본 논문에서는 회전익 항공기의 조종입력과 지상 활주 속도를 바탕으로 해석을 통하여 전선절단기 길이를 제시하였다. 항공기의 안전을 위해서 적용되는 전선절단기가 적절한 길이로 선정되지 않을 경우 블레이드와 충돌가능성 생기거나 전선에 의해서 사고가 발생할 수 있다. 본 연구를 위해서 개발에서 사용된 조종입력을 분석하여 지상 활주에 필요한 조종입력 조건을 설정하였다. 이를 바탕으로 20, 40, 60 kts 지상 활주 속도별로 해석을 통하여 블레이드와 전선절단기 충돌 가능성을 검토하였다. 이 후, 이 결과를 항공기 모사시험 결과와 비교하여 해석결과의 적절성을 확인하였다. 최종적으로 지상 활주 간 모든 조종입력 범위에 대해 충돌을 피하기 위한 전선절단기 축소 길이와 이 경우 공중비행 시 생기는 비보호구역의 증가량을 동시에 제시하였다.
본 논문에서는 회전익 항공기의 조종입력과 지상 활주 속도를 바탕으로 해석을 통하여 전선절단기 길이를 제시하였다. 항공기의 안전을 위해서 적용되는 전선절단기가 적절한 길이로 선정되지 않을 경우 블레이드와 충돌가능성 생기거나 전선에 의해서 사고가 발생할 수 있다. 본 연구를 위해서 개발에서 사용된 조종입력을 분석하여 지상 활주에 필요한 조종입력 조건을 설정하였다. 이를 바탕으로 20, 40, 60 kts 지상 활주 속도별로 해석을 통하여 블레이드와 전선절단기 충돌 가능성을 검토하였다. 이 후, 이 결과를 항공기 모사시험 결과와 비교하여 해석결과의 적절성을 확인하였다. 최종적으로 지상 활주 간 모든 조종입력 범위에 대해 충돌을 피하기 위한 전선절단기 축소 길이와 이 경우 공중비행 시 생기는 비보호구역의 증가량을 동시에 제시하였다.
This paper shows a length of wirecutter using an analysis based on Rotorcraft's control input and taxiing speed. In case of selecting an inappropriate length of wirecutter which applies to rotorcraft for safety, this causes a collision between blade and wirecuter, or an accident by wire. We review t...
This paper shows a length of wirecutter using an analysis based on Rotorcraft's control input and taxiing speed. In case of selecting an inappropriate length of wirecutter which applies to rotorcraft for safety, this causes a collision between blade and wirecuter, or an accident by wire. We review the control input which was used in development stage, and establish the conditions of control input which are needed in taxiing. Based on these conditions, we review the collision possibility between blade and wirecutter through analysis in case of 20, 40, 60 kts taxiing speed. Following, this result is verified by comparison with that of a simulation test in rotorcarft. Finally, in case of high collision possibility, we presented the downsize length to avoid the collision and increment of non-protective area in flight, simultaneously.
This paper shows a length of wirecutter using an analysis based on Rotorcraft's control input and taxiing speed. In case of selecting an inappropriate length of wirecutter which applies to rotorcraft for safety, this causes a collision between blade and wirecuter, or an accident by wire. We review the control input which was used in development stage, and establish the conditions of control input which are needed in taxiing. Based on these conditions, we review the collision possibility between blade and wirecutter through analysis in case of 20, 40, 60 kts taxiing speed. Following, this result is verified by comparison with that of a simulation test in rotorcarft. Finally, in case of high collision possibility, we presented the downsize length to avoid the collision and increment of non-protective area in flight, simultaneously.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 본 논문에서는 실제로 수행된 시험 및 해석 결과 등을 바탕으로 블레이드 플래핑과 조종 입력을 고려한 전선절단기 길이 선정 방안을 제시하고자 한다. 또한, 이 과정을 통하여 항공기 안전영역에 대한 추가적인 검증을 할 수 있다.
특히 블레이드의 회전면은 조종사의 조종 입력에 따라 좌우되기 때문에, 블레이드와 전선절단기 충돌가능성이 있는 지상 활주 조건에서 조종 입력에 따른 안전영역 검증은 반드시 필요한 사항이다. 따라서 본 논문에서는 안전 스틱(Safety Stick)을 활용한 전선절단기-블레이드 충돌 모사 시험과 조종 입력, 활주 속도 등을 고려한 해석을 통하여 조종 입력에 따른 전선절단기 길이를 산출한다. 이 과정을 통하여 기존의 항공기 안전영역에 대한 유효성역시 검증될 수 있다.
