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문제 정의
- 복합 자이로플레인에 대한 속도 한계 및 성능 예측 기법에 대해 연구하였다. 헬리콥터와 같은 방식으로 이·착륙하며 고속 비행시는 자동회전하는 로터와 고정익에서 양력을 얻는 개념에 대하여 전진비행 성능 추정을 위한 공력해석을 수행 하였다.
- 본 논문에서는 주 양력발생 수단으로 자동회전하는 로터를 채택하고 고속 비행에서 부족한 양력을 보조하는 고정익을 부착한 복합 자이로플레인 방식의 항공기에 대한 공력해석을 수행하였다. 자동회전하는 로터의 속도에 따른 성능 변화를 해석하기 위하여 과도모사법(Transient Simulation Method)을 사용하였고, 동체의 형상과의 상관관계를 보기 위하여 두 형상의 동체에 대한 전산해석을 수행하였다.
가설 설정
- 중량을 BO-105의 최대 운항하중인 4620lbs(2095kg)로 가정하고 자이로플레인 방식으로 비행할 때, 460ft/s (504.75km/h)의 속도로 전진 비행하기 위해서는 샤프트각을 12° 이상으로 해야 한다는 것을 알 수 있다.
- 헬리콥터 방식과 복합 자이로플레인 방식의 비행 성능 비교를 위해 BO-105 헬리콥터를 비교 대상으로 설정하고 동일한 로터와 엔진을 사용하는 것으로 가정하였다. BO-105 로터에 대한 특성은 Table 1과 같다.
제안 방법
- Ansys사의 Fluent를 이용하여 동체에 대한 정상상태 시뮬레이션을 수행하였다. 경계조건으로 Velocity Inlet , Pressure Outlet을 설정하고, 해수면 대기조건으로 자유류 속도를 30.
- 헬리콥터와 같은 방식으로 이·착륙하며 고속 비행시는 자동회전하는 로터와 고정익에서 양력을 얻는 개념에 대하여 전진비행 성능 추정을 위한 공력해석을 수행 하였다. BO-105의 로터시스템을 채택하였으며, 고속 비행에 적합한 유선형의 동체를 설계하였다. 과도모사법으로 자동회전하는 로터의 성능을 해석하였고 전진 속도, 샤프트각, 콜렉티브 피치 각 변화에 따라 자동회전 성능 변화를 살펴보았다.
- Ansys사의 Fluent를 이용하여 동체에 대한 정상상태 시뮬레이션을 수행하였다. 경계조건으로 Velocity Inlet , Pressure Outlet을 설정하고, 해수면 대기조건으로 자유류 속도를 30.48m/s로 설정하였다.
- BO-105의 로터시스템을 채택하였으며, 고속 비행에 적합한 유선형의 동체를 설계하였다. 과도모사법으로 자동회전하는 로터의 성능을 해석하였고 전진 속도, 샤프트각, 콜렉티브 피치 각 변화에 따라 자동회전 성능 변화를 살펴보았다. 자동회전하는 로터는 샤프트각이 감소함에 따라 양력은 감소하고 양항비와 최대 전진속도는 증가하지만 제어의 범위가 축소되므로 최대속도에 한계가 있다.
- 과도한 플레핑 운동은 로터의 양력 불균형으로 인한 위험을 초래할 수 있음으로 진동 플레핑 발산 조건을 -5°<β<5°로 설정하였고, 3초 동안의 회전수 변화량 ∆RPM3a가 0.1 이하일 때 자동회전에 적합하다고 판정하였다.
- 기본 동체로 BO-105 동체를 채택하고 유선형 동체와 비교하여 동체의 항력이 최대속도에 미치는 영향을 조사하기로 하였다. 유선형 동체는 고속에서 비행하는 Cessna사의 Citation 항공기로 선정하였으며, 동체형상을 전산유체해석하여 복합 자이로플레인이 BO-105 동체를 가지는 경우와 유선형 동체를 가지는 경우의 동체 항력 변화를 추적하였다.
- 헬리콥터 동체는 특수목적 수행에 적합한 형상으로 설계되므로 고속에 적합하지 않다는 것은 일반론이지만 유선형 동체와 정량적으로 항력특성이 비교된 바는 없다. 따라서 BO-105와 유선형 동체에 대한 속도에 따른 전산유체해석을 수행하여 공력특성을 정량적으로 비교하였다.
- 개념설계 단계에서는 세부적인 형상이나 성능을 계산하기 보다는 요구도를 만족시키면서 효율적인 개발이 가능한 설계를 검토하는 것이 중요하다. 따라서 탐색연구를 수행하기 위해 복합 자이로플레인을 로터, 고정익, 동체, 엔진으로 나누고 성능 해석을 수행하도록 하였다.
- 와 콜렉티브 피치각의 조절에 따른 로터의 자동회전 특성 변화를 충분히 고려해야 한다. 로터의 성능변화를 확인하기 위해 샤프트각에 따른 양력, 양항비, 로터 회전수 그래프로 비교하였다. 가로축은 콜렉티브 피치로 설정하였다.
