[논문]고성능 회전익기의 개발동향과 자동회전의 해석기법

김학윤; 신병준

doi:10.12985/ksaa.2014.22.3.060

고성능 회전익기의 개발동향과 자동회전의 해석기법
Developmental Trends of High Performance Rotorcraft and the Analytic Method of Autorotation 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.22 no.3, 2014년, pp.60 - 67

김학윤 (한서대학교 대학원 항공시스템공학과) , 신병준 (한서대학교 대학원 항공시스템공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Technical history of VTOL aircraft is examined from the early helicopter appearance to recent experimental rotorcraft in order to distinguish the core issues of those aircraft. Performance and technological challenges of some VTOL aircraft such as tilt rotor, convertiplane, gyroplane, and coaxial helicopter are discussed. As a new generation high performance rotorcraft, Sikorsky X2 is intensively investigated. Considering the developmental history of X2, the autorotational ability at high speed is recognized as a core technology. Analytic method of autorotation and some results are shown and presents research subjects related to the future Korean high performance rotorcraft.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

두 방정식의 주기해(periodic solution)를 구하는 이 기법으로 샤프트각이 감소되면서 전진비행 속도가 증가하는 것을 시뮬레이션 하였으며[11, 12] 자동회전 상태에서 성능을 구하는 문제[13, 14]까지 연구되었다. 고속 자동회전의 시뮬레이션 목적은 전진속도 증가와 샤프트각 감소에 따라 자동회전이 가능한 영역을 포괄적으로 조사하기 위한 것이었으며 자동회전이 가능한 속도의 한계를 알고자 함이다. BO-105의 로터에 NACA0012 에어포일의 깃을 가진 가상로터를 대상으로 한 이 시뮬레이션에서는 샤프트각 감소와 전진속도 증가 시 자동회전이 가능한 피치의 범위는 계속 축소되어 어떤 극한값에 수렴한다는 결과를 얻었으며 샤프트각 3도에 대한 속도와 피치각의 영역은 Fig.
본 연구에서는 VTOL 항공기 개발의 역사를 되돌아봄으로서 어떠한 기술적 과제들이 검토되고 연구되어 왔는지 살핀다. 최근의 개발과 연구 동향을 통하여 고성능 회전익 항공기의 핵심 기술인 자동회전 해석 기법을 제시하고 차후 한국형 고성능 회전익 항공기 개발을 위한 연구 방향을 제시한다.
본 연구에서는 수직이착륙 항공기 개발의 역사와 기술적 과제들을 살펴봤고 현재 연구 중이거나 실험중인 VTOL 항공기에 적용되고 있는 기술과 성능을 고찰하였다. 선진 항공사가 고성능 회전익 항공기 개발에 이용되는 기술들에 대한 공개를 절대적으로 자제하는 상황에서 단편적인 연구문헌으로부터 핵심 기술을 유추하였다.

제안 방법

이는 단일 로터를 이용하여 고속 비행을 할 때 후진 깃(retreating blade)에서 발생되는 실속과 역풍영역이 해결 불가능한 문제라면, 서로 반대 방향으로 회전하는 동축 역회전식 로터(counter rotating rotor)를 채용하여 전진 깃(advancing blade)의 추력만 이용하도록 하면 로터의 좌, 우에서 추력이 대칭적으로 발생되므로 불안정성이 해소될 것이라는 개념에 근거하고 있다. 그럼에도 불구하고, 고속에서 로터는 과도한 플래핑 거동에 의해 불안정성을 보일 것이므로 플래핑 힌지를 달지 않고 주기적으로 깃의 뿌리 부근에서 발생되는 굽힘 모멘트를 구조적으로 견디도록 설계하였다. 그리고 비행 속도를 증가시키기 위하여 로터를 회전시키는 동체 내부의 엔진과 아울러 외부에 2개의 제트 엔진을 설치하였다(Fig.