본 논문에서는 항공기 운용성 및 안전성 향상을 위해 개발에서 확보된 조종 입력을 바탕으로 해석을 통하여 지상 활주속도 별 블레이드, 전선절단기 충돌 예측 점을 확인하였으며, 항공기 충돌 모사 시험을 실시하여 해석 결과의 유효성을 검증하였다. 또한, 이를 바탕으로 조종 입력 별로 충돌이 일어날 경우에, 이를 피하기 위한 전선절단기 축소 길이와 전선절단기 축소로 인해 공중비행 시 생길 수밖에 없는 비보호구역의 증가량을 동시에 산출하였다.
제안 방법
안전 스틱은Fig. 8, Table 1 에서와 같이 전선절단기와 높이가 같은 3단을 기준으로 전선절단기보다 150mm긴 1단, 100mm 긴 2단 및 100mm 낮은 4단으로 구성하였으며 전선절단기 위치에 장착하여 시험을 진행하였다. 시험에서 사용된 컬렉티브 입력은 지상 활주에서 주로 사용되는 30% 근방을 기준으로 하였다.
앞 절에서 조종 입력에 따른 블레이드와 전선절단기 충돌 조건을 확인하였다. 다음으로 충돌이 일어날 경우 블레이드와 전선절단기 충돌 길이 분석을 위하여 CAMRAD II를 이용하여 해석을 수행하였다. 이 결과를 통하여 조종 입력에 따라 충돌을 회피할 수 있는 전선절단기의 길이를 예측할 수 있다.
본 논문에서는 항공기 운용성 및 안전성 향상을 위해 개발에서 확보된 조종 입력을 바탕으로 해석을 통하여 지상 활주속도 별 블레이드, 전선절단기 충돌 예측 점을 확인하였으며, 항공기 충돌 모사 시험을 실시하여 해석 결과의 유효성을 검증하였다. 또한, 이를 바탕으로 조종 입력 별로 충돌이 일어날 경우에, 이를 피하기 위한 전선절단기 축소 길이와 전선절단기 축소로 인해 공중비행 시 생길 수밖에 없는 비보호구역의 증가량을 동시에 산출하였다.
본 논문의 회전익기는 조종실 상부 구조물에 장착된 상부 전선절단기와 보조착륙장치 전방에 장착된 하부 전선절단기가 있으며, 각 전선절단기는 Fig. 1과 같이 전선을 커터(Cutter)로 인도하는 조향기(Deflector)와 직접 전선을 절단하는 커터로 구성되어 있다. 전선절단기는 항공기가 저고도 저속 비행 시, 전선 충돌에 대비하여 만들어진 장비이며 최대 약 50kts의 헬기 속도에서 극한인장력의 강철선 절단이 가능토록 설계되어있다[1].
컬렉티브 레버의 경우는 최대로 내렸을 경우가 0%이며 최대한 당겼을 때가 100%로 표현된다. 본 논문의 회전익기의 조종간 입력은 기계적 링키지와 SEMA(SmartElectro-Mechanical Actuator)라고 불리는 전기기계식 작동기를 통하여 3개의 로터 작동기로 전달이 되고, 3개의 로터 작동기는 블레이드의 회전면을 변화시켜 항공기 기동을 조종하게 된다.
이 결과를 통하여 조종 입력에 따라 충돌을 회피할 수 있는 전선절단기의 길이를 예측할 수 있다. 블레이드가 전선절단기를 충돌하는 최대 길이를 산출하기 위하여 사이클릭 입력을 0%까지 최대한 사용하는 것으로 하였으며, 컬렉티브 입력은 0% ~ 50% 구간, 최종 획득을 목표로 하는 지상 활주 속도를 20kts, 40kts, 60kts 기준으로 해석을 수행하였다. 결과는 Fig.
일반적인 고객 요구조건을 감안하여 high 동력의 –10%를 기준으로하고 전선절단기와 블레이드 간격에 추가로10% 마진을 고려하여 전선절단기 축소량을 산출하였다.
