[논문]복합 자이로플레인의 한계 속도에 대한 탐색연구(2) : 속도 및 날개 사이징

신병준; 김학윤

doi:10.5139/jksas.2015.43.11.978

복합 자이로플레인의 한계 속도에 대한 탐색연구(2) : 속도 및 날개 사이징
An Exploratory Study on the Speed Limit of Compound Gyroplane(2) : Speed and Wing Sizing 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.11, 2015년, pp.978 - 983

신병준 (Department of Aeronautical System engineering, Hanseo University) , 김학윤 (Department of Aeronautical System engineering, Hanseo University)

초록
AI-Helper

복합 자이로플레인의 최대 비행 속도 설정 및 부족한 양력을 보조하는 고정익의 사이징에 관한 연구를 수행하였다. BO-105 헬리콥터의 로터 시스템과 엔진을 사용하는 복합 자이로플레인의 성능을 BO-105 헬리콥터와 비교하였다. 로터의 공력특성과 양력분담률을 고려하여 고정익의 익면적을 계산하고 BO-105 동체와 유선형 동체의 형상에 따른 전진 비행 성능 변화를 관찰하였다. 해석 결과 자동회전이 가능한 속도 범위에서 로터는 자동회전으로 1/2의 양력 분담이 가능하고 나머지 절반의 양력을 담당하는 날개를 유선형의 동체에 부착할 경우 유해동력을 최소로 줄일 수 있으며 따라서 복합 자이로플레인 방식으로 비행할 때 헬리콥터보다 높은 속도로 전진 비행할 수 있을 것으로 예측되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A study on the speed limit and sizing of auxiliary fixed-wing of compound gyroplane was performed. The performance of the plane that uses the same rotor system and power of BO-105 helicopter was compared with that of BO-105 helicopter. The wing area which is used to compensate in lift, was calculated considering the aerodynamic characteristics and lift sharing ratio of the rotor. Achievable flight speeds were observed for two types of fuselage; BO-105 and streamlined bodies. The study showed that the autorotating rotor can share 1/2 of lift at high speed and the parasite power of compound gyroplane having streamlined body and small wing can be minimized, accordingly it can fly faster than helicopter with airspeed more than twice.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

복합 자이로플레인의 전진비행성능 예측 기법에 대해 연구를 수행하였다. BO-105 헬리콥터의 로터 시스템과 동력장치를 동일하게 사용할 경우 복합 자이로플레인으로서 달성 가능한 최대속도 성능을 추정하고자 하였다. 로터와 동체의 공력 특성을 고려하여 고정익의 양력분담률을 정한 후 날개의 사이징을 수행하고 가로세로비, 테이퍼비를 매개변수로 설정하여 테이퍼형 고정익을 설계하였다.
본 연구에서는 복합 자이로플레인의 전진비행 성능 해석을 수행하였다. BO-105 헬리콥터의 로터시스템과 동력장치를 동일하게 사용할 경우 복합 자이로플레인 방식으로 달성 가능한 최대속도 성능을 추정하고자 하였다. 이에 따라 (1)편에서는 과도모사법을 이용한 로터의 자동회전성능 해석을 수행하였으며 BO-105의 동체와 유선형 동체 형상에 대하여 전산유체 해석을 수행하여 동체 항력을 정량적으로 고려하였다.
복합 자이로플레인의 전진비행성능 예측 기법에 대해 연구를 수행하였다. BO-105 헬리콥터의 로터 시스템과 동력장치를 동일하게 사용할 경우 복합 자이로플레인으로서 달성 가능한 최대속도 성능을 추정하고자 하였다.
이에 따라 (1)편에서는 과도모사법을 이용한 로터의 자동회전성능 해석을 수행하였으며 BO-105의 동체와 유선형 동체 형상에 대하여 전산유체 해석을 수행하여 동체 항력을 정량적으로 고려하였다. 본 논문에서는 고속에서 부족한 양력을 보조하는 고정익의 크기를 결정하기 위해 전산유체 해석된 익형의 공력특성을 고려하여 고정익-사이징을 수행하였다.
본 연구에서는 복합 자이로플레인의 전진비행 성능 해석을 수행하였다. BO-105 헬리콥터의 로터시스템과 동력장치를 동일하게 사용할 경우 복합 자이로플레인 방식으로 달성 가능한 최대속도 성능을 추정하고자 하였다.
하지만 낮은 비행 효율과 로터의 공력특성으로 인해 비행 속도와 순항거리에서 제한되었다. 이에 회전익 항공기의 비행 효율과 전진 속도 한계를 극복하기 위해 추진 방법과 추력 전환 방법에 따라 다양한 복합 비행체의 실험적 연구개발[1]이 수행되었다. 로터의 자동회전을 이용하는 자이로플레인과 콤파운드 헬리콥터는 90년대 말부터 고속 VTOL기의 대안으로 주목받고 있으며, 이러한 항공기 개념을 제시한 것은 Catercopter사와 Groen사이다.

