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문제 정의
- 본 연구에서는 IBC 제어 기법을 적용하여 고속 비행 시 XH-59A 동축 반전 로터의 3/rev 성분의 허브 진동하중 감소 성능을 확인하는 것이 목적이다. 이렇게 최대의 진동 억제 성능을 얻기 위한 최적의 IBC 제어 입력을 찾기 위해서는 먼저 다양한 제어 입력에 대한 파라미터 연구를 수행할 필요성이 있다.
- 본 연구에서는 고속 비행 시 XH-59A 동축 반전 로터에 IBC 기법을 적용하여 로터의 허브 진동하중 감소효과를 살펴보고, 최대의 진동하중 억제를 위한 최적의 제어입력 조건을 탐색하였다. 본 수치해석 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- XH-59A 동축 반전 로터에 식 (1)과 같은 조화 가진 함수로 구성된 IBC 입력을 가하고, 이로부터 가진 주파수 및 진폭, 그리고 위상각에 따른 허브 진동하중의 변화를 살펴보았다. Fig.
- XH-59A 로터의 진동 수준은 허브에 작용하는 진동 하중을 구하여 평가하였다. 능동 제어 입력에 따른 진동 수준을 정량화하기 위하여 식 (2)와 같은 무차원 형태의 진동지수 VI(Vibration Index)를 이용하였다.
- Table 1은 XH-59A 동축 반전 로터의 공력 특성 및 기하학적 제원을 나타낸다. XH-59A에 사용된 실제 에어포일 데이터를 확보하는 것이 어려운 관계로 유사한 에어포일 데이터를 활용하여 가급적 동일한 두께 변화를 가지도록 모델링하였다[8].
- 다음으로는 XH-59A 동축 반전 로터에 IBC 입력을 개별적으로 가하고 허브 진동하중의 변화를 고찰하였다(Case 2). Case 2는 하부로터 및 상부로터 중에서 어떤 로터가 허브 진동 하중 감소에 보다 효과적인지를 정량적으로 확인하기 위한 것이다.
- 3을 적용했을 때의 값인 4,965 N-m을 이용하였다. 또한 무게와 로터에서 발생하는 수직축 힘이 평형을 이루도록 설정하여 총 6개의 트림 목적 값을 가지고 해석을 진행했다. 이때 트림 변수는 각 로터의 파일럿 조종 입력 값이 되겠다.
- 본 연구에서 사용한 제어입력의 가진 주파수는 로터의 블레이드 수를 고려하여 2~4/rev까지 고려하였으며, 진폭은 0.5°에서 2°까지 0.5° 간격으로 변화시켰다.
- 본 연구에서는 Fig. 7에 보인 바와 같이 로터의 전진면에서만(방위각 0° ~ 180° 구간) 입력파형을 발생시키고 후퇴면에서는 제어입력이 없는 비고전적 조화함수를 생성하여 허브진동 하중 연구를 수행하였다.
- 1) XH-59A 로터에 대한 회전 고유진동 해석 결과 본 연구로부터 구성한 구조/공력 해석 모델은 실기의 구조동역학 특성을 잘 반영하고 있음을 확인하였다. 아울러 블레이드에 작용하는 공력하중을 기존의 연구결과와 비교하고 해석의 타당성을 확보하였다.
- 여기서는 문제의 단순화를 기하기 위해 앞선 IBC 파라미터 해석을 통하여 최대의 허브 진동하중 감소를 보였던(Fig. 5) 0.5° 진폭 및 300° 위상각의 3/rev 가진 주파수 입력을 상부 및 하부로터에 단독으로 가하고 허브에 작용하는 진동하중의 변화를 살폈다.
- 이렇게 최대의 진동 억제 성능을 얻기 위한 최적의 IBC 제어 입력을 찾기 위해서는 먼저 다양한 제어 입력에 대한 파라미터 연구를 수행할 필요성이 있다. 여기서는 조화 가진 입력을 2개의 동축 반전 로터의 전체 면적에 모두 작용시킨 경우(Case 1)와 1개의 로터에만 작용시킨 경우(Case 2), 그리고 로터의 전진면에만 작용시킨 경우(Case 3)로 구분하여 각각의 적용 방법에 따른 진동 억제 성능을 분석하였다. 본 연구의 허브 진동하중 해석을 위해서는 통합 공탄성 해석 프로그램인 CAMRAD II[7]를 이용하였다.
