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문제 정의
- 무게중심을 앞전 방향으로 이동시키기 위하여 두 가지 방안을 검토하였다. 그 중 첫 번째는 단위 부피당 질량이 높은 소재를 Balance Weight로 사용하여 무게중심을 옮기는 방법이다.
- 한국항공우주연구원에서는 과거 개발한 틸트 로터 수직 이착륙 무인기[4] 기술을 바탕으로 향후 개인 항공기 개발을 위한 기반 기술을 확보하기 위하여 총 중량 55 kg급 쿼드 틸트 프롭로터 무인기(Quad-Tilt Prop-rotorUAV, 이하 QTP UAV)를 개발하고 있다[5]. 본 연구에서는 현재 개발 중인 쿼드 틸트 프롭로터 무인기에 적용할 프롭-블레이드의 단면 설계 요구도를 만족시키기 위한 설계 프로세스를 수립하고 이에 따라 단면 설계를 수행하였다.
가설 설정
- 해석 단면은 프롭-블레이드 스팬 방향 20% 위치의 단면을 사용하였으며, 이 해석결과를 통해 각 방법에 대한 무게 중심 변화의 경향성을 파악하고자 하였다. Balance Weight 방법의 경우앞전에 단면적 1.5 mm2의 Balance Weight가 적용된 것으로 가정하였다. Balance Weight의 소재로는 헬리콥터 블레이드 Balance Weight 소재로 많이 사용되는 텅스텐을 사용하였다.
- Balance Weight의 소재로는 헬리콥터 블레이드 Balance Weight 소재로 많이 사용되는 텅스텐을 사용하였다. 그리고 C-cap 방법은 스킨 5ply 중 3ply는 스킨을 유지하고 2ply는 C-cap을 적용하는 것으로 가정하였다. Table 9는 각각의 방법을 적용했을 때 C.
- 프롭-블레이드 회전 속도가 더 높은 정지비행 상태의 운용 조건을 기준으로 항공기 중량을 고려한 각 프롭-블레이드에 발생하는 양력과 항력을 예측하고 프롭-블레이드 목표 중량의 최대치인 120 g에 대한 원심력을 고려하여 프롭-블레이드에 발생하는 하중을 예측하였으며 그 결과를 토대로 블레이드 단면 형상을 결정하였다. 이 과정에서 양력, 항력 및 블레이드 무게는 각각 집중하중 및 집중 질량으로 고려하였으며 각각 프롭-블레이드 스팬 방향 3/4, 3/4, 2/3 지점에 위치하는 것으로 가정하였다. 다음의 Table 2는 개념설계 과정에서 하중 예측을 위한 조건 및 계산 결과를 나타내고 있다.
제안 방법
- 1차 설계한 QTP 프롭-블레이드 단면 구조 형상에 대해 2차원 단면 해석을 수행하였다. QTP프롭-블레이드의 초기 형상에서는 허브와의 체결 인터페이스가 구성되지 않은 상태였으며 이에프롭-블레이드 형상 변화가 급격히 변하는 구간이 없었으므로 블레이드 루트를 기준으로 스팬 길이 기준 10% 단위로 해석 위치를 결정하였다.
- 하중해석 결과를 통해 도출한 프롭-블레이드 단면 하중을 활용하여 2차원 단면구조해석을 수행하였다. 2차원 단면 해석을 수행한 12 단면 중 0%와 100% 단면을 제외한 10 단면에 대해 각 8개의 비행 조건에 대해 도출한 단면 하중을 적용하여 해석을 수행하였다. 해석 결과 나셀 각도 45° 비행 조건에서 하중 조건이 가장 가혹하였으며, 스팬 방향 30% 위치에서의 해석 결과가 가장 낮은 안전 여유 3.
- 3차 단면 형상에 대한 해석 결과를 바탕으로CAMRAD II를 사용하여 동특성 해석을 수행하였다. 그 결과 전반적인 고유진동수가 증가하여 6/rev 이내에서 비행기 모드와 헬리콥터 모드에 대한 ±5% 내의 모드 주파수의 중첩은 없는 것으로 확인하였다.
- QTP 프롭-블레이드의 형상이 결정되기 전인개념설계 단계에서 스킨-폼 형태의 프롭-블레이드에 대한 구조 안전성을 검토하기 위하여 TR-100 틸트로터 무인기 프롭-블레이드의 축소형상에 대해 스킨-폼 단면 형상을 적용하고 단면 물성치 해석을 수행하였다. QTP 프롭 블레이드 형상 요구도에 따른 스팬 길이에 맞게 TR-100 프롭 블레이드의 크기를 축소하였으며 여기서 도출한 프롭-블레이드 2차원 단면 형상을 통해 단면설계를 수행하였다. 프롭-블레이드 단면 중 허브 중심 기준으로 스팬방향 150 mm 위치 단면에 대해 콜렉티브 각도 0도를 기준으로 탄소 섬유 복합소재 스킨과 내부 폼을 적용한 단면 형상을 구성하였으며, 2차원 단면 유한요소 해석 프로그램인 KSec2D[8]를 사용하여 단면 물성치를 분석하였다.
