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문제 정의
- 소형민수헬기 주로터 축소 모델을 이용한 풍동시험은 블레이드 끝단 형상(blade tip shape)에 따른 공력성능과 소음특성을 평가하기 위해 수행될 예정이므로, 실물 로터 시스템의 구조적인 변형을 모사하는 것보다 팁 회전속도를 동일하게 유지함으로써 공기역학적인 환경을 모사하는 것이 중요하다. 따라서 이를 위해서는 마하 스케일 로터 모델을 적용하는 것이 적절하므로, 본 연구에서는 소형민수헬기의 풍동시험을 위한 마하 스케일 로터 블레이드의 내부구조 설계를 수행하였다. 이후 설계결과를 이용하여 블레이드의 단면강성을 평가하기 위해 KSec2D[4] 프로그램을 사용하였으며, 회전익 항공기의 통합해석 프로그램인 CAMRADII[5]를 이용하여 축소 로터 모델의 구조하중 분포와 동역학적특성을 검토하였다.
- 본 논문에서는 소형민수헬기의 풍동시험을 위한 마하 스케일 축소로터 블레이드의 설계 과정을 소개하였다. 실물 로터 시스템으로부터 축소로터 모델로 상사시키기 위해 마하 스케일 축소계수에 따라 주요 설계단면의 목표 물성치를 설정하였다.
제안 방법
- 그러나 다수의 블레이드(N>5)가 적용된로터 시스템의 경우 댐퍼와 피치링크 또는 피치혼간의 간섭을 피해 허브와 연결할 수 있는 공간을 확보기가 용이하지 않고, 장착되는 댐퍼 수에 따라 전체적으로 로터 시스템의 중량이 증가하게 된다. 따라서 제한적인 공간의 이용 효율을 높이는동시에 댐퍼의 크기와 중량을 감소시키는 측면에서 블레이드간 댐퍼(inter-blade damper)를 적용하였으며, 장착위치에 따른 댐퍼의 하중과 변형특성을 검토하였다. 해석조건은 Fig.
- 로터 회전에 의해 블레이드에 작용하는 원심력과 공기력에 의한 굽힘 하중을 지지하기 위해 블레이드 핀을 시작으로 블레이드 끝단까지 일방향 유리섬유(glass UD)를 로빙 형태로 감아서 노즈 스파를 형성하였다. 또한 블레이드의 토션 강성과 플랩 및 래그 방향의 부족한 강성을 보완하기 위한 요소로서 토션박스를 적용하였으며, 탄소섬유(carbon fabric) 3-ply([45/-45/45])로 적층된다. 스킨은 블레이드의 공기역학적인 외형을 유지하는 동시에 구조적인 강성의 일부분을 담당하는 요소로서 탄소섬유가 적용된 상/하 스킨으로 구분되며, R-0~S-2 단면에서는 3-ply([45/-45/0]), S-3~S-8 단면에서는 2-ply([45/0])를 적용하였다.
- 1984)이며, 실물 로터와 동일한 블레이드 끝단의 회전속도를 유지하기 위해 1,724 rpm (ΩNR)으로 회전하도록 설계되었다. 또한 실물 로터 시스템의 허브 구성과 동일하도록 관절형 허브(articulatedhub)와 댐퍼(inter-blade damper)를 적용하였다.
- 로터 반경 1.25 m의 마하 스케일 로터 블레이드에 대한 내부 구조설계를 수행하였으며, 내부는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 노즈 스파(nose spar), 스킨(skin), 토션 박스(torsion box) 및 폼 코어(foam core)로 구성된다. 로터 회전에 의해 블레이드에 작용하는 원심력과 공기력에 의한 굽힘 하중을 지지하기 위해 블레이드 핀을 시작으로 블레이드 끝단까지 일방향 유리섬유(glass UD)를 로빙 형태로 감아서 노즈 스파를 형성하였다.
- 또한 플랩강성의 경우 설계목표와 비교하여 높게 설계되었으나, 1~6차 플랩모드의 고유진동수를 고려할때 수용할만한 수준임을 확인하였다. 로터 회전수를 0~2,070 rpm까지 증가시키면서 블레이드의 고유진동수와 모드형상 변화를 검토하였다. Fig.