- 이상에서 구축한 XH-59A 동축 반전 로터에 대한 구조동역학 해석 모델을 이용하여 허브 작용 진동하중을 계산하고 여기에 IBC 기법을 적용하여 동축 반전 로터의 진동 억제를 위한 파라미터 연구를 수행하였다. IBC 작동을 위한 로터 가진 입력을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
- 회전익기 구조 동역학 해석을 위해 CAMRAD II를 이용하여 XH-59A 헬리콥터[1]를 모델링하고 내장된 공력모듈을 이용하여 공탄성 해석을 수행하였다. 비행조건은 전진비 0.
대상 데이터
- 2(b)). 각보 요소는 강체자유도 6개 및 플랩-래그-비틀림 방향 탄성 자유도 9개를 포함해서 총 15개의 자유도로 구성되었다.
이론/모형
- 36의 고속 비행 조건이며, 비균일 유입류와 자유 후류 모델을 사용하였다. 동적실속 해석을 위해서는 Leshiman-Beddoes 모델을 사용하였고 lift-offset은 선행연구[8]의 결과를 참고하여 실제 시험비행 결과와 가장 유사한 0.3으로 설정했다. Table 1은 XH-59A 동축 반전 로터의 공력 특성 및 기하학적 제원을 나타낸다.
- 여기서는 조화 가진 입력을 2개의 동축 반전 로터의 전체 면적에 모두 작용시킨 경우(Case 1)와 1개의 로터에만 작용시킨 경우(Case 2), 그리고 로터의 전진면에만 작용시킨 경우(Case 3)로 구분하여 각각의 적용 방법에 따른 진동 억제 성능을 분석하였다. 본 연구의 허브 진동하중 해석을 위해서는 통합 공탄성 해석 프로그램인 CAMRAD II[7]를 이용하였다.
성능/효과
- 1) XH-59A 로터에 대한 회전 고유진동 해석 결과 본 연구로부터 구성한 구조/공력 해석 모델은 실기의 구조동역학 특성을 잘 반영하고 있음을 확인하였다. 아울러 블레이드에 작용하는 공력하중을 기존의 연구결과와 비교하고 해석의 타당성을 확보하였다.
- 2) XH-59A 로터 전체 디스크 면적을 대상으로 IBC 제어입력을 가하고 파라미터 연구를 수행한 결과, 3/rev 진동수와 진폭 0.5°, 위상각 300°의 조건에서 최대 50% 정도 허브진동 지수의 감소효과가 있음을 확인하였다.
- 2/rev 가진에서는 로터 디스크 전면에 IBC 입력을 가한 경우, 1.0° 진폭과 240° 위상 각에서 허브 진동하중이 최대 15% 감소한 반면에 로터 디스크 전진면에만 IBC 입력을 가한 경우 32%까지 감소하여 대략 17% 정도 추가적인 진동 감소 효과를 보였다.
- 3) 동축 반전 로터의 상부 및 하부 로터 각각에 대해 개별적으로 IBC 입력을 가하고 진동억제 성능을 비교한 결과, 하부 로터에서 약 6% 정도의 진동 감소 성능 저하가 나타남을 확인하였다. 이는 상부로터에서 발생한 후류의 영향으로 분석된다.
- 4) 상부 및 하부 로터의 전진면에서만 IBC 제어입력을 가하고 진동억제 성능을 비교한 결과, 전체 디스크 면적을 대상으로 얻은 VI에 비해 최대 17%의 추가적인 진동감소 효과가 있음을 확인하였다. 이는 50% 내외로 줄어든 투입 비용으로부터 얻은 추가적인 진동억제 성분인 점이 특징이다.
- 구체적으로는 3/rev 가진 주파수와 0.5°의 진폭, 그리고 300°의 위상각을 갖는 IBC 입력에서 기준로터 대비 최대 50% 정도 허브 진동하중 감소 효과가 나타났다.