- QTP 프롭-블레이드의 래그 강성 증가를 위해 C-cap 1ply를 추가하였다. 그리고 무게중심 이동을 위해 적용한 텅스텐 바가 원심력에 의해 이탈하는 것을 방지하기 위하여 텅스텐 바 장착 부위에 수지(Resin)를 적용하였다.
- QTP 프롭-블레이드의 형상이 결정되기 전인개념설계 단계에서 스킨-폼 형태의 프롭-블레이드에 대한 구조 안전성을 검토하기 위하여 TR-100 틸트로터 무인기 프롭-블레이드의 축소형상에 대해 스킨-폼 단면 형상을 적용하고 단면 물성치 해석을 수행하였다. QTP 프롭 블레이드 형상 요구도에 따른 스팬 길이에 맞게 TR-100 프롭 블레이드의 크기를 축소하였으며 여기서 도출한 프롭-블레이드 2차원 단면 형상을 통해 단면설계를 수행하였다.
- 1차 설계한 QTP 프롭-블레이드 단면 구조 형상에 대해 2차원 단면 해석을 수행하였다. QTP프롭-블레이드의 초기 형상에서는 허브와의 체결 인터페이스가 구성되지 않은 상태였으며 이에프롭-블레이드 형상 변화가 급격히 변하는 구간이 없었으므로 블레이드 루트를 기준으로 스팬 길이 기준 10% 단위로 해석 위치를 결정하였다. 2차원 단면해석은 앞서 개념 설계 때와 마찬가지로 KSec2D를 사용하였다.
- 를 앞전으로 옮기기 위한 설계 변경을 수행하였다. Weight Balance를 위해 지름 2 mm의 원형 단면 텅스텐 바(Bar)를 20~80% 단면에 적용하고 2ply Skin / 1plyC-cap 단면 형상을 적용하였다. 다음의 Fig.
- 각 비행조건 별로 도출된 프롭-블레이드 단면별 하중을 적용하여 1차 단면 형상 프롭-블레이드 2차원 단면 구조 해석을 수행하였다. 각 8개의 비행 조건에 대해 스팬방향 10~90% 위치에 대해 10% 간격으로 총 9개의 단면에 대해서 하중을 도출하여 단면 구조 해석을 수행하였다. 해석 결과 나셀 각도 45° 비행 조건에서 하중 조건이 가장 가혹하였으며, 스팬 방향 20% 위치에서의 해석 결과가 가장 낮은 안전 여유를 나타내었다.
- 각 비행조건 별로 도출된 프롭-블레이드 단면별 하중을 적용하여 1차 단면 형상 프롭-블레이드 2차원 단면 구조 해석을 수행하였다. 각 8개의 비행 조건에 대해 스팬방향 10~90% 위치에 대해 10% 간격으로 총 9개의 단면에 대해서 하중을 도출하여 단면 구조 해석을 수행하였다.
- 개념설계 단계에서 QTP 기체 중량과 프롭-블레이드 개수, 프롭-블레이드 중량과 프롭-로터 운영 조건, 제작에 사용될 소재 특성 및 제작 방법 등을 고려하여 프롭-블레이드 단면 형상을 결정하였다. 프롭-블레이드 회전 속도가 더 높은 정지비행 상태의 운용 조건을 기준으로 항공기 중량을 고려한 각 프롭-블레이드에 발생하는 양력과 항력을 예측하고 프롭-블레이드 목표 중량의 최대치인 120 g에 대한 원심력을 고려하여 프롭-블레이드에 발생하는 하중을 예측하였으며 그 결과를 토대로 블레이드 단면 형상을 결정하였다.
- 개념설계 단계에서 수행한 연구 내용을 바탕으로 QTP 프롭-블레이드의 단면 설계/해석을 수행하였다. 제작성을 고려하여 소재 종류를 최소화 하였고, 2차 단면 형상 설계를 고려하여 최대한 단순하게 설계하였다.
