[논문]항공기 개발을 위한 소음해석 및 시험

박남은; 김탁; 박좌근; 우철훈; 최건묵

문제 정의

본 연구에서는 군사 규정 중, 제자리비행시의 외부 소음 해석에 중점을 두고 수행하였다. 제자리비행시 외부소음 측정 방법은 1.
본 연구에서는 한국항공우주산업(주)에서 개발 또는 개발 중인 항공기(초음속 전투기와 헬리콥터)와 주요 소음원(음속 폭음과 헬리콥터 로터 블레이드 공력 소음)에 대해서 비행 시험 방법과 수치해석 방법에 대해서 살펴보았다.

제안 방법

제자리비행시의 외부소음비행시험 방법과 전산공력해석에 대해 UH-60 적용하여 해석을 수행하였다. UH-60 주로터에 대해 전산공력해석을 수행하여 결과의 타당성을 제시하였으며, 이를 바탕으로 전산공력음향학 해석을 수행하여 UH-60의 외부소음 비행시험과 비교하였다. 시간 영역 소음 해석, 주파수 분석, OASPL 분석 등을 통한 시험 결과와의 비교를 통해, UH-60의 제자리비행 시 공력소음 수준을 파악 할 수 있었으며, 소음 해석 방법을 제시하였다.
음속 폭음 시험은 국내 여건상 해상에서 진행 될 수밖에 없다. 시도 되었던 시험 방법은 음속 폭음 측정을 위한 계측장비를 탑재한 해군함정이 어선분포가 적은 임무지역에 정박하여 시험 항공기가 임무공역 진입 및 음속돌파 측정비행 임무 진행하였다. 측정요원은 해군함정 내 UHF/VHF 통신장비로 비행현황 모니터 및 상호 교신을 통해 시험을 수행하였다.
상용 CFD 소프트웨어인 ANSYS CFX을 이용하여 비정상(Unsteady)해석을 수행하고 FW-H eq.에 기반을 둔 전산공력소음해석툴인 FlowNoise를 이용하여 소음해석을 수행한다. 비행조건은 제자리 비행 시 OGE(Out Groud Effect) 상태를 모델링하여 그 결과를 보였다.
제자리 비행은 그림 4과 같이 지면효과의 영향을 받지 않기 위하여서 지면에서부터 150ft 높이에서 제자리 비행을 수행하였으며, 마이크로폰은 각각 500ft에 설치하였다.
시도 되었던 시험 방법은 음속 폭음 측정을 위한 계측장비를 탑재한 해군함정이 어선분포가 적은 임무지역에 정박하여 시험 항공기가 임무공역 진입 및 음속돌파 측정비행 임무 진행하였다. 측정요원은 해군함정 내 UHF/VHF 통신장비로 비행현황 모니터 및 상호 교신을 통해 시험을 수행하였다.

대상 데이터

제자리 비행시 소음을 방향별로 차이를 분석하기 위하여 45°간격으로 시계방향으로 회전 하여 8차례 데이터를 획득하여 수행할 수 있다.

데이터처리

전산공력음향 해석을 위해서 그림 5와 같이 “CFD plus Acoustic Modeling”의 방법을 이용하였다. 상용 CFD 소프트웨어인 ANSYS CFX을 이용하여 비정상(Unsteady)해석을 수행하고 FW-H eq.에 기반을 둔 전산공력소음해석툴인 FlowNoise를 이용하여 소음해석을 수행한다.
그림 7은 전산공력해석을 통한 결과와 외부소음비행시험 결과를 비교하였다. 주로터만을 해석하였기 때문에 시험결과도 고주파수 영역을 필터링한 결과와 비교를 하였다. 비교 결과 주로터의 주파수 영역과 잘 일치하는 결과를 볼 수 있다.

이론/모형

전산공력음향 해석을 위해서 그림 5와 같이 “CFD plus Acoustic Modeling”의 방법을 이용하였다.
본 연구에서는 군사 규정 중, 제자리비행시의 외부 소음 해석에 중점을 두고 수행하였다. 제자리비행시 외부소음 측정 방법은 1.2m 정도 높이의 마이크로폰 시스템을 150m 떨어지게 설치함으로써 소음을 측정하고, 시험을 위한 대기 조건 등은 ICAO의 규정에 의거하여 수행되었다.
제자리비행시의 외부소음비행시험 방법과 전산공력해석에 대해 UH-60 적용하여 해석을 수행하였다. UH-60 주로터에 대해 전산공력해석을 수행하여 결과의 타당성을 제시하였으며, 이를 바탕으로 전산공력음향학 해석을 수행하여 UH-60의 외부소음 비행시험과 비교하였다.

성능/효과

UH-60 주로터에 대해 전산공력해석을 수행하여 결과의 타당성을 제시하였으며, 이를 바탕으로 전산공력음향학 해석을 수행하여 UH-60의 외부소음 비행시험과 비교하였다. 시간 영역 소음 해석, 주파수 분석, OASPL 분석 등을 통한 시험 결과와의 비교를 통해, UH-60의 제자리비행 시 공력소음 수준을 파악 할 수 있었으며, 소음 해석 방법을 제시하였다.
그림 6에서는 방향별 주파수 특성을 OASPL로 처리하여 얻은 결과이다. 원형 심볼의 실선이 UH-60의 제자리비행시험 결과이고, 사각 점선이 UH-60의 주로터 전산공력소음해석(CAA) 결과이다.

후속연구

국내에서의 초음속항공기의 음속 폭음 시험은 비행시험장 여건상 향후에도 어려움이 예상되고, 음속 폭음을 감소시키기 위한 형상변경이나 새로운 형상 개발은 요원한 일이지만, 특성을 이해할 수 있다면 평시 훈련비행시 민간의 피해를 줄 일 수 있을 것으로 기대한다.
측정 결과 음속 폭음이 후부 연소기(afterburner)의 소음 수준보다 큰 것을 알 수 있었으며, 수평비행 보다 항공기 중량이 3~5배 늘어나는 G-기동시 음속 폭음을 측정 할 수 있다면 음속 폭음에 대한 정확한 평가가 이루어 질 수 있을 것으로 보인다.

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