- 1에 나타낸 바와 같이 노즈 스파(nose spar), 스킨(skin), 토션 박스(torsion box) 및 폼 코어(foam core)로 구성된다. 로터 회전에 의해 블레이드에 작용하는 원심력과 공기력에 의한 굽힘 하중을 지지하기 위해 블레이드 핀을 시작으로 블레이드 끝단까지 일방향 유리섬유(glass UD)를 로빙 형태로 감아서 노즈 스파를 형성하였다. 또한 블레이드의 토션 강성과 플랩 및 래그 방향의 부족한 강성을 보완하기 위한 요소로서 토션박스를 적용하였으며, 탄소섬유(carbon fabric) 3-ply([45/-45/45])로 적층된다.
- 본 연구에서는 블레이드 단면설계 결과와 상용 프로그램인 Midas-NFX[6]를 통해 2차원 유한요소 모델(4-node rectangular & triangular element)을 생성하여 각각의 요소에 대한 절점과 좌표 정보를 확보하였다.
- 본 논문에서는 소형민수헬기의 풍동시험을 위한 마하 스케일 축소로터 블레이드의 설계 과정을 소개하였다. 실물 로터 시스템으로부터 축소로터 모델로 상사시키기 위해 마하 스케일 축소계수에 따라 주요 설계단면의 목표 물성치를 설정하였다. 또한 축소 블레이드 제작을 위해 국내에서 수급 가능한 탄소섬유 및 유리섬유 계열의 복합소재를 적용하였다.
- 단면구조 설계가 완료된 블레이드 모델에 대해 회전익항공기의 통합해석 프로그램인 CAMRADII를 이용하여 동특성 해석을 수행하였다. 축소 로터 해석모델을 생성하기 위해 8개의 1차원 비선형보-요소(Euler-Bernoulli nonlinear beam element)와 23개의 공력패널(aerodynamic panel)을 적용하였으며, 이를 통해 생성된 축소 로터 해석모델(isolated rotor model)의 형상을 Fig. 4에 제시하였다. ΩNR 회전 조건에서 1차 래그모드와 플랩모드 및 토션모드의 고유진동수는 0.
- 마하 스케일 축소 로터를 이용한 풍동시험은 블레이드의 끝단 형상에 따른 공력성능과 소음특성을 평가하기 위해 수행될 예정이다. 특히 국제민간항공기구(ICAO)에 의해 소음제한치가 제시되어 있는 이륙(takeoff), 접근(approach) 및 플라이오버(flyover) 조건을 중심으로 실험이 진행될 예정이므로 구조강도 해석에 필요한 블레이드 반경방향으로의 하중분포를 검토하기 위해 픙동시험 조건으로 하중해석을 수행하였다. 해석 조건으로 적용된 축소로터의 회전축 각도(shaft tilt angle), 풍속(wind speed) 및 추력계수(CT/σ) 값을 Table 5에 제시하였으며, 각각의 시험조건에 따라 블레이드 반경방향으로 17개 단면에서 작용하는 하중분포를 Figs.
대상 데이터
- 실물 로터 시스템으로부터 축소로터 모델로 상사시키기 위해 마하 스케일 축소계수에 따라 주요 설계단면의 목표 물성치를 설정하였다. 또한 축소 블레이드 제작을 위해 국내에서 수급 가능한 탄소섬유 및 유리섬유 계열의 복합소재를 적용하였다. 모달 해석을 통해 주요모드별 고유진동수와 모드형상을 검토하였으며, 로터 회전 시 공진에 의한 동적 불안정 현상의 발생 위험이 낮음을 확인하였다.
- 2에 나타내었다. 축소 블레이드 설계에 적용된 소재는 국내에서 수급이 가능한 프리프레그 형태의 복합소재이며, 일방향 유리섬유의 경우 한국화이바에서 생산되는 GU150NS이며, 탄소섬유는 한국카본의 HPW193/RS1222이다. 폼 코어 재질로는 실물블레이드 제작에 사용되고 있는 Rohacell 51WF를 선정하였다.