- 공진 발생에 대한 기준은 프롭-블레이드 운용 rpm에 따른 /rev 주파수와 회전 상태에서의 프롭-블레이드 모드 주파수에 대한 ±5% 이내 주파수 중첩 여부로 판단하였으며, 공기력에 의한 간섭이 클 때 공진이 발생할 수 있으므로 이 점을 고려하여 6/rev 이하의 주파수만 고려하였다[11].
- 제작성을 고려하여 소재 종류를 최소화 하였고, 2차 단면 형상 설계를 고려하여 최대한 단순하게 설계하였다. 그 결과 Carbon Fabric(이하 CF) 5ply를 스킨에 적용하고 내부는 하드폼으로 구성하는 스킨-폼 형상 설계를 수행하였다. 다음의 Fig.
- 그리고 C-cap 방법을 적용하였을 때 구조안전성에 문제가 없는지 확인하기 위해 2차원 단면구조해석을 수행하였다. 적용 하중은 1차 단면 설계 결과를 통해 도출한 하중을 적용하였으며, 구조해석을 위한 단면 물성치만 C-cap 형상을 통해 도출한 결과를 사용하였다.
- 그리고 CAMRAD II를 활용하여 하중해석을 수행하였다. 먼저 1차 단면 설계에 대한 설계 변경 원인 중 하나인 피치링크 하중의 비교를 통해 무게중심 변경에 따른 허브/조종 하중의 변화를 확인하였다.
- 또한 하중 해석 결과 허브/조종 구성품에 과도한 하중 부가가 예상될 경우도 역시 단면 형상/설계 변경을 수행한다. 그리고 마지막으로 하중해석 결과를 활용하여 구조해석 수행을 통해 구조 요구도 만족 여부를 확인한다. 구조 요구도를 만족시키기 못할 경우 단면 형상/설계변경을 수행하고 구조 요구도를 만족시킬 경우 단면 설계를 종료하게 된다.
- QTP 프롭-블레이드의 래그 강성 증가를 위해 C-cap 1ply를 추가하였다. 그리고 무게중심 이동을 위해 적용한 텅스텐 바가 원심력에 의해 이탈하는 것을 방지하기 위하여 텅스텐 바 장착 부위에 수지(Resin)를 적용하였다. 이 과정에서 수지의 밀도가 폼에 비해 높은 점을 고려하여 텅스텐 바는 1개만 적용하는 것으로 변경하였다.
- 먼저 단면 설계 요구도를 분석한다. 그리고 분석된 단면 설계 요구도 중 중량 요구도 및 운용 조건을 고려하여 프롭-블레이드에서 발생하는 하중을 예측하고 예측된 하중에 대해 구조 요구도를 만족시킬 수 있는 제작성을 고려한 단면 형상을 결정한다. 단면 형상이 결정되면 구체적인 단면 설계를 수행하고 단면 설계 결과에 대해 단면 물성치해석을 수행한다.
- 이 과정에서 수지의 밀도가 폼에 비해 높은 점을 고려하여 텅스텐 바는 1개만 적용하는 것으로 변경하였다. 그리고 프롭-블레이드의 허브 체결부분 형상이 결정되면서 이 영역의 단면 해석도 수행하였다. 다음의 Fig.
- 단면 형상이 결정되면 구체적인 단면 설계를 수행하고 단면 설계 결과에 대해 단면 물성치해석을 수행한다. 단면 물성치 수행 결과를 통해 중량 요구도 만족 여부를 확인하여 요구도 불만족시에는 단면 설계를 수정한다. 중량 요구도를 만족할 경우, 단면 물성치 해석 결과를 활용해 동특성/하중 해석을 수행한다.
- 단면 물성치 해석 결과를 토대로 구조 안전성을 확인하기 위한 예측 하중을 추가로 도출하였다. 초기 개념설계 단계에서 내부 형상 결정을 위해 운영 조건과 형상계수를 활용한 수계산으로 예측한 하중 외에 수치 해석적 방법을 통해 하중 값을 얻기 위하여 TR-100 틸트로터 무인기의 프롭-블레이드 단면 물성치를 QTP 무인기 사이즈에 맞게 축소 스케일링 한 후 그 값을 활용하여 헬리콥터 통합해석 프로그램인 CAMRAD II[9]를 통해 프롭-블레이드 하중을 계산하였다.
- 단면 해석 결과와 하중 해석 결과를 활용하여 스킨과 폼만 적용한 프롭-블레이드의 구조 안전성 확인을 위해 2차원 단면 구조해석을 수행하였다. 프롭-블레이드에 부가되는 주요 하중은 원심력 하중(Fx, C.
