[논문]헬리콥터 소음 예측 코드 개발 및 적용사례

위성용; 김도형; 강희정; 정기훈; 황창전

헬리콥터 소음 예측 코드 개발 및 적용사례
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위성용 (한국항공우주연구원 회전익기술팀) , 김도형 (한국항공우주연구원 회전익기술팀) , 강희정 (한국항공우주연구원 회전익기술팀) , 정기훈 (한국항공우주연구원 회전익기술팀) , 황창전 (한국항공우주연구원 회전익기개발실)

The Helicopter noise analysis code was developed using Farassat's Formular 1A based on Ffowcs-Williams and Hawkings equation and Lowson's Formula which contains single loading noise source concept. HART-II(Higher harmonic control Aeroacoustic Rotor Test), STAR(Smart-Twisting Active Rotor) and Active-tab Rotor were computed and analyzed by using developed noise code. The results of these rotor noise prediction are explained and its applicability would be mentioned in this paper.

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문제 정의

현재 한국항공우주연구원은 JAXA와 함께 능동 탭 로터에 대한 연구가 진행하고 있다. 능동 탭 로터의 특성을 파악하기 위해 풍동시험과 전산해석을 수행하며, 이를 통하여 유동장 변화와 소음 특성에 대한 연구를 진행하고 있다.
⁽²⁾ 이외에도 Agusta-Westland사는 BERP 블레이드 개발 등 다양한 익형 및 플랫폼 개발을 통해 성능 및 소음 특성을 향상하기 위한 연구개발을 진행하여 왔다. 본 논문에서는 이러한 연구개발의 일환으로 헬리콥터 소음저감 연구에 사용되는 소음예측 해석코드와 적용 사례를 설명하고자 한다.

제안 방법

개발된 소음코드를 이용하여 HARTⅡ 와 STAR 뿐 아니라 능동 탭 로터 블레이드의 소음 특성을 예측하기도 하였다.
로터 풍동시험에 앞서 전산해석을 통해 능동 탭의 소음 특성 파악하기 위해, 2013년 한국항공우주학회지 발표된 “능동 탭 로터 모델링 및 BVI 소음 저감 특성 해석”(7)에서는 기준 BVI 발생 비행조건과 능동 탭이 작동할 경우 BVI 소음을 비교하여 소음저감 정도를 예측하였다.
이러한 이유로 헬리콥터의 풍동시험과 같이 바람이 전방에서 불어 올 경우 바람에 의한 도플러 효과를 고려해주어야 한다. 본 방법에서는 소음원의 매 순간 위치에서 바람효과에 의한 시간지연을 고려하게 된다. 식(6) 과 같이 바람효과를 고려하여 시간 지연에 대한 다시 계산하게 된다.
소음해석코드를 다양한 문제에 적용하기 전에 시험과 비교·검증을 통해 코드의 정확도를 확인하였다.
헬리콥터 로터 블레이드의 공력소음 예측을 위해 Ffowcs Williams and Hawkings equation, Farassat Formula, Lowson Formular 와 같은 음파 적분식을 이용하여 헬리콥터 소음해석 코드를 개발하였다.
헬리콥터 통합 해석 프로그램 CAMRADⅡ를 이용하여 블레이드 공력하중과 구조 변화를 계산하고 그 결과를 소음해석코드에 입력하여 소음을 예측하였다. 시험 조건은 HART-Ⅱ의 Baseline 조건이다.

