삼중 후퇴각 깃 형상을 이용한 공력소음 및 성능 최적화

Abstract

헬리콥터 소음은 군사 작전 수행, 국가 기관 운용 및 민간 기업 운용에 제한을 주는 가장 큰 요인 중 하나이다. 헬리콥터 소음 저감을 위해 현재까지 여러 연구들이 진행되어 오고 있다. 그 중에서 헬리콥터 로터 블레이드 형상 설계는 헬리콥터의 성능을 좌우하는 동시에 헬리콥터 저소음 특성을 가지게 하는 핵심 기술이다. 본 연구는 삼중 후퇴각 블레이드 플랜폼 형상을 이용하여 제자리 비행 및 고속 전진 비행 공력 성능 향상과 깃 와류 간섭(BVI) 소음 저감을 위한 최적화 설계를 수행하였다. 블레이드 형상 변화에 따른 고형비 효과를 최소화 하기 위해 추력가중고형비(thrust weighted solidity)를 일정하게 맞추는 제약조건을 사용하였으며, 실제 블레이드 운용을 고려하여 피칭 모멘트 제약조건을 설정하였다. 효율적인 최적화 설계 수행을 위해 전산 공력 해석과 자유후류(freewake) 모델을 결합한 hybrid 기법으로 블레이드 공력해석을 수행하였고, Kriging model 기반의 Efficient global optimization(EGO)기법을 사용하여 최적점을 탐색하였다. 최적화 설계 결과 각 비행 조건 별로 성능이 우수한 형상 3개와 모든 성능이 우수한 형상 1개 총 4가지 형상을 얻을 수 있었으며, 분산 분석(the analysis of variance, ANOVA)을 통하여 각 비행 조건 성능에 영향을 미치는 요인들을 확인하였다. 하반각, 익형 두께 그리고 삼중 후퇴각 형태는 각각 제자리 비행 성능, 전진 비행 성능 그리고 소음 성능에 영향을 미치는 요인들이다. 제자리 비행시, 하반각이 적용됨으로 익단 와류의 위치가 기본 블레이드보다 아래에 발생하게 된다. 이는 다음 블레이드와 익단 와류의 거리가 증가하여 간섭 효과가 감소하게 된다. 이로 인해 유도 속도가 감소하게 되어 유도 동력 감소하며 제자리 비행 효율이 올라가게 된다. 고속 전진 비행시, 익형 두께가 얇아짐으로 블레이드 익단 유도속도는 감소하게 되어 유도 항력이 줄어들게 되며, 충격파의 세기 또한 감소하여 형상 항력이 줄어들게 된다. 이는 고속 전진 비행 요구 동력 감소로 이어지게 된다. 깃 와류 간섭(blade vortex interaction) 발생 조건 하강 비행시, 삼중 후퇴각 형상을 적용함으로 전면에서 와류와 수직하게 부딪히는 강도를 줄일 수 있으며, 전진면에서 블레이드와 익단 와류간에 평행하게 부딪히는 영역을 감소시켜 블레이드 익단 와류 소음(BVI)을 저감 시킬 수 있다.