- 복합 자이로플레인은 로터와 고정익으로부터 양력을 발생함으로 양력분담률을 고려하여 로터의 필요양력을 추정하였다. 복합 자이로플레인 방식의 비행을 고려할 때 로터의 양력분담률을 50%로 설정하면 샤프트각 0°∼6°에서도 복합자 이로플레인 방식으로 고속 비행하기에 충분한 로터의 자동회전 성능이 있음을 알 수 있으며 로터의 양력과 양항비, 로터의 양력분담률을 고려하면 샤프트각 0°∼6°가 고속비행에 적당한 것으로 생각된다.
- 그래프를 보면 샤프트각이 증가함에 따라 로터의 양력이 높게 발생하는 것을 알 수 있다. 샤프트각에 따른 로터의 양력 성능을 비교하기 위해 전진 속도 420ft/s(460.86km/h)에서 트림 상태를 비교하였다. 샤프트각 2°에서 약 1,500∼2,200lbs(680∼997kg), 4°에서 약 1,500∼2,700lbs(680∼1224kg), 6°에서 약 1,700∼4,100lbs(771∼1859kg)의 양력이 예측되었다.
- 서로 다른 동체 형상의 항력을 비교하기 위하여 참조면적(reference area)을 전면적(frontal area)으로 하여 계수화 하였으며 Fig. 9에 나타내었다. 이 결과를 보면 동체 받음각 0°에서 항력 계수가 BO-105는 0.
- 기본 동체로 BO-105 동체를 채택하고 유선형 동체와 비교하여 동체의 항력이 최대속도에 미치는 영향을 조사하기로 하였다. 유선형 동체는 고속에서 비행하는 Cessna사의 Citation 항공기로 선정하였으며, 동체형상을 전산유체해석하여 복합 자이로플레인이 BO-105 동체를 가지는 경우와 유선형 동체를 가지는 경우의 동체 항력 변화를 추적하였다.
- 자동회전 성능 변화를 확인하기 위해 전진비행속도 100∼600ft/ s(109.7∼6587.3km/h), 샤프트 각 2°∼20°에 대하여 콜렉티브 피치각을 0.5°씩 스위핑시켜 자동회전이 가능한 변수의 조합을 탐색하였다.
- 8, 가로세로비는 8로 설정하였다. 최대전진 속도에서 고정익의 양력분담률을 50%로 설정하였다.
- 헬리콥터와 같은 방식으로 이·착륙하며 고속 비행시는 자동회전하는 로터와 고정익에서 양력을 얻는 개념에 대하여 전진비행 성능 추정을 위한 공력해석을 수행 하였다.
대상 데이터
- 복합 자이로플레인에서 고정 익은 고속에서 부족한 양력을 얻는 수단으로 사용된다. NACA 23012 익형을 가지는 후퇴각이 없는 테이퍼 날개를 기본 형상으로 정의하고 테이퍼비 0.8, 가로세로비는 8로 설정하였다. 최대전진 속도에서 고정익의 양력분담률을 50%로 설정하였다.
- 기본 동체 형상은 BO-105와 동일한 형상으로 정의하였으며 길이 8.8m, 폭 1.58m, 높이 3m이다. 유선형 동체 형상은 Cessna사의 Citation 2 동체 형상을 수정하여 설계하였으며 길이 13.
- 과도모사법은 깃 요소에 대한 공력특성에 큰 영향을 받으며, 받음각과 마하수에 대한 양·항력 계수를 요구한다[8,9]. 따라서 BO-105 로터에 사용되는 NACA 23012에 대해 2차원 압축성 Navier -Stokes 전산유체해석을 수행하여 받음각/마하수에 대하여 2차원 배열 형태로 구성된 공력계수 룩-업 데이터를 사용하였다.
- 58m, 높이 3m이다. 유선형 동체 형상은 Cessna사의 Citation 2 동체 형상을 수정하여 설계하였으며 길이 13.7m, 폭 1.67m, 높이 1.67m이다. Fig.
이론/모형
- 로터 거동 과정에서 유도속도가 비균일 유동장을 보이는데, 과도 과정에서 유도속도장을 공급하기 위하여 Pitt/Peters의 동적유도흐름 이론 (dynamic inflow theory)이 사용된다.
- 본 연구에서는 Ansys 사의 ICEM-CFD 사용하여 격자를 생성하였다. 계산영역은 사각 박스 형태로 전방으로 동체길이의 10배, 후방으로 12배, 측면으로 5배의 크기로 구성하였다.
- 복합 자이로플레인은 회전익과 고정익을 함께 사용하는 특수한 방식으로, 이러한 방식의 비행에서 달성 가능한 속도의 한계가 어디까지인가에 대한 해석적 예측을 시도하는 것은 의미가 있다. 본 연구에서는 회전익의 자동회전 성능을 예측하고자 과도모사법을 사용하였다.