이론/모형

1969년 Ffowcs-Williams와 Hawkings가 Lighthill’s acoustic analogy를 이용하여 움직이는 물체에서 발생하는 공력소음을 모사하는 FW-H(Ffowcs-Williams Hawkings)식(3)을 유도하였다.
헬리콥터 로터 블레이드에서 발생하는 소음의 경우 위 식 중 monopole과 dipole 부분이 지배적으로 나타나므로 이 두 항을 표면 적분식 형태로 표현하여 수치적분을 할 수 있다. 개발된 코드는 FW-H 식을 수치 적분에 적합하도록 유도한 Farassat의 Formular 1A식⁽⁴⁾을 기본 식으로 사용하고 있다.
본 논문의 소음해석코드는 공력해석을 통해 확보한 비정상 공력하중 정보와 형상정보를 적분식형태의 음파 방사식을 이용하게 된다. 상세한 코드의 구성과 결과는 본문에서 살펴볼 수 있다.
본 소음코드에서는 Farassat formular 뿐 아니라 Lowson formular를 추가하여 사용하고 있다. 식 (4)의 Lowson formular⁽⁵⁾는 두께가 없는 점하중이 자유공간에 움직일 때 발생하는 음파 방사를 나타내는 식이다.
위에서 설명한 음파 방사식은 기준 시점이 소음원 시간을 기준으로 하기 때문에 실제 관측자 위치에서의 음압의 경우 소음원과 관찰자간의 음파 도달 거리를 수치적으로 고려하기 위하여 음원 중심(Source-time dominant)알고리즘을 사용하였다.
일반적인 격자기반의 전산유체역학이 아닌 lifting line으로 헬리콥터 공력하중을 계산하는 경우 공력 하중이 점 하중으로 표현되기 때문에 수치적분 입장에서 Lowson formular가 효율적이다. 이러한 이유로 본 해석코드에서는 Farassat formular와 Lowson formular를 겸하여 사용하고 있다.

성능/효과

에서는 기준 BVI 발생 비행조건과 능동 탭이 작동할 경우 BVI 소음을 비교하여 소음저감 정도를 예측하였다. 발표된 논문에서는 능동 탭의 작동 주기 2/rev (MN-2P), 3/rev (MN-3P)에서 특정 위상차를 갖고 작동할 경우 그림 8 의 기준상태보다 그림 9 에서처럼 소음이 저감됨을 확인 할 수 있었다. 특히 3/rev 주기로 탭을 작동한 MN-3P의 경우 기준 상태보다 최대 3dB 정도의 소음이 줄어듦을 알 수 있었다.
소음해석코드를 다양한 문제에 적용하기 전에 시험과 비교·검증을 통해 코드의 정확도를 확인하였다. 해석코드의 적용사례로 HART-Ⅱ, STAR, 능동탭 로터블레이드의 소음 해석 연구를 수행한바 있으며, 적용사례에서도 알 수 있듯이 시험조건을 변화시켜 기준보다 소음저감 조건을 파악할 수 있었다.

후속연구

개발된 헬리콥터 소음해석코드는 앞으로 저소음 헬리콥터 로터 블레이드 형상 연구 및 저소음 비행 조건 최적화 연구에 적용될 예정이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

FW-H(Ffowcs-Williams Hawkings)식은 움직이는 물체에서 발생하는 공력소음을 모사하기 위해 무엇을 이용하는가?

1969년 Ffowcs-Williams와 Hawkings가 Lighthill’s acoustic analogy를 이용하여 움직이는 물체에서 발생하는 공력소음을 모사하는 FW-H(Ffowcs-Williams Hawkings)식(3)을 유도하였다. FW-H 식이 유도된 이후 이를 수치 계산하여 임의의 움직이는 물체의 공력소음을 예측할 수 있는 방법들이 개발되어 왔다.

BVI(Blade-Vortex Interaction) 소음은 언제 발생하는가?

이는 회전하는 블레이드 특성 상 주기적으로 발생하는 비정상 공력 하중 및 형상변화와 국부적으로 발생하는 압축성 충격현상에 기인한다. 특히 하강비행이나 기동비행 시 발생하는 BVI(Blade-Vortex Interaction) 소음은 가장 큰 헬리콥터의 주기적 소음이라 할 수 있다.

헬리콥터 소음에서 저주파 영역에서 발생하는 주기적 소음이 지배적인 까닭은 무엇인가?

그림 1에서 알 수 있듯이 저주파 영역에서 발생하는 주기적 소음이 가장 지배적임을 알 수 있다. 이는 회전하는 블레이드 특성 상 주기적으로 발생하는 비정상 공력 하중 및 형상변화와 국부적으로 발생하는 압축성 충격현상에 기인한다. 특히 하강비행이나 기동비행 시 발생하는 BVI(Blade-Vortex Interaction) 소음은 가장 큰 헬리콥터의 주기적 소음이라 할 수 있다.

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