동축 반전 로터의 공력 성능 및 소음 특성에 관한 수치 해석적 연구

Abstract

본 연구는 회전익 항공기의 로터 형식 중 하나인 동축 반전 로터의 공력 성능 및 소음 특성에 관한 수치 해석적 연구이다. 동축 반전 로터는 하나의 축에 두 개의 로터가 서로 반대 방향으로 회전하는 로터 형식으로 일반적인 단일 로터 형식의 회전익 항공기가 갖기 어려운 다양한 목적을 위한 대안적인 개념의 하나로서 제안되어 왔다. 특히 최근 회전익 항공기의 고속화, 고양력화 경향과 더불어 소형 무인항공기 개발에 대한 요구 등으로 동축 반전 로터가 재조명 됨에 따라 동축 반전 로터의 다양한 운용 조건에 대한 공력 성능 특성과 비정상 하중 및 이로 인한 소음 특성에 관한 연구가 요구되었다. 본 연구에서는 동축 반전 로터의 공력 성능 및 소음 특성 해석을 위한 효율적이고 신뢰도 높은 수치 해석 기법을 개발하고 이를 적용하여 제자리 비행과 전진 비행 등의 다양한 조건에 대한 동축 반전 로터의 공력 성능 및 소음 특성 해석을 수행하였다. 동축 반전 로터의 다양한 운용 조건에 대한 복잡한 유동 현상 해석과 상·하부 로터의 상호 간섭 해석이 가능한 동시에 낮은 계산 비용으로 효율적인 해석이 가능하도록 자유 후류 와류격자 기법을 기반으로 한 수치해석 기법을 개발하였다. 개발된 수치 해석 기법의 신뢰성을 폭넓게 검증하였으며 이를 바탕으로 동축 반전 로터의 제자리 비행과 전진 비행 등의 다양한 조건에 대한 공력 성능 및 소음 특성 해석을 수행하였다. 동축 반전 로터의 제자리 비행에 대한 공력 성능 및 소음 특성 해석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다. 동축 반전 로터의 토크 평형 조건을 위해 상·하부 로터 간섭에 따라 하부 로터 피치각이 상부 로터보다 커야 하며 이러한 토크 평형 조건은 토크에 대한 추력의 비를 최대로 하는 조건의 하나이다. 상·하부 로터 간격 변화에 따라 전체 추력 및 토크에는 변화가 없지만 상·하부 로터의 추력 비가 달라지며 상·하부 로터 간격이 고정된다면 전체 추력의 변화에 관계없이 추력 비가 일정하게 유지된다. 추력이 높아질수록 단일 로터와 비교하여 높은 공력 성능을 보이며 상부 로터의 후류는 단일 로터보다 더욱 빠르게 대류, 수축되고 하부 로터는 반대의 경향을 갖는다. 상·하부 로터 간섭에 의한 주기적인 비정상 하중 발생으로 로터 회전 축 방향으로 상대적으로 높은 소음도를 나타내며 위치에 따른 음압의 위상 차 변화로 제자리 비행 시 로터 회전 평면에서도 방위각에 따라 소음도가 달라지는 소음 특성을 갖는다. 동축 반전 로터의 전진 비행에 대한 공력 성능 및 소음 특성 해석을 통해서는 다음과 같은 결론을 도출하였다. 전진 속도에 따른 동력 변화 경향은 일반적인 단일 로터와 유사하지만 낮은 전진 속도에서는 단일 로터에 비해 상대적으로 높은 동력 성능을 보인다. 전진 속도가 증가함에 따라 상·하부 로터 간 간섭이 감소하여 개별적인 단일 로터와 같이 운영되고 이에 따라 단일 로터와의 동력 변화에서의 차이가 감소한다. 상·하부 로터의 대칭적인 롤링 모멘트를 크게 적용할수록 방위각에 따른 피치각 변화와 최대 피치각이 감소하고 적절한 대칭적인 롤링 모멘트 적용을 통해 전진 비행에서의 동력 성능을 향상시킬 수 있으며 전진비가 높을수록 그 영향이 커진다. 단일 로터와 달리 수평 전진 비행에서도 상부 로터에서 발생한 와류에 의한 하부 로터에서의 블레이드-와류 간섭이 발생하며 상·하부 로터 위상각 차를 통해 전진 비행에서 발생하는 전면부의 높은 소음뿐만 아니라 하부 로터에서 발생하는 블레이드-와류 간섭 소음도 제어할 수 있다. 하강 전진 비행 시의 블레이드-와류 간섭 소음은 단일 로터와 달리 전진부와 후퇴부에 대해 상대적으로 대칭적인 방사 형태를 나타내며 그 크기도 줄어드는 특성을 갖는다. 본 연구를 통해 일반적인 단일 로터와 구별되는 특성을 갖는 동축 반전 로터의 다양한 조건에서의 공력 성능 및 소음 특성을 분석하였다. 본 연구를 기반으로 한 동축 반전 로터 특성에 관한 폭넓은 이해는 이후 고속·고양력 회전익 항공기 및 소형 무인항공기 개발 등에 적용되는 동축 반전 로터의 개발에 있어서 진행될 공력 및 소음 설계 등을 위한 중요한 기초가 될 것으로 기대된다.