- 그리고 분석된 단면 설계 요구도 중 중량 요구도 및 운용 조건을 고려하여 프롭-블레이드에서 발생하는 하중을 예측하고 예측된 하중에 대해 구조 요구도를 만족시킬 수 있는 제작성을 고려한 단면 형상을 결정한다. 단면 형상이 결정되면 구체적인 단면 설계를 수행하고 단면 설계 결과에 대해 단면 물성치해석을 수행한다. 단면 물성치 수행 결과를 통해 중량 요구도 만족 여부를 확인하여 요구도 불만족시에는 단면 설계를 수정한다.
- 해석 결과 과도한 하중이 발생하거나 운영 중 공진 발생의 위험이 예상되면 각각의 문제점에 맞게 단면 설계를 수정하였다. 또한 2차원 단면 구조해석을 수행하여 프롭-블레이드에 대한 구조 안전성을 확인하였다.
- 그리고 CAMRAD II를 활용하여 하중해석을 수행하였다. 먼저 1차 단면 설계에 대한 설계 변경 원인 중 하나인 피치링크 하중의 비교를 통해 무게중심 변경에 따른 허브/조종 하중의 변화를 확인하였다. 하중 해석을 위한 입력 모델은 앞서와 동일하며 FE 해석을 통해 도출한 피치링크 강성을 적용하여 피치링크 하중을 분석하였다.
- 먼저 각각의 방법을 독립적으로 적용했을 때 무게중심 이동 효과를 단면 해석을 통해 확인하였다. 해석 단면은 프롭-블레이드 스팬 방향 20% 위치의 단면을 사용하였으며, 이 해석결과를 통해 각 방법에 대한 무게 중심 변화의 경향성을 파악하고자 하였다.
- 수직이착륙 쿼드 틸트 프롭로터 무인기에 사용할 프롭-블레이드의 단면 설계를 수행하였다. 먼저 프롭-블레이드 단면 설계 요구도를 만족시킬 수 있도록 설계 프로세스를 수립하고 요구도 분석을 수행하였다. 그리고 프롭-블레이드의 외형도출 이전 단계인 개념설계 단계에서 분석된 요구도와 운영조건을 고려하여 하중의 규모를 예측하고 유사한 형태의 무인기에 사용된 프롭-블레이드 외형을 활용하여 적용하고자 하는 단면 형상에 대한 구조 안전성을 확인하였다.
- 설계 변경된 2차 단면 형상에 대한 해석 결과를 바탕으로 동특성 해석을 수행하였다. 하중해석과 마찬가지로 동특성 해석을 위해 CAMRADII를 사용하였으며, 비행기 모드(1440 rpm)와 헬리콥터 모드(1800 rpm)의 운영환경에 대해 공진이 발생하는지 확인하였다.
- 수직이착륙 쿼드 틸트 프롭로터 무인기에 사용할 프롭-블레이드의 단면 설계를 수행하였다. 먼저 프롭-블레이드 단면 설계 요구도를 만족시킬 수 있도록 설계 프로세스를 수립하고 요구도 분석을 수행하였다.
- 이러한 결과를 바탕으로 C.G.를 앞전으로 옮기기 위한 설계 변경을 수행하였다. Weight Balance를 위해 지름 2 mm의 원형 단면 텅스텐 바(Bar)를 20~80% 단면에 적용하고 2ply Skin / 1plyC-cap 단면 형상을 적용하였다.
- 구조 해석 결과 프롭-블레이드의 구조 안전성에는 문제가 없는 것으로 확인되었으나, 블레이드에서 발생한 과도한 하중으로 인해 금속재 허브 구성품의 구조 안전성과 프롭-블레이드 피치 조절을 위한 작동기 용량에 문제가 있는 것으로 확인되었다. 이에 따라 원심력과 관성력에 의한 플랩-피치 및 래그-피치 커플링을 최소화하여 허브 구성품에 발생하는 하중을 최소화할 수 있도록 코드 방향 CG 위치를 공력중심에 가깝게 이동시키기 위한 단면 설계 변경을 수행하였다[10].
- 그리고 C-cap 방법을 적용하였을 때 구조안전성에 문제가 없는지 확인하기 위해 2차원 단면구조해석을 수행하였다. 적용 하중은 1차 단면 설계 결과를 통해 도출한 하중을 적용하였으며, 구조해석을 위한 단면 물성치만 C-cap 형상을 통해 도출한 결과를 사용하였다. 그 결과 최소 안전 여유 3.
- 개념설계 단계에서 수행한 연구 내용을 바탕으로 QTP 프롭-블레이드의 단면 설계/해석을 수행하였다. 제작성을 고려하여 소재 종류를 최소화 하였고, 2차 단면 형상 설계를 고려하여 최대한 단순하게 설계하였다. 그 결과 Carbon Fabric(이하 CF) 5ply를 스킨에 적용하고 내부는 하드폼으로 구성하는 스킨-폼 형상 설계를 수행하였다.