가설 설정

헬리콥터의 경우 로터를 앞으로 기울여 전진추력을 발생시키지만 자이로플레인방식의 로터에서는 샤프트축이 뒤로 기울어지기 때문에 전진추력을 얻기 위한 별도의 동력기관이 필요하다. 헬리콥터 방식과 복합 자이로플레인 방식의 전진비행 성능을 비교하기 위해 전진추력을 얻기 위한 동력기관을 BO-105(2x425HP)엔진과 동일한 동력을 사용한다고 가정하고 비행 속도 영역을 설정했으며 날개 사이징을 수행했다. 전진추력을 발생시키기 위한 동력기관에 따른 동력전달효율은 고려하지 않았다.

제안 방법

BO-105와 동일한 운항하중인 4620 lbs(2096kg)를 기준하중 W로 설정하고 로터, 동체, 고정익의 양력, 항력, 추력을 계산하였다. 고정익의 익형으로 NACA 23102를 사용하였으며, 공력 특성을 고려하기 위하여 2차원 압축성 Navier-Stokes 해석된 공력 계수 값을 사용하였다.
과도모사법으로 해석된 로터의 성능 데이터를 입력받아 로터 양력 LR', 로터 양항비 (L/D)R를 고려하여 트림 영역을 설정하였다.
BO-105 헬리콥터의 로터 시스템과 동력장치를 동일하게 사용할 경우 복합 자이로플레인으로서 달성 가능한 최대속도 성능을 추정하고자 하였다. 로터와 동체의 공력 특성을 고려하여 고정익의 양력분담률을 정한 후 날개의 사이징을 수행하고 가로세로비, 테이퍼비를 매개변수로 설정하여 테이퍼형 고정익을 설계하였다. 자동회전하는 로터는 고속에서 작은 샤프트각을 유지하여도 50%의 양력분담을 할 수 있으므로 비교적 작은 날개를 가지는 복합 자이로플레인을 설계할 수 있다.
복합 자이로플레인 방식과 헬리콥터 방식의 비행 성능을 비교하기 위한 기종으로 BO-105를 설정하고, 복합 자이로플레인의 성능을 추정하기 위하여 로터, 동체, 고정익, 엔진으로부터 양·항력 성능 및 필요동력을 계산하였다.
복합 자이로플레인의 고정익 양력분담률을 50%로 설정하고, 설정된 최대속도에서 필요한 익면적과 이에 따른 요구동력을 계산하였다. 최대속도 설정에 따른 필요동력을 BO-105의 비행실험 데이터[11]와 비교하여 Fig.
본 연구에서는 부족한 양력을 보조하는 수단으로 사용하는 고정익의 양력분담률 n_W을 최대 전진 속도에서 50%로 설정하였다. 하지만 복합 항공기에서 회전익과 고정익의 양력분담률에 따라 공력특성이 크게 변화함으로 Trade Study를 통한 최적화가 요구된다.
과도모사법으로 로터의 자동회전 성능을 계산하고 트림영역을 설정하였다. 전진비행 속도를 증가시키며 로터, 동체, 고정익의 비행 성능을 계산하고 비행에 필요한 고정익의 면적을 계산하였다.

