에서는 날개 끝 와류의 영향에 의한 공력 변화를 측정하기 전에 자유 흐름 상태에서 동일 항공기 모델의 기본 공력을 먼저 측정하였다. 이 공력 자료는 항공기 모델의 기본 공력 특성을 파악하기 위한 것으로 와류의 영향을 판단할 수 있는 기준 자료로 활용한다.
아음속 풍동에서 고속 항공기 모델을 편대 비행 형태로 설치하고 풍동 실험을 수행하여 전방 항공기의 우측 후방에 있는 뒤따르는 항공기의 공력을 측정한 결과는 다음과 같다. 풍동실험은 Re=3.
대상 데이터
항공기 모델은 PTS에 설치되었으며, 항공기 모델의 내부에는 내장 밸런스가 장착되었다. 내장밸런스에서 측정되는 자료 신호는 자료 획득 컴퓨터까지 신호선으로 연결되어 자료를 획득한다. 컴퓨터에서 측정되는 아날로그 신호는 디지털화하여 자료를 컴퓨터에 저장할 수 있도록 구성하였다.
본 연구의 대상은 전투기의 편대비행 중에 전방 항공기의 날개 끝 와류가 후방 항공기의 공력에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실험 모델을 고속 항공기 모델로 선정하였다. 항공기 모델은 일반적인 소형 전투기 크기의 5% 크기로 축소하여 제작하였다.
본 연구의 대상은 전투기의 편대비행 중에 전방 항공기의 날개 끝 와류가 후방 항공기의 공력에 미치는 영향을 분석하기 위하여 실험 모델을 고속 항공기 모델로 선정하였다. 항공기 모델은 일반적인 소형 전투기 크기의 5% 크기로 축소하여 제작하였다. 모델의 재질은 FRP(fiber reinforced plastics)를 사용하여 무게를 가볍게 만들었다.
항공기 모델은 최소한 2개가 필요하므로 두 개를 동일한 크기로 제작하였다. 항공기 모델의 크기는 전장이 65.3cm, 스팬의 길이가 45.5cm, 높이는 20.7cm이다. Fig.
이론/모형
본 실험에 사용된 좌표계는 측정부에서 유속 흐름방향을 x축, x축에 직교하는 수평방향을 y축, 상하 수직방향을 z축으로 하는 오른손 법칙이 사용되었다.
본 연구에 사용된 공군사관학교의 중형 아음속 풍동은 단일 폐쇄회로식(closed-circuit type) 풍동이다. 주 측정부의 크기는 폭 3.
성능/효과
25인 거리에 위치하여 두 날개의 끝이 일정한 간격을 갖게 되므로 와류에 의한 상호 흐름의 간섭이 상대적으로 강하게 나타나지 않음을 볼 수 있다. 그러나 본 실험에서 측정된 공력 변화의 결과로 볼 때 전방항공기의 후류가 우측 후방에 위치한 항공기 날개로 입사하는 공기 흐름에 어느 정도 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
둘째, 요잉모멘트 계수가 가장 큰 변화를 나타내는 지점은 z/b=-0.38, y/b=-0.5에서 발생되었다. 또한, 롤링 모멘트의 방향은 y/b=-0.
첫째, 후방항공기의 양력계수 증가가 가장 큰 최적의 위치는 z/b=0.0 및 y/b=-0.125이다.
후속연구
이런 경우 날개 끝 와류에 의한 현상을 이해할 수 있는 자료가 확보되어 있으면 에너지 절감을 위한 무인 항공기의 장거리 비행에 활용할 수 있다. 또는 안전한 비행을 위한 이격거리 산출에 이용하여 자동조종을 위한 기초자료로도 활용이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
편대비행은 어떤 자연현상에도 볼 수 있는가?
편대 비행은 군용 항공기에서 전방 및 후방 항공기와의 통신을 원활하게 하고 전투 임무 수행을 원활히 하기 위해서 사용하는 비행 형태로 알려져 있다. 이러한 편대비행 형태는 철새들에게 서도 흔히 관찰되는 비행 형태이다. 철새들은 앞서 가는 철새와 뒤따르는 철새들 상호 간의 통신을 목적으로 편대비행(formation flight) 형태를 유지한다.
편대비행상태에서 생길 수 있는 문제점은?
전투기와 같은 군용 항공기들은 원활한 임무 수행을 위해 비행 중에 편대비행상태를 유지하게 된다. 이 경우에 항공기 상호 간에 너무 근접하게 되면 앞선 항공기의 날개 끝 와류에 의해 끌어 당김 또는 반발되는 힘이 발생하는 것을 경험하게 된다. 앞선 항공기와 뒤따라 비행하는 항공기는 같은 공기력 상태에서 동일한 공력 상태에 놓여야 하지만 실제로는 앞선 항공기의 날개끝 와류에 의해 유동장이 간섭되고 이러한 유동의 교란이 서로 다른 공기력을 발생하게 만드는 것으로 추측된다.
편대 비행이란 무엇인가?
편대 비행은 군용 항공기에서 전방 및 후방 항공기와의 통신을 원활하게 하고 전투 임무 수행을 원활히 하기 위해서 사용하는 비행 형태로 알려져 있다. 이러한 편대비행 형태는 철새들에게 서도 흔히 관찰되는 비행 형태이다.
참고문헌 (6)
Lebar Bajec, I. and Heppner, F. H., Organized flihgt in birds, Animal Behaviour, Vol. 78(4), PP. 777-789, 2009.
Hansen, J .L and Cobleigh, B. R., "Induced Moment Effects of Formation Flight Using Two F/A-18 Aircraft", Flight Mechanics Conference and Exhibit, AIAA 2002-4489, 2002..
Hyatt, J. H. and Blake, W. B., "Aerodynamic Database Issues for Modeling Close Formation Flight", AIAA 99-4194, 1999.
Bangash, Z. A., Sanchez, R. P. and Ahmed, A., "Aerodynamics of Formation Flight", J. of Aircraft, Vol. 43, No. 4, pp. 907-912, 2006.
Blake, W. B. and Gingras, D. R., "Comparison of Predicted and Measured Formation Flight Interference Effects", Journal of Aircraft, Vol. 41, No. 2, pp. 201-207, 2004
Porter, D. B. and Howardf, R. M., ",Aerodynamic Interference of Dissimilar Aircraft Flying in Close Proximity", Journal of Aircraft Vol. 33, No. 2, Engineering Notes, pp. 440-441, 1995.
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