- 본 해석 결과는 선행 결과와 비교하여 블레이드 중앙지점에서는 거의 일치하고 있으며, 끝단 부근에서는 상대적으로 저평가된 결과를 보여주고 있다. 두 해석결과 모두 전진면 및 후진면에 현저하게 나타나는 진동 성분들을 크기 및 위상각 측면에서 잘 예측하고 있음을 보여준다. 이러한 검중 결과는 본 연구의 구조 및 공력 모델이 실제 로터를 어느 정도 정확하게 모사하고 있는 것으로 평가할 수 있겠다.
- 또한, 4/rev 가진에서는 로터 전면에 IBC 입력을 가한 경우, 0.5° 진폭과 60° 위상각에서 허브 진동하중이 최대 27% 감소한 반면에 로터 디스크 전진면에만 IBC 입력을 가하는 경우, 상대적으로 5% 정도의 추가적인 감소효과가 있음을 나타냈다.
- 4에 나타냈다. 본 해석 결과는 선행 결과와 비교하여 블레이드 중앙지점에서는 거의 일치하고 있으며, 끝단 부근에서는 상대적으로 저평가된 결과를 보여주고 있다. 두 해석결과 모두 전진면 및 후진면에 현저하게 나타나는 진동 성분들을 크기 및 위상각 측면에서 잘 예측하고 있음을 보여준다.
- 5는 Case 1의 경우에 대해 허브 진동 지수 VI의 파라미터 해석결과를 기준 로터(uncontrolled rotor)와 대비하여 나타낸 것이다. 진동수의 변화에 따른 해석결과를 보면, 가진 함수의 진폭이 커짐에 따라 대체로 허브 진동하중이 증가함을 알 수 있다. 특히, 진폭 1.
- 한편, 3/rev IBC 입력의 경우는 최대의 진동 감소 효과를 기대할 수 있는 반면에 위상각 및 가진 진폭의 변화에 매우 민감하며, 다른 주파수 제어와 비교하여 허브 진동하중의 변화폭이 가장 큰 것으로 나타났다. 결국 최적의 제어 입력을 정교한 해석을 통해 정확히 찾는 것이 중요할 것이다.
후속연구
- XH-59A 동축 반전 로터는 로터 디스크의 전진면에서 대부분의 양력을 얻는 ABC 개념을 사용하기 때문에 허브 진동하중에 영향을 미치는 진동 요인도 로터 디스크의 전진면에서 주로 발생한다고 가정할 수 있다. 따라서 IBC 입력을 로터 디스크의 전 영역이 아닌 전진면에만 가할 경우 적은 투입 비용으로 보다 효율적인 진동 억제 효과를 기대할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 Fig.
- 이 결과는 상부로터와 하부로터를 분리하여 각 로터에 서로 다른 최적화 IBC 입력을 가할 경우 추가적인 진동 감소 효과를 얻을 수 있음을 시사하고 있다. 물론, 로터별로 개별적인 IBC 제어입력을 발생시키기 위해서는 기구학이나 H/W적인 측면에서 보다 면밀한 검토가 필요하며, 추가적인 연구가 요구된다.
- 본 연구에서는 IBC 제어 기법을 적용하여 고속 비행 시 XH-59A 동축 반전 로터의 3/rev 성분의 허브 진동하중 감소 성능을 확인하는 것이 목적이다. 이렇게 최대의 진동 억제 성능을 얻기 위한 최적의 IBC 제어 입력을 찾기 위해서는 먼저 다양한 제어 입력에 대한 파라미터 연구를 수행할 필요성이 있다. 여기서는 조화 가진 입력을 2개의 동축 반전 로터의 전체 면적에 모두 작용시킨 경우(Case 1)와 1개의 로터에만 작용시킨 경우(Case 2), 그리고 로터의 전진면에만 작용시킨 경우(Case 3)로 구분하여 각각의 적용 방법에 따른 진동 억제 성능을 분석하였다.
- 이상의 연구는 해석적으로 구한 수치모사 연구결과이며, 이를 실제 시험을 통해 입증할 경우 저 진동의 친환경적인 로터를 구현하는 것이 가능할 전망이다.
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