성능/효과

고속 자동회전의 시뮬레이션 목적은 전진속도 증가와 샤프트각 감소에 따라 자동회전이 가능한 영역을 포괄적으로 조사하기 위한 것이었으며 자동회전이 가능한 속도의 한계를 알고자 함이다. BO-105의 로터에 NACA0012 에어포일의 깃을 가진 가상로터를 대상으로 한 이 시뮬레이션에서는 샤프트각 감소와 전진속도 증가 시 자동회전이 가능한 피치의 범위는 계속 축소되어 어떤 극한값에 수렴한다는 결과를 얻었으며 샤프트각 3도에 대한 속도와 피치각의 영역은 Fig. 13과 같이 나타났다.
셋째, 개념상 어쩔 수 없이 쌍발 엔진을 사용해야 하며 이는 비용 증가를 의미한다. 넷째, 두 엔진이 가로세로비가 작은 날개의 끝에 달려있기 때문에 공기역학적 효율이 낮다. 다섯째, 두 엔진이 동시에 고장 날 경우 틸트 로터는 고정익 항공기와 같은 글라이딩이나 헬리콥터와 같은 자동회전 비행도 할 수 없다.
넷째, 두 엔진이 가로세로비가 작은 날개의 끝에 달려있기 때문에 공기역학적 효율이 낮다. 다섯째, 두 엔진이 동시에 고장 날 경우 틸트 로터는 고정익 항공기와 같은 글라이딩이나 헬리콥터와 같은 자동회전 비행도 할 수 없다. 여섯째, 복잡한 시스템과 개발비로 인하여 가격이 비싼데, BA609는 미화 8~10백만 달러 정도의 가격을 책정해 놓고 있다.
첫째, 틸트 로터 방식은 내리흐름 속도가 크기 때문에 수직 이, 착륙의 효율이 헬리콥터보다 작다. 둘째, 안정성을 유지하기 위해 동력구동 장치나 항공전자 장비 등 시스템이 복잡해졌다. 셋째, 개념상 어쩔 수 없이 쌍발 엔진을 사용해야 하며 이는 비용 증가를 의미한다.
둘째, 안정성을 유지하기 위해 동력구동 장치나 항공전자 장비 등 시스템이 복잡해졌다. 셋째, 개념상 어쩔 수 없이 쌍발 엔진을 사용해야 하며 이는 비용 증가를 의미한다. 넷째, 두 엔진이 가로세로비가 작은 날개의 끝에 달려있기 때문에 공기역학적 효율이 낮다.
다섯째, 두 엔진이 동시에 고장 날 경우 틸트 로터는 고정익 항공기와 같은 글라이딩이나 헬리콥터와 같은 자동회전 비행도 할 수 없다. 여섯째, 복잡한 시스템과 개발비로 인하여 가격이 비싼데, BA609는 미화 8~10백만 달러 정도의 가격을 책정해 놓고 있다. 따라서 Bell/Agusta는 틸트 로터 항공기 판매를 위해 부유층을 겨냥한 마켓 전략을 추진하고 있다.
시콜스키 X2의 핵심적인 기술에 대해서는 단편적인 발표를 제외하고 알려진 것이 없으나 시험비행 후 발표된 논문[9]에 따르면 이 항공기가 고속 비행에서 로터가 자동회전 상태에 있다는 것을 알 수 있다. 이 논문에 수록된 비행기록 데이터 중 하나인 Fig. 12의 필요동력-이용동력 변화 그래프를 보면, 비행속도 증가에 따라 로터의 동력은 감소하고 프로펠러 동력은 증가하는 것을 알 수 있다. 적어도 175 KTS 이상의 속도에서는 로터 동력이 0에 근접하고 있다.
Wheel에 분류된 대부분의 항공기들은 실제 제작되어 비행 실험되었으며 일부 인명 사고를 겪기도 하였다. 이러한 다양한 개념에 대한 연구와 실험 결과, 종합적으로 성공의 가능성이 가장 높은 항공기로 틸트 로터 방식이 선정되었다. 틸트 로터 방식 연구의 시작은 1951년 벨에서 개발한 XV-3며 이 연구는 20 여 년 후 벨 XV-15로 이어졌다.
첫째, 틸트 로터 방식은 내리흐름 속도가 크기 때문에 수직 이, 착륙의 효율이 헬리콥터보다 작다. 둘째, 안정성을 유지하기 위해 동력구동 장치나 항공전자 장비 등 시스템이 복잡해졌다.