이론/모형

BO-105와 동일한 운항하중인 4620 lbs(2096kg)를 기준하중 W로 설정하고 로터, 동체, 고정익의 양력, 항력, 추력을 계산하였다. 고정익의 익형으로 NACA 23102를 사용하였으며, 공력 특성을 고려하기 위하여 2차원 압축성 Navier-Stokes 해석된 공력 계수 값을 사용하였다.
Figure 2에 성능 계산 및 고정익-사이징 과정을 나타내었다. 과도모사법으로 로터의 자동회전 성능을 계산하고 트림영역을 설정하였다. 전진비행 속도를 증가시키며 로터, 동체, 고정익의 비행 성능을 계산하고 비행에 필요한 고정익의 면적을 계산하였다.
복합 자이로플레인의 수평비행성능은 로터의 자동회전 가능 여부와 밀접한 관계가 있다. 로터의 자동회전 성능은 과도모사법(TSM: Transient Simulation Method)을 이용하여 계산되며 샤프트각, 속도, 콜렉티브 피치각에 따라 결정된다. 이때 변수의 조합에 따라 자동회전 성능이 크게 변화함으로 적절한 트림 영역을 설정해야 한다.

성능/효과

(1)편에서의 계산 결과를 보면 샤프트각 0°~6°에서는 로터의 최대 회전속도가 460RPM으로 계산되었으며, 콜렉티브 피치각을 0.1°씩 스위핑시켜 전진 비행 속도 100∼540ft/s(109.7∼592.5km/h)일 때 자동회전 가능한 변수의 조합이 탐색되었다.
BO-105의 동체를 이용하여 복합 자이로플레인으로 비행할 때 최대 240ft/s(263.3km/h)까지 비행이 가능한 것으로 예측되었다. BO-105의 최대 속도가 200ft/s(219.
BO-105의 엔진 동력엔진이 850Hp인 것을 고려하면 로터의 자동회전 성능만을 고려할 때보다 최대 비행 속도가 80ft/s (87.7km/h) 감소한 460ft/s (504.75km/h)로 비행 가능한 것으로 예측되었다. 이는 낮은 샤프트각을 사용하는 복합 자이로플레인이 고속으로 비행할수록 동체와 고정익에서 발생하는 항력이 속도 제곱에 비례하여 높아지며 따라서 높은 동력을 요구하기 때문이다.
로터의 콜렉티브 피치각을 조절함에 따라 로터의 양력분담률을 일정하게 조정하여 안정적인 비행을 확보할 수 있다. BO-105의 엔진을 기준으로 동력 설정을 하고 복합 자이로플레인 방식으로 비행할 때 필요동력을 계산한 결과 BO-105 보다 매우 높은 속도의 비행이 가능함을 확인하였다. 헬리콥터 방식에서는 로터의 한계로 인해 높은 속도의 비행이 제한되지만 자동회전을 이용한 로터시스템을 사용한다면 더 높은 속도의 비행이 가능할 것이다.
헬리콥터 방식에서는 로터의 한계로 인해 높은 속도의 비행이 제한되지만 자동회전을 이용한 로터시스템을 사용한다면 더 높은 속도의 비행이 가능할 것이다. 본 연구에서는 복합 자이로플레인 방식으로 비행할 때 속도한계를 추정하는 방법이 제시됨으로써 복합 자이로플레인의 개념설계와 속도영역, 트림 영역 설정, 성능 추정 등을 할 수 있음을 보였다. 향후 실험을 통한 결과 검증에 대한 연구가 요구되며 본 연구에서 제시된 설계 및 해석 기법은 복합 회전익 또는 자이로플레인의 설계 및 성능 추정에 활용될 수 있을 것이다.
샤프트각이 증가함에 따라 필요동력도 증가하는 추세를 나타내며 샤프트각 0°와 3°에서 거의 동일한 필요동력이 계산되었다.
수평비행에서 잉여 동력이 일정 수준 이하가 되는 점에서의 속도를 최대속도로 결정하였으며, Pα ≥ PR 일 때 전진비행이 가능하다고 판단하였다.
유선형 동체를 사용하는 복합 자이로플레인이 샤프트각 3°로 비행할 때 BO-105 요구동력의 1/2∼1/3수준으로 같은 속도의 비행이 가능한 것을 확인할 수 있다.
유선형 동체를 사용하는 복합 자이로플레인이 샤프트각 3°로 비행할 때 BO-105 요구동력의 1/2∼1/3수준으로 같은 속도의 비행이 가능한 것을 확인할 수 있다. 즉, 복합 자이로플레인 방식으로 비행하는 것이 헬리콥터 방식으로 비행하는 것보다 효율적이며 같은 동력 조건에서 더 높은 속도의 비행이 가능하다는 것을 의미한다.
해석 결과를 종합해 보면, 낮은 샤프트각에서도 복합 자이로플레인 방식으로 고속 비행하기에 충분한 성능을 나타냄을 알 수 있으나, 로터의 양력과 양항비, 로터의 양력분담률을 고려하면 샤프트각 3°가 고속비행에 적합한 자세인 것으로 판단된다.