안전영역에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 전선절단기 위치는 해외업체의 기술지원을 받아 조종사의 시야 방해가 없고 항공기 전방동체 및 엔진카울 구조를 고려하여 조종실 상부로 결정이 되었다. 전선절단기 조향기(Deflecter)의 길이 역시 해외업체의 기술지원을 바탕으로 한 안전영역과 개발업체의 전선절단기 해석결과 등을 종합하여 결정 되었다. 이렇게 결정된 전선절단기의 위치와 길이는 개발 기간 동안에 간극이 충분한지 검증되어야 한다.
항공기 거동/하중 예측 시뮬레이션 프로그램인 CAMRAD II를 이용하여 지상 활주 시, 컬렉티브와 사이클릭 입력 량에 대하여 블레이드와 전선절단기 충격 시점을 예측해 볼 수 있다. 해석은 Fig. 6과 같이 컬렉티브 입력 량을 고정시킨 후 사이클릭 입력을 100%에서 0%로 변경시키며 최종 획득 목표가 20, 40, 60kts의 속도인 3가지 경우에 대하여 수행하였다. 해석 시에 플래핑 운동에 의한 마스트 변형 1°를 고려하였다.
대상 데이터
앞 절의 해석결과를 검증하기 위하여 한국형 기동헬기에서 블레이드 플래핑 각도 예측을 위하여 실시된 시험을 이용하였다[2]. 항공기 시험은 안전을 위해서 전선절단기에 연결된 브라켓과 나무로 만들어진 안전 스틱(Safety Stick)을 활용한다.
성능/효과
3kts이다. Fig.7의 해석 결과와 비교해 보면 사이클릭 입력 약 9%에서 충돌이 발생하기 때문에 실제시험보다 해석이 약 6% 정도 보수적으로 나오는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 해석결과의 신뢰성을 확인할 수 있다. 전선절단기와 블레이드의 충돌은 항공기 안전에 치명적인 영향을 미칠 수 있기 때문에, 보수적인 해석결과를 사용하는 것은 안전성 측면에서 타당한 것으로 판단된다.
본 논문의 회전익기 개발 시 지상 활주 데모에 따르면 컬렉티브 조종 입력은 20~30%, 사이클릭 조종 입력은 50~55% 수준을 사용할 것으로 예측이 되었다. 실제 개발시험의 조종입력을 분석해 보면 Fig.
또한, 비행 시에 블레이드가 양력을 받아서 위로 올라가게 되면 전선절단기와 블레이드 사이가 비보호구역으로 남게 된다. 본 논문의 회전익기 수평 비행을 분석해 보면, 비행 중 Fig. 2와 같이 최소 약 4XX mm에서 최대 약 1,XXX mm의 비보호 구역이 생길 수 있다. 블레이드와 전선절단기의 간극이 최대인 경우에는 전선이 로터계통으로 들어오게 될 확률이 증가하여, 항공기 안전성에 영향을 미칠 수 있다.
본 논문의 회전익기 개발 시 지상 활주 데모에 따르면 컬렉티브 조종 입력은 20~30%, 사이클릭 조종 입력은 50~55% 수준을 사용할 것으로 예측이 되었다. 실제 개발시험의 조종입력을 분석해 보면 Fig. 5와 같이 컬렉티브 입력 15~30%, 사이클릭 입력 40~60% 정도로 나오는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 이는 조종사들이 개발이라는 특성을 감안한 조종 입력이며 실제 양산기의 조종 입력은 조종사 특성에 따라 다를 수 있다.
5kts이다. 해석결과를 보면 이 경우 사이클릭 입력 10% 근방에서 충돌이 일어나기 때문에 3단까지 탈락이 되어야 하지만 1/2단만 탈락이 되어 충돌이 발생하지 않는 것이 확인되었다. 컬렉티브 입력을28%로 한 경우는 사이클릭 조종입력이 2.
이 밖에도 활주로의 길이나 지상에서 목표로 하는 속도를 얻는데 걸리는 시간 등을 고려하면 사용할 수 있는 조종 입력이 나오게 되며 이를 통하여 전선절단기 길이를 선정할 수 있다. 해석의 보수성을 감안하고 일반적인 운용 환경을 가정하면 조건 3의 전선절단기 축소량을 적용하면 지상 활주 시 조종 입력 제한 없이 항공기 운용이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
본 논문의 결과는 향후 회전익 개발 사업에 좋은 참고가 될 것으로 기대되며, 특히 회전익항공기 안전영역 검증 방법에도 좋은 제안이 될것으로 판단된다. 다만, 해석 결과가 시험에 비해서 보수적이기 때문에 이 차이를 줄이기 위한 해석 기법에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
본 논문의 결과를 활용할 경우 운용 환경과 조종사의 조종 입력 특성에 맞추어 최적화 된 전선절단기 길이를 선정할 수 있을 것으로 판단되며, 항공기의 효율적인 운용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 산출된 조종 입력을 바탕으로 항공기에 경고 시스템 또는 조종 입력 제한기를 적용할 경우 안전성 향상에 크게 기여할 것으로 판단된다.