- 단면 물성치 해석 결과를 토대로 구조 안전성을 확인하기 위한 예측 하중을 추가로 도출하였다. 초기 개념설계 단계에서 내부 형상 결정을 위해 운영 조건과 형상계수를 활용한 수계산으로 예측한 하중 외에 수치 해석적 방법을 통해 하중 값을 얻기 위하여 TR-100 틸트로터 무인기의 프롭-블레이드 단면 물성치를 QTP 무인기 사이즈에 맞게 축소 스케일링 한 후 그 값을 활용하여 헬리콥터 통합해석 프로그램인 CAMRAD II[9]를 통해 프롭-블레이드 하중을 계산하였다. 하중 해석 모델은 보수적인 접근을 위해 균일 유입류 모델(Uniform Inflow Model)을 사용하였고 비행조건은 정지비행 모드와 150 km/h 전진비행 모드로 구분하였으며 두 해석 결과 중 가장 크게 발생한 하중을 사용하였다.
- 최적설계 과정을 통해 에어포일과 플랜폼이 결정될 프롭-블레이드 형상[6]에 대한 단면 설계 요구도를 식별하였다. 단면 설계 요구도는 항공기 총 중량을 고려하여 체계 설계자로부터 각 구성품으로 할당되는 중량 요구도와 항공기 운용 중블레이드에 공진이 발생하지 않도록 하는 동특성 요구도, 그리고 항공기 운영 중 발생하는 하중에 대해 치명적인 파손이 발생하지 않도록 하는 구조 안전성 요구도로 구분할 수 있다.
- 프롭-블레이드 단면 설계를 위한 프로세스를 수립하였다. 먼저 단면 설계 요구도를 분석한다.
- QTP 프롭 블레이드 형상 요구도에 따른 스팬 길이에 맞게 TR-100 프롭 블레이드의 크기를 축소하였으며 여기서 도출한 프롭-블레이드 2차원 단면 형상을 통해 단면설계를 수행하였다. 프롭-블레이드 단면 중 허브 중심 기준으로 스팬방향 150 mm 위치 단면에 대해 콜렉티브 각도 0도를 기준으로 탄소 섬유 복합소재 스킨과 내부 폼을 적용한 단면 형상을 구성하였으며, 2차원 단면 유한요소 해석 프로그램인 KSec2D[8]를 사용하여 단면 물성치를 분석하였다. 스킨에 대한 복합재 적층 형태는 두 가지로 구성하였으며 각각에 대한 단면 특성은 Table 4에 나타내었다.
- 그리고 프롭-블레이드의 외형도출 이전 단계인 개념설계 단계에서 분석된 요구도와 운영조건을 고려하여 하중의 규모를 예측하고 유사한 형태의 무인기에 사용된 프롭-블레이드 외형을 활용하여 적용하고자 하는 단면 형상에 대한 구조 안전성을 확인하였다. 프롭-블레이드 외형이 도출된 후 단면 설계 형상을 적용하여 단면 해석을 수행하였고 단면해석 결과를 활용해 하중 해석과 동특성 해석을 수행하였다. 해석 결과 과도한 하중이 발생하거나 운영 중 공진 발생의 위험이 예상되면 각각의 문제점에 맞게 단면 설계를 수정하였다.
- 개념설계 단계에서 QTP 기체 중량과 프롭-블레이드 개수, 프롭-블레이드 중량과 프롭-로터 운영 조건, 제작에 사용될 소재 특성 및 제작 방법 등을 고려하여 프롭-블레이드 단면 형상을 결정하였다. 프롭-블레이드 회전 속도가 더 높은 정지비행 상태의 운용 조건을 기준으로 항공기 중량을 고려한 각 프롭-블레이드에 발생하는 양력과 항력을 예측하고 프롭-블레이드 목표 중량의 최대치인 120 g에 대한 원심력을 고려하여 프롭-블레이드에 발생하는 하중을 예측하였으며 그 결과를 토대로 블레이드 단면 형상을 결정하였다. 이 과정에서 양력, 항력 및 블레이드 무게는 각각 집중하중 및 집중 질량으로 고려하였으며 각각 프롭-블레이드 스팬 방향 3/4, 3/4, 2/3 지점에 위치하는 것으로 가정하였다.