- 축소 블레이드 설계에 적용된 소재는 국내에서 수급이 가능한 프리프레그 형태의 복합소재이며, 일방향 유리섬유의 경우 한국화이바에서 생산되는 GU150NS이며, 탄소섬유는 한국카본의 HPW193/RS1222이다. 폼 코어 재질로는 실물블레이드 제작에 사용되고 있는 Rohacell 51WF를 선정하였다. 축소 블레이드 설계에 적용된 각각의 소재들에 대한 주요 물성치를 Table 3에 제시하였다.
데이터처리
- 단면구조 설계가 완료된 블레이드 모델에 대해 회전익항공기의 통합해석 프로그램인 CAMRADII를 이용하여 동특성 해석을 수행하였다. 축소 로터 해석모델을 생성하기 위해 8개의 1차원 비선형보-요소(Euler-Bernoulli nonlinear beam element)와 23개의 공력패널(aerodynamic panel)을 적용하였으며, 이를 통해 생성된 축소 로터 해석모델(isolated rotor model)의 형상을 Fig.
- 따라서 이를 위해서는 마하 스케일 로터 모델을 적용하는 것이 적절하므로, 본 연구에서는 소형민수헬기의 풍동시험을 위한 마하 스케일 로터 블레이드의 내부구조 설계를 수행하였다. 이후 설계결과를 이용하여 블레이드의 단면강성을 평가하기 위해 KSec2D[4] 프로그램을 사용하였으며, 회전익 항공기의 통합해석 프로그램인 CAMRADII[5]를 이용하여 축소 로터 모델의 구조하중 분포와 동역학적특성을 검토하였다.
성능/효과
- ΩNR 회전 조건에서 1차 래그모드와 플랩모드 및 토션모드의 고유진동수는 0.31/rev, 1.05/rev,6.16/rev으로 평가되었으며, Table 4에 제시한 바와 같이 1~10차 모드의 고유진동수 설계목표와 비교하여 최대 8.8% 이내임을 확인하였다.
- Figs. 8~10은 로터 반경방향으로의 플랩, 래그 및 비틀림 모멘트 분포를 보여주고 있으며, 플랩과 래그 모멘트에 비해 비틀림 모멘트는 비교적 낮은 수준임을 확인하였다. 블레이드의 구조적 강도에 가장 큰 영향을 주는 플랩 모멘트의 경우 접근비행 조건에서 정적 및 동적 모멘트 값이 최대임을 확인하였다.
- 7~10에 나타내었다. Fig. 7에 나타낸 바와 같이 블레이드에 작용하는 원심력은 블레이드 루트 부위에서 최대의 값을 나타내고 있으며, 접근비행에 비해 이륙과 플라이오버 비행조건에서 원심력의 동적인 변화가 크게 발생함을 확인할 수 있었다. Figs.
- 7mm임을 확인하였다. 따라서 case-3의 경우 댐퍼하중과 변위가 최대로 평가되었으며, case-2의 경우 댐퍼 하중과 변위가 최소임을 확인하였다.
- 8% 이내임을 확인하였다. 또한 플랩강성의 경우 설계목표와 비교하여 높게 설계되었으나, 1~6차 플랩모드의 고유진동수를 고려할때 수용할만한 수준임을 확인하였다. 로터 회전수를 0~2,070 rpm까지 증가시키면서 블레이드의 고유진동수와 모드형상 변화를 검토하였다.
- 3에 나타내었다. 래그강성, 토션강성, 축강성 및 질량분포는 설계 목표치와 비교하여 비슷한 수준을 나타내고 있으나, 플랩강성의 경우 0.5~0.7 R 구간에서 설계목표보다 높게 분포하고 있음을 확인하였다.
- 또한 축소 블레이드 제작을 위해 국내에서 수급 가능한 탄소섬유 및 유리섬유 계열의 복합소재를 적용하였다. 모달 해석을 통해 주요모드별 고유진동수와 모드형상을 검토하였으며, 로터 회전 시 공진에 의한 동적 불안정 현상의 발생 위험이 낮음을 확인하였다. 블레이드 끝단형상에 따른 공력성능과 소음특성을 평가하기위한 풍동시험 조건에 따라 블레이드 반경방향으로 분포하는 원심력과 모멘트 하중의 분포를 검토하였으며, 접근비행 조건에서 정적 및 동적플랩 모멘트 값이 최대임을 확인하였다.