본 논문의 결과는 향후 회전익 개발 사업에 좋은 참고가 될 것으로 기대되며, 특히 회전익항공기 안전영역 검증 방법에도 좋은 제안이 될것으로 판단된다. 다만, 해석 결과가 시험에 비해서 보수적이기 때문에 이 차이를 줄이기 위한 해석 기법에 대한 연구가 추가적으로 필요할 것으로 판단된다.
본 논문의 결과를 활용할 경우 운용 환경과 조종사의 조종 입력 특성에 맞추어 최적화 된 전선절단기 길이를 선정할 수 있을 것으로 판단되며, 항공기의 효율적인 운용이 가능할 것으로 판단된다. 또한, 산출된 조종 입력을 바탕으로 항공기에 경고 시스템 또는 조종 입력 제한기를 적용할 경우 안전성 향상에 크게 기여할 것으로 판단된다.
만약 조종사가 조건 1에서 지상에서 최소비행중량으로 사이클릭 입력을 0%까지 사용하여 60kts로 활주 할 시에는 약 236mm 전선절단기 축소가 필요하며, 이 경우 비행 중 비보호 구역은 기존의 17%가 늘어나서 비행 중 최대 1,xxx mm의 비보호구역이 존재하게 된다. 본 해석 결과를 따르면, 항공기를 운용하는 환경에 전선이 별로 없고 사이클릭 조종 입력을 최대한 사용하고 싶다면 전선절단기를 축소하여 사용하는 것이 효과적이게 될 것이다. 하지만, 항공기 운용환경에 전선이 많고 지상에서 큰 활주 속도가 필요 없다면, 반대로 조종사의 조종입력을 제한하고 전선절단기를 조금 더 늘리는 것이 항공기 안전성 확보에 도움이 될 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전선절단기는 무엇으로 구성되어 있는가?
본 논문의 회전익기는 조종실 상부 구조물에 장착된 상부 전선절단기와 보조착륙장치 전방에 장착된 하부 전선절단기가 있으며, 각 전선절단기는 Fig. 1과 같이 전선을 커터(Cutter)로 인도하는 조향기(Deflector)와 직접 전선을 절단하는 커터로 구성되어 있다. 전선절단기는 항공기가 저고도 저속 비행 시, 전선 충돌에 대비하여 만들어진 장비이며 최대 약 50kts의 헬기 속도에서 극한인장력의 강철선 절단이 가능토록 설계되어있다[1].
회전익 항공기에 왜 전선절단기(WireCutter)가 설치되어있는가?
회전익 항공기는 고정익 항공기와 달리 지상에 근접하여 수행하는 임무가 많으며 위급한 상황에서 조종사 탈출이 불가능하기 때문에 일반적으로 안전성 확보를 위한 전선절단기(WireCutter)가 항공기 외부에 설치되어 있다.
어떤 경우 전선절단기와 블레이드의 충돌 가능성이 존재하는가?
회전익기는 피치(Pitch)와 롤(Roll) 운동을 조종하는 사이클릭 조종간과 수직운동을 조종하는 컬렉티브 조종간의 조합으로 로터계통의 움직임이 생기며, 두 조종간의 조종 입력은 조종사의 조종특성에 따라 다양한 조합으로 나타날 수 있다.즉, 조종사들이 지상에서 필요한 속도, 임무 환경등에 따라 다양한 조종 입력을 사용할 수 있으며 이는 때때로 블레이드 회전면의 과도한 기울어짐을 만든다. 이 경우 전선절단기와 블레이드의 충돌 가능성이 존재하고 있는 것이다.
참고문헌 (7)
Helicopter, Utility, Korean Defense Specification 1520-4001-2, 2013.
Y.J. Kim, S.G. Lee, S.J. Lee, I.K. Chang and D.S. Shim, "Prediction of the Blade Flapping Angle for Korean Utility Helicopter by Applying Indirect Method", J. of the Korean Society for Aeronautical and Space Science, 43(10), 2015, pp. 888-895
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.