수직이착륙 비행체 사이클로콥터의 비행하중 연구

Abstract

사이클로콥터는 사이클로이드 블레이드 시스템(Cycloidal Blade System) 을 이용하여 추력을 얻는 수직이착륙이 가능한 회전익 비행체의 한 종류이다. 사이클로이드 블레이드 시스템은 회전축에 수직한 360°어느방향으로도 추력을 발생시킬 수 있어 이를 장착한 사이클로콥터는 기존의 항공기와 비교해 더 빠른 기동전환이 가능하다. 본 논문에서는 이러한 사이클로이드 블레이드 시스템을 사용하여 비행하는 비행체에서 발생할 수 있는 비행 하중에 대한 연구를 수행하였다. 기존의 비행체 개발단계에 있어 비행하중에 대한 분석은 개발 초기단계에 수행되어 기체 구조설계의 기준이 되는 가장 기본적이고 중요한 분야이다. 하지만 지금까지의 사이클로콥터의 연구는 사이클로이드 블레이드 시스템의 추력성능향상 및 기체의 자세제어에 그 초점이 맞추어져 있었다. 비로소 최근 사이클로콥터가 안정적인 공중정지비행 및 저속 전 후진 비행에 성공하면서 전진비행특성에 대한 연구가 진행되고 있고 비행시 발생하는 비행 하중에 대한 연구의 필요성이 대두되었다. 본 논문에서는 이러한 필요성에 따라 일반적인 사이클로콥터에 작용하는 비행하중에 대해 분석해 보고 실제 사이클로콥터 5호기가 특정 비행조건으로 비행시 받게 되는 하중을 계산하였다. 사이클로콥터의 특성 상 각 부품마다 작용하는 하중의 종류 및 크기가 다르기 때문에 먼저 블레이드, 허브 암, 로터 축, 콘트롤 링크 및 동체 등의 주요 부품 별로 발생하는 공력하중과 관성하중을 분석하였다. 각 비행하중에 영향을 주는 설계변수 및 비행조건을 찾고 이를 바탕으로 비행하중을 예측할 수 있는 이론식을 도출하였다. 각 부품 별 하중예측식을 바탕으로 사이클로콥터 5호기의 대표적인 비행조건인 공중정지비행, 등속전진비행, 가속전진비행, 제자리 회전기동 시 작용하는 각종 하중 값을 계산하였다. 공력하중 값은 전산유동해석을 이용하여 찾아내었고, 각 관성하중 값은 이론식을 바탕으로 구축한 하중분석 종합 데이터 시트를 이용하였다. 이렇게 찾아낸 비행하중 값 중 제자리 회전기동 시 사이클로콥터 5호기의 동체가 받는 gyroscopic moment를 극한하중으로 선정하고 DIAMOND/IPSAP 프로그램을 사용하여 정적 구조해석을 실시 하였다. 해석 결과를 통해 제자리 기동 중 발생하는 비행하중이 사이클로콥터 5호기 동체에 주는 영향성을 확인하였다. 본 논문에서는 향 후 새로운 사이클로콥터 기체 설계 시 구조 설계에 대한 기준으로 활용될 수 있는 사이클로콥터의 각종 비행하중에 대한 예측식을 제시하였다. 이와 같은 비행하중에 대한 연구결과는 사이클로콥터의 최적설계 및 사이클로콥터의 비행/기동영역을 설정하는 연구에 도움이 될 것으로 기대된다.