- 모달 해석을 통해 주요모드별 고유진동수와 모드형상을 검토하였으며, 로터 회전 시 공진에 의한 동적 불안정 현상의 발생 위험이 낮음을 확인하였다. 블레이드 끝단형상에 따른 공력성능과 소음특성을 평가하기위한 풍동시험 조건에 따라 블레이드 반경방향으로 분포하는 원심력과 모멘트 하중의 분포를 검토하였으며, 접근비행 조건에서 정적 및 동적플랩 모멘트 값이 최대임을 확인하였다. 슬리브에 부착되는 댐퍼의 장착 위치에 따른 하중과 변위를 검토하였으며, 댐퍼의 하중과 변위를 감소시키기 위해서는 case-2(damper lead-up) 장착조건이 유리함을 확인할 수 있었다.
- 8~10은 로터 반경방향으로의 플랩, 래그 및 비틀림 모멘트 분포를 보여주고 있으며, 플랩과 래그 모멘트에 비해 비틀림 모멘트는 비교적 낮은 수준임을 확인하였다. 블레이드의 구조적 강도에 가장 큰 영향을 주는 플랩 모멘트의 경우 접근비행 조건에서 정적 및 동적 모멘트 값이 최대임을 확인하였다.
- 블레이드 끝단형상에 따른 공력성능과 소음특성을 평가하기위한 풍동시험 조건에 따라 블레이드 반경방향으로 분포하는 원심력과 모멘트 하중의 분포를 검토하였으며, 접근비행 조건에서 정적 및 동적플랩 모멘트 값이 최대임을 확인하였다. 슬리브에 부착되는 댐퍼의 장착 위치에 따른 하중과 변위를 검토하였으며, 댐퍼의 하중과 변위를 감소시키기 위해서는 case-2(damper lead-up) 장착조건이 유리함을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 공기역학적 상사를 위해 고려해야 하는 요소로는 레이놀즈수(Reynolds number), 마하수(Mach number), 프라우드수(Froude number)를 고려하는 것이 중요하다. 또한 구조동역학적인 측면에서는 허브 및 블레이드의 기하학적인 형상과 강성, 질량 분포등이 상사 조건을 만족해야 하며, 시험환경 특성으로는 유체의 밀도, 로터의 전진비(advance ratio)등을 고려하여 풍동시험을 진행해야 한다.
- 프라우드 스케일 로터 모델은 실물로터 시스템이 비해 블레이드 끝단속도가 낮은 조건(λv =# )에서 풍동시험이 진행되며, 마하 스케일 로터와 마찬가지로 실물 로터 시스템에 비해 회전속도(λΩ =1/ #)가 증가하게 된다. 또한 로터 하중과 소요 동력이 낮아 구조적인 경량화가 가능하며, 전기모터와 같은 소형의 동력장치를 적용하기가 용이하다. 그러나 실물 로터 시스템과 비교하여 무차원화된 밀도계수는 동일한 값(λ 마하 스케일 축소 로터를 이용한 풍동시험은 블레이드의 끝단 형상에 따른 공력성능과 소음특성을 평가하기 위해 수행될 예정이다. 특히 국제민간항공기구(ICAO)에 의해 소음제한치가 제시되어 있는 이륙(takeoff), 접근(approach) 및 플라이오버(flyover) 조건을 중심으로 실험이 진행될 예정이므로 구조강도 해석에 필요한 블레이드 반경방향으로의 하중분포를 검토하기 위해 픙동시험 조건으로 하중해석을 수행하였다.
- 소형민수헬기는 최대이륙중량 10,000 파운드 급의 다목적 헬기로서 소형무장헬기(Light ArmedHelicopter, LAH) 사업과 병행하여 개발이 추진중이며, 향후 국내에서 운용 중인 외국산 헬기를 대체해 응급의료, 해상감시, 승객운송 등 다양한 임무에 활용될 예정이다. 또한 Airbus Helicopter사와의 협력을 통해 H155 기종의 로터 시스템을 기반으로 하여 개발이 진행 중이며, 5개의 블레이드(반경 6.
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