- 본 논문에서는 주 양력발생 수단으로 자동회전하는 로터를 채택하고 고속 비행에서 부족한 양력을 보조하는 고정익을 부착한 복합 자이로플레인 방식의 항공기에 대한 공력해석을 수행하였다. 자동회전하는 로터의 속도에 따른 성능 변화를 해석하기 위하여 과도모사법(Transient Simulation Method)을 사용하였고, 동체의 형상과의 상관관계를 보기 위하여 두 형상의 동체에 대한 전산해석을 수행하였다.
성능/효과
- BO-105와 비교하여 유선형동체를 사용할 때 동체 받음각 1°에서 1/5, 동체 받음각 5°에서 1/3 수준으로 항력이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 깃 요소의 공력 데이터는 마하수 0.0∼1.1에 대하여 확보되어 있음으로 자동회전 해석 결과가 깃의 공력특성을 충분히 반영하고 있음을 확인할 수 있다.
- 낮은 샤프트각에서는 콜렉티브 피치각에 따라 로터 회전수가 민감하게 변화 하고, 샤프트각이 증가함에 따라 콜렉티브 피치각 트림범위가 넓어지며 로터 회전수 변화가 둔감해지는 것을 확인할 수 있다. 또한 속도가 증가함에 따라 최대 콜렉티브 피치각이 감소하며 로터 회전수가 수렴하는 것을 알 수 있다. 로터의 최대 회전수는 샤프트각 4°에서 439.
- 헬리콥터의 양항비에 비해 매우 높은 값을 나타낸다. 로터 회전수 그래프를 보면 같은 샤프트각 일 때 속도 증가에 따른 로터 회전수의 변화는 거의 나타나지 않으나, 샤프트각 증가에 따라 로터의 회전속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 고속 비행에서는 로터의 회전수가 샤프트 각과 밀접한 관계에 있음을 알 수 있다.
- 복합 자이로플레인 방식의 비행을 고려할 때 로터의 양력분담률을 50%로 설정하면 샤프트각 0°∼6°에서도 복합자 이로플레인 방식으로 고속 비행하기에 충분한 로터의 자동회전 성능이 있음을 알 수 있으며 로터의 양력과 양항비, 로터의 양력분담률을 고려하면 샤프트각 0°∼6°가 고속비행에 적당한 것으로 생각된다.
- 64km/h) 정도가 한계속도일 것으로 예측되며 이 때 양력은 1/2 수준으로 감소한다. 비행속도에 따른 동체의 항력 특성을 해석한 결과 고속에서 유선형의 동체는 BO-105 형상에 비해 1/4 정도로 항력이 감소한다. 양·항력을 모두 고려하면 저속에서는 동체의 공력특성이 비교적 적은 영향을 미치지만 고속에서는 높은 비중을 차지하므로 복합 자이로플레인에서는 동체의 형상이 중요하며 전진비행 속도는 자동회전 특성에 좌우된다.
- 샤프트각 6° 이상에서는 양항비가 8이하로 감소하며, 샤프트각 20°에서는 양항비가 3으로 수렴하는 것으로 나타났다.
- 이 결과를 보면 동체 받음각 0°에서 항력 계수가 BO-105는 0.5587, 유선형 동체는 0.1109, 동체 받음각 5°에서 항력계수가 BO-105는 0.4885, 유선형 동체는 0.1365이다.
- 해석 결과 로터 자동회전이 가능한 최대 전진 비행속도는 500ft/s(548.64km/h)로 예상되었으며, 블레이드 깃 끝에서의 최대 마하수는 1.07로 계산되었다. 깃 요소의 공력 데이터는 마하수 0.
- 해석 결과 샤프트각이 감소하고 속도가 증가함에 따라 자동회전이 가능한 콜렉티브 피치각 트림의 범위가 감소하며, 자동회전하는 트림의 영역이 음의 방향으로 이동하다 한 점으로 수렴해 나갔다. 이는 낮은 샤프트각으로 고속에서 자동회전하기 위한 트림 조작이 매우 민감함을 나타낸다.
- BO-105와 비교하여 유선형동체를 사용할 때 동체 받음각 1°에서 1/5, 동체 받음각 5°에서 1/3 수준으로 항력이 감소하는 것을 확인할 수 있다. 해석 결과 유선형 동체에서 엔진 나셀과 허브가 항력의 주 원인임을 알 수 있으며, 받음각이 증가함에 따라 동체 후방에서 발생하는 항력이 감소 ㄱ하고 동체 중앙의 항력이 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 또한 속도 영역을 500ft/s(548.64km/h) 보다 낮게 설정한다면 샤프트각 0°∼6°일 때 콜렉렉티브 피치 제어를 통해 더 높은 하중조건에서도 비행이 가능한 자동회전 트림이 존재하기 때문에 중량 해석 및 임무 해석을 통해 중량화물 운송 임무 또는 다목적 복합 자이로플레인 설계에도 활용할 수 있을 것이다.
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