후속연구

속도 영역을 500ft/s(548.64km/h) 보다 낮게 설정한다면 샤프트각 0°∼6°일 때 콜렉티브 피치 제어를 통해 더 높은 하중조건에서도 비행이 가능한 자동회전 트림이 존재함으로 중량 해석 및 임무 해석을 통해 중량화물 운송 임무 또는 다목적 복합 자이로플레인 설계에도 활용할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 복합 자이로플레인 방식으로 비행할 때 속도한계를 추정하는 방법이 제시됨으로써 복합 자이로플레인의 개념설계와 속도영역, 트림 영역 설정, 성능 추정 등을 할 수 있음을 보였다. 향후 실험을 통한 결과 검증에 대한 연구가 요구되며 본 연구에서 제시된 설계 및 해석 기법은 복합 회전익 또는 자이로플레인의 설계 및 성능 추정에 활용될 수 있을 것이다.
BO-105의 엔진을 기준으로 동력 설정을 하고 복합 자이로플레인 방식으로 비행할 때 필요동력을 계산한 결과 BO-105 보다 매우 높은 속도의 비행이 가능함을 확인하였다. 헬리콥터 방식에서는 로터의 한계로 인해 높은 속도의 비행이 제한되지만 자동회전을 이용한 로터시스템을 사용한다면 더 높은 속도의 비행이 가능할 것이다. 본 연구에서는 복합 자이로플레인 방식으로 비행할 때 속도한계를 추정하는 방법이 제시됨으로써 복합 자이로플레인의 개념설계와 속도영역, 트림 영역 설정, 성능 추정 등을 할 수 있음을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합 자이로플레인의 개념은 무엇인가?	로터의 자동회전을 이용하는 자이로플레인과 콤파운드 헬리콥터는 90년대 말부터 고속 VTOL기의 대안으로 주목받고 있으며, 이러한 항공기 개념을 제시한 것은 Catercopter사와 Groen사이다. Catercopter사는 고관성 로터를 이용하여 Jump 이륙을 하고, 자동회전하는 로터의 양력과 이를 보조하는 고정익의 양력을 이용하여 고속 비행하는 복합 자이로플레인의 개념을 제시하였다. Groen사는 FAA의 형식인증을 목적으로 중량 20,000lbs(9,071.
	헬리콥터의 비행 한계점은 무엇인가?	헬리콥터는 개발된 이후 구조 활동과 단거리 간의 운송 분야에서 빠르게 가치를 인정받았다. 하지만 낮은 비행 효율과 로터의 공력특성으로 인해 비행 속도와 순항거리에서 제한되었다. 이에 회전익 항공기의 비행 효율과 전진 속도 한계를 극복하기 위해 추진 방법과 추력 전환 방법에 따라 다양한 복합 비행체의 실험적 연구개발[1]이 수행되었다.
	Catercopter사와 Groen사가 제안한 VTOL기의 대안은 무엇인가?	이에 회전익 항공기의 비행 효율과 전진 속도 한계를 극복하기 위해 추진 방법과 추력 전환 방법에 따라 다양한 복합 비행체의 실험적 연구개발[1]이 수행되었다. 로터의 자동회전을 이용하는 자이로플레인과 콤파운드 헬리콥터는 90년대 말부터 고속 VTOL기의 대안으로 주목받고 있으며, 이러한 항공기 개념을 제시한 것은 Catercopter사와 Groen사이다. Catercopter사는 고관성 로터를 이용하여 Jump 이륙을 하고, 자동회전하는 로터의 양력과 이를 보조하는 고정익의 양력을 이용하여 고속 비행하는 복합 자이로플레인의 개념을 제시하였다.

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Gareth D Padfield, Pierre-Marie Basset, Andre-Michael Dequin, Wolfgang Von Grunhagen, David Haddon, Henk Haverdings, Konstantin Kampa, Andrew T McCallum, "Predicting Rotorcraft Flying Qualities through Simulation Model", GARTEUR, The 22nd European Rotocraft Forum 17-19th, 1996.9
Houston, S. S., "The Gyrodyne-A Forgotten High Performer?", Journal of the American helicopter society, 52.4, pp.382-391, 2007

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