- 단면 해석 결과와 하중 해석 결과를 활용하여 스킨과 폼만 적용한 프롭-블레이드의 구조 안전성 확인을 위해 2차원 단면 구조해석을 수행하였다. 프롭-블레이드에 부가되는 주요 하중은 원심력 하중(Fx, C.F)과 플랩 굽힘하중(My, F.M), 래그 굽힘하중(Mz, L.M)이며 이로 인해 발생하는 인장응력이 구조 안전성에 큰 영향을 미치므로 이에 대한 해석을 수행하였다. 다음의 식 (1)~(3)은 각 하중에 대한 인장응력을 도출하는 식을 나타내고 있다.
- 하중 해석 모델은 앞서와 마찬가지로 균일유입류 모델을 적용하였으며, 정지비행 조건과 전진비행 조건, 그리고 천이구간을 15° 각도 범위로 구분하여 수행하였다.
- 먼저 1차 단면 설계에 대한 설계 변경 원인 중 하나인 피치링크 하중의 비교를 통해 무게중심 변경에 따른 허브/조종 하중의 변화를 확인하였다. 하중 해석을 위한 입력 모델은 앞서와 동일하며 FE 해석을 통해 도출한 피치링크 강성을 적용하여 피치링크 하중을 분석하였다. 8가지 비행조건에 대한 피치링크 하중을 비교하였으며 단면 형상 변경을 통해 최대 39.
- 하중해석 결과를 통해 도출한 프롭-블레이드 단면 하중을 활용하여 2차원 단면구조해석을 수행하였다. 2차원 단면 해석을 수행한 12 단면 중 0%와 100% 단면을 제외한 10 단면에 대해 각 8개의 비행 조건에 대해 도출한 단면 하중을 적용하여 해석을 수행하였다.
- 설계 변경된 2차 단면 형상에 대한 해석 결과를 바탕으로 동특성 해석을 수행하였다. 하중해석과 마찬가지로 동특성 해석을 위해 CAMRADII를 사용하였으며, 비행기 모드(1440 rpm)와 헬리콥터 모드(1800 rpm)의 운영환경에 대해 공진이 발생하는지 확인하였다. 공진 발생에 대한 기준은 프롭-블레이드 운용 rpm에 따른 /rev 주파수와 회전 상태에서의 프롭-블레이드 모드 주파수에 대한 ±5% 이내 주파수 중첩 여부로 판단하였으며, 공기력에 의한 간섭이 클 때 공진이 발생할 수 있으므로 이 점을 고려하여 6/rev 이하의 주파수만 고려하였다[11].
- 프롭-블레이드 외형이 도출된 후 단면 설계 형상을 적용하여 단면 해석을 수행하였고 단면해석 결과를 활용해 하중 해석과 동특성 해석을 수행하였다. 해석 결과 과도한 하중이 발생하거나 운영 중 공진 발생의 위험이 예상되면 각각의 문제점에 맞게 단면 설계를 수정하였다. 또한 2차원 단면 구조해석을 수행하여 프롭-블레이드에 대한 구조 안전성을 확인하였다.
- 먼저 각각의 방법을 독립적으로 적용했을 때 무게중심 이동 효과를 단면 해석을 통해 확인하였다. 해석 단면은 프롭-블레이드 스팬 방향 20% 위치의 단면을 사용하였으며, 이 해석결과를 통해 각 방법에 대한 무게 중심 변화의 경향성을 파악하고자 하였다. Balance Weight 방법의 경우앞전에 단면적 1.
대상 데이터
- 5 mm2의 Balance Weight가 적용된 것으로 가정하였다. Balance Weight의 소재로는 헬리콥터 블레이드 Balance Weight 소재로 많이 사용되는 텅스텐을 사용하였다. 그리고 C-cap 방법은 스킨 5ply 중 3ply는 스킨을 유지하고 2ply는 C-cap을 적용하는 것으로 가정하였다.
- 프롭-블레이드 제작을 위한 소재는 중량 대비 강성 및 강도가 높고 복잡한 형상에 대한 정밀가공이 용이한 탄소섬유 복합소재(Carbon Fabric Composite Material)로 결정하였다. 여러 가지 탄소섬유 복합소재 재료 중 직교 소재인 CPF 3327 EPC와 단방향 소재인 H3055를 선정하였으며 다음의 Table 3은 소재 물성치를 나타내었다[7].
- 프롭-블레이드 제작을 위한 소재는 중량 대비 강성 및 강도가 높고 복잡한 형상에 대한 정밀가공이 용이한 탄소섬유 복합소재(Carbon Fabric Composite Material)로 결정하였다. 여러 가지 탄소섬유 복합소재 재료 중 직교 소재인 CPF 3327 EPC와 단방향 소재인 H3055를 선정하였으며 다음의 Table 3은 소재 물성치를 나타내었다[7].