후속연구

고속에서 로터를 자동회전(autorotation)시킬 수 있는지의 여부까지 포함하여 광범위하게 시험 비행이 실시된 XH-59A는 당시까지 회전익 항공기로서 최대 속도 기록인 518 km/h를 달성하였지만 플래핑 힌지가 없는 구조적인 문제 등, 여러 이유 때문에 더 이상의 연구는 진행되지 않았다.
이러한 비선형적인 자동회전 현상으로부터 적절한 제어 방법을 찾기 위해서는 이미 개발된 자동회전 해석의 수학적 모델을 개선하는 연구와 함께적절한 유도속도 이론 연구, 풍동실험 등이 수행 되어야 한다. 이는 현재 시콜스키 X2에서 이용하고 있는 사이클릭 피치 제어 기술과 함께 장래 고성능 회전익 항공기의 핵심 기술이 될 것이다.
해석 기법의 발전을 위하여 풍동실험 연구 등이 요구되고 트랜스미션 및 로터/추력 통합 제어기법의 연구가 수행되어야 한다. 전환식 엔진 역시 장래 고성능 회전익 항공기에 필수적으로 장착될 것이므로 이에 대한 기반기술 연구가 시작되어야 한다.
본 연구에서는 VTOL 항공기 개발의 역사를 되돌아봄으로서 어떠한 기술적 과제들이 검토되고 연구되어 왔는지 살핀다. 최근의 개발과 연구 동향을 통하여 고성능 회전익 항공기의 핵심 기술인 자동회전 해석 기법을 제시하고 차후 한국형 고성능 회전익 항공기 개발을 위한 연구 방향을 제시한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	헬리콥터의 특징은 무엇인가?	주지하는 바와 같이 헬리콥터와 비행기는 각자의 독특한 장점으로 인하여 항공 운용 환경을 양분하고 있다. 헬리콥터는 수직 이, 착륙과 정지 비행이라는 고정익 항공기가 넘볼 수 없는 능력을 보유하고 있지만 통상 순항 비행 속도가 시속 300 km를 넘지 못하고 있으며 비행 효율에 있어서도 양항비는 6에 못 미치고 있다. 반면, 고정익 항공기는 비록 수직이착륙이나 정지비행의 성능이 없으나 운송용 항공기의 경우 순항속도가 헬리콥터의 3배에 달하며 양항비는 최대 20에 이르고 있다.
	고정익 항공기의 특징은 무엇인가?	헬리콥터는 수직 이, 착륙과 정지 비행이라는 고정익 항공기가 넘볼 수 없는 능력을 보유하고 있지만 통상 순항 비행 속도가 시속 300 km를 넘지 못하고 있으며 비행 효율에 있어서도 양항비는 6에 못 미치고 있다. 반면, 고정익 항공기는 비록 수직이착륙이나 정지비행의 성능이 없으나 운송용 항공기의 경우 순항속도가 헬리콥터의 3배에 달하며 양항비는 최대 20에 이르고 있다. 이러한 장, 단점 때문에 양대 항공기 개량의 주안점은 특수 목적(헬리콥터)과 비행 효율(고정익 항공기)에 있었다.
	현재 제시된 수직 이착륙 항공기 성능의 가이드라인은?	VTOL 항공기가 어느 정도의 성능을 보유하여야 두 부류 항공기의 장점이 결합되었다고 할 수 있느냐에 대해서는 이론의 여지가 있지만, Talbot 등은 VTOL 항공기 성능의 가이드라인으로서, 수직이착륙과 정지비행에서의 낮은 내리흐름 속도(downwash velocity) 및 기동성능, 최대 비행속도(maximum airspeed) 810 km/h(450 knot), 그리고 양항비 10 이상을 제시하였다[1].

참고문헌 (14)

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상세보기
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김학윤, 최성욱, "자동회전의 트림 범위와 특성(1): 로터 스피드 한계와 피치 범위", 한국항공우주학회지, 제 39권 6호, 2011. 6, pp. 487-497.
김학윤, 최성욱, "자동회전의 트림 범위와 특성(2): 전진비 변화와 플래핑 특성", 한국항공우주학회지, 제 39권 6호, 2011. 6, pp. 498-504.

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김학윤, "자동회전의 성능해석(1) : 해석기법과 공력 테이블의 영향" 한국항공우주학회지, 제 40권 1호, 2012. 1, pp. 1-11.

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김학윤, "자동회전의 성능해석(2) : 고속 자동회전의 성능" 한국항공우주학회지, 제 40권 1호, 2012. 1, pp. 12-22.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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