데이터처리
- 1차 단면 설계 형상 해석 결과를 CAMRAD II에 적용하여 프롭-블레이드 하중 해석을 수행하였다. 하중 해석 모델은 앞서와 마찬가지로 균일유입류 모델을 적용하였으며, 정지비행 조건과 전진비행 조건, 그리고 천이구간을 15° 각도 범위로 구분하여 수행하였다.
- 구조 안전성 경향을 확인하기 위한 해석이므로 150 mm 단면에 대해서만 수행하였다. 극한하중에 대한 파손 여부를 확인하기 위해 극한안전계수 1.5를 적용하였으며 보수적으로 접근하기 위해 적용 하중은 허브 중심을 기준으로 도출한 수계산 결과와 CAMRAD II 150 mm 하중 결과를 모두 사용하여 비교하였다. 그 결과 최소 안전여유가 9 이상으로 구조 안전성에는 문제가 없음을 확인하였다.
이론/모형
- QTP프롭-블레이드의 초기 형상에서는 허브와의 체결 인터페이스가 구성되지 않은 상태였으며 이에프롭-블레이드 형상 변화가 급격히 변하는 구간이 없었으므로 블레이드 루트를 기준으로 스팬 길이 기준 10% 단위로 해석 위치를 결정하였다. 2차원 단면해석은 앞서 개념 설계 때와 마찬가지로 KSec2D를 사용하였다. Fig.
- 초기 개념설계 단계에서 내부 형상 결정을 위해 운영 조건과 형상계수를 활용한 수계산으로 예측한 하중 외에 수치 해석적 방법을 통해 하중 값을 얻기 위하여 TR-100 틸트로터 무인기의 프롭-블레이드 단면 물성치를 QTP 무인기 사이즈에 맞게 축소 스케일링 한 후 그 값을 활용하여 헬리콥터 통합해석 프로그램인 CAMRAD II[9]를 통해 프롭-블레이드 하중을 계산하였다. 하중 해석 모델은 보수적인 접근을 위해 균일 유입류 모델(Uniform Inflow Model)을 사용하였고 비행조건은 정지비행 모드와 150 km/h 전진비행 모드로 구분하였으며 두 해석 결과 중 가장 크게 발생한 하중을 사용하였다. Table 5는 하중해석 결과를 나타내고 있다.
성능/효과
- 하중 해석을 위한 입력 모델은 앞서와 동일하며 FE 해석을 통해 도출한 피치링크 강성을 적용하여 피치링크 하중을 분석하였다. 8가지 비행조건에 대한 피치링크 하중을 비교하였으며 단면 형상 변경을 통해 최대 39.1%의 하중감소를 확인할 수 있었다. 다음의 Table 10은 1차 단면 형상과 3차 단면 형상에 대한 피치링크 하중의 비교 결과를 나타내고 있다.
- 구조 해석 결과 프롭-블레이드의 구조 안전성에는 문제가 없는 것으로 확인되었으나, 블레이드에서 발생한 과도한 하중으로 인해 금속재 허브 구성품의 구조 안전성과 프롭-블레이드 피치 조절을 위한 작동기 용량에 문제가 있는 것으로 확인되었다. 이에 따라 원심력과 관성력에 의한 플랩-피치 및 래그-피치 커플링을 최소화하여 허브 구성품에 발생하는 하중을 최소화할 수 있도록 코드 방향 CG 위치를 공력중심에 가깝게 이동시키기 위한 단면 설계 변경을 수행하였다[10].
- 그 결과 전반적인 고유진동수가 증가하여 6/rev 이내에서 비행기 모드와 헬리콥터 모드에 대한 ±5% 내의 모드 주파수의 중첩은 없는 것으로 확인하였다.
- 적용 하중은 1차 단면 설계 결과를 통해 도출한 하중을 적용하였으며, 구조해석을 위한 단면 물성치만 C-cap 형상을 통해 도출한 결과를 사용하였다. 그 결과 최소 안전 여유 3.01을 확인하였으며, 앞선 형상에서의 최소 안전 여유 4.2를 고려할 경우 스킨의 추가 ply 감소도 구조 안전성에는 문제없는 것으로 판단하였다.
- 5를 적용하였으며 보수적으로 접근하기 위해 적용 하중은 허브 중심을 기준으로 도출한 수계산 결과와 CAMRAD II 150 mm 하중 결과를 모두 사용하여 비교하였다. 그 결과 최소 안전여유가 9 이상으로 구조 안전성에는 문제가 없음을 확인하였다. Table 6은 2차원 단면 구조 해석 결과를 나타내고 있다.
- 공진 발생에 대한 기준은 프롭-블레이드 운용 rpm에 따른 /rev 주파수와 회전 상태에서의 프롭-블레이드 모드 주파수에 대한 ±5% 이내 주파수 중첩 여부로 판단하였으며, 공기력에 의한 간섭이 클 때 공진이 발생할 수 있으므로 이 점을 고려하여 6/rev 이하의 주파수만 고려하였다[11]. 그 결과 헬리콥터모드에서 4/rev과 1st 래그 모드 간의 공진 가능성을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 래그 강성을 증가시켜 공진을 회피할 수 있도록 단면 형상을 다시 변경하였다. Fig.
- 먼저 프롭-블레이드 단면 설계 요구도를 만족시킬 수 있도록 설계 프로세스를 수립하고 요구도 분석을 수행하였다. 그리고 프롭-블레이드의 외형도출 이전 단계인 개념설계 단계에서 분석된 요구도와 운영조건을 고려하여 하중의 규모를 예측하고 유사한 형태의 무인기에 사용된 프롭-블레이드 외형을 활용하여 적용하고자 하는 단면 형상에 대한 구조 안전성을 확인하였다. 프롭-블레이드 외형이 도출된 후 단면 설계 형상을 적용하여 단면 해석을 수행하였고 단면해석 결과를 활용해 하중 해석과 동특성 해석을 수행하였다.
- 본 연구과정 중 개념설계 단계에서 하중을 예측할 때 수계산 결과와 CAMRAD II 결과가 2배 이상의 차이가 나타났다. 이는 형상조건과 운용조건만으로 수계산을 통한 하중 예측을 너무 보수적으로 접근하다 나타난 결과로 분석하였다.
- 제작에 사용하는 소재 특성과 수계산으로 예측한 프롭-블레이드 적용 하중을 고려하였을 때, 스킨으로 모든 하중을 지지하는 스킨-폼 구조설계가 가능할 것으로 판단하였다. 인장하중 지지를 위한 스파가 사용되는 일반적인 형태의 블레이드를 제작하기 위해서는 스파 전용 몰드를 통해 스파 형상을 구성하고 이후 폼이나 토션 박스, 허니콤 코어와 같은 내부 구조물과 함께 스파를 배치하여 스킨과 함께 성형하는 절차를 밟는다.
- 해석 결과 나셀 각도 45° 비행 조건에서 하중 조건이 가장 가혹하였으며, 스팬 방향 20% 위치에서의 해석 결과가 가장 낮은 안전 여유를 나타내었다.
- 해석 결과 나셀 각도 45° 비행 조건에서 하중 조건이 가장 가혹하였으며, 스팬 방향 30% 위치에서의 해석 결과가 가장 낮은 안전 여유 3.4를 나타내어 구조 안전성에 문제가 없음을 확인하였다.
후속연구
- 향후 다른 블레이드의 개념설계 단계에서는 집중 질량과 집중하중의 위치를 좀 더 분석적으로 선정하여 좀 더 현실성 있는 값을 예측해야 할 것으로 판단된다. 그리고 프롭-블레이드 구조설계를 통해 정해지는 설계인자들 중 이번 설계 과정에서 문제시 되지 않아 본 논문에서 다루어지지 않은 인자들에 대해서는 추후 본 연구를 통해 수립된 설계 프로세스를 활용한 후속연구를 통해서 살펴볼 수 있을 것으로 판단된다.
- 동특성 해석 결과 프롭-블레이드 운영 환경에서 공진 발생 가능성이 예측될 경우 단면 형상/설계 변경을 통해 프롭-블레이드 공진 주파수를 조절한다. 또한 하중 해석 결과 허브/조종 구성품에 과도한 하중 부가가 예상될 경우도 역시 단면 형상/설계 변경을 수행한다. 그리고 마지막으로 하중해석 결과를 활용하여 구조해석 수행을 통해 구조 요구도 만족 여부를 확인한다.
- 이는 형상조건과 운용조건만으로 수계산을 통한 하중 예측을 너무 보수적으로 접근하다 나타난 결과로 분석하였다. 향후 다른 블레이드의 개념설계 단계에서는 집중 질량과 집중하중의 위치를 좀 더 분석적으로 선정하여 좀 더 현실성 있는 값을 예측해야 할 것으로 판단된다. 그리고 프롭-블레이드 구조설계를 통해 정해지는 설계인자들 중 이번 설계 과정에서 문제시 되지 않아 본 논문에서 다루어지지 않은 인자들에 대해서는 추후 본 연구를 통해 수립된 설계 프로세스를 활용한 후속연구를 통해서 살펴볼 수 있을 것으로 판단된다.
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