고속 비행 가능한 복합형 회전익기 개념설계 기법 개발

Abstract

일반적인 헬리콥터의 전진 속도 제한을 극복하기 위해, 기존 헬리콥터에 보조 날개 및 추진 장치를 결합한 다양한 형상의 복합형 회전익기 컨셉들이 제시되고 있다. 복합형 회전익기에 대한 기초 연구로 여러 종류의 개념설계 연구가 수행되어 왔지만, 기존 연구에 제시된 기법들은 특정 컨셉에 초점이 맞춰진 각기 다른 알고리즘으로 구성되어 있다. 다시 말해, 기존의 연구 결과 간에 일관성이 부족하기 때문에 여러가지 컨셉의 복합형 회전익기를 대상으로 하는 비교 연구를 수행하는데 한계가 있다. 또한, 기존의 기법들은 확장성이 부족하기 때문에 기술 발전에 의해 앞으로 새롭게 제시될 컨셉의 회전익기에 대해 적용하기엔 어려움이 있다. 이에 따라 다양한 복합형 회전익기에 대해 일관성과 확장성을 가지고 설계할 수 있는 개념설계 기법이 필요하다. 따라서 본 연구는 다양한 컨셉의 복합형 회전익기에 대해 일관성과 확장성을 가지고 설계할 수 있는 통합 개념설계 기법을 제시하기 위해, 컨셉 분석, 비행 해석, 항공기 사이징 모듈을 개발하였다. 컨셉 분석 모듈은 설계하고자 하는 복합형 회전익기를 구성품 단위로 이를 분석하는 모듈이며, 이를 통하여 얻어지는 해당 컨셉만의 중량 정보 및 비행 특성을 중량 추정 및 비행 해석 모듈에 반영되게 하였다. 비행 해석 모듈은 3가지 비행 조건인 제자리 비행, 전진 비행, 천이 비행으로 구성되어 있으며, 항공기 사이징 모듈의 추진 시스템 사이징과 임무 해석에 사용된다. 중량 추정 및 비행 해석 모듈을 이용하여 항공기 사이징이 수행되고 이를 통하여 주어진 임무를 수행하는 항공기의 공허 중량 및 연료 중량이 예측된다. 본 연구의 비행 해석 모듈과 항공기 사이징 모듈은 특정 컨셉에 구애 받지 않고 다양한 복합형 회전익기에 대해 동일하게 적용할 수 있는 하나의 체계적인 알고리즘으로 구성되어있다. 이에 따라, 제시된 개념설계 기법은 해석 및 설계에 있어서 일관성을 가진다. 이 뿐만 아니라 새로운 컨셉을 설계하기 위해 요구되는 구성품을 컨셉 분석 모듈에 고려할 수 있다면 새로운 컨셉에 대한 중량 추정 및 비행 해석이 가능하다는 확장성을 가진다. 추가적으로, 본 연구의 임무 해석 기법 중, 로터 진진 비행 해석에 균일 유입류와 선형 유입류 모델을 적용하였고, 팁-드리븐 로터에 이용되는 내부 덕트 해석에 원심력과 부차적 손실 등을 고려하여 해석의 정확도를 높였다. 또한, 항공기의 전진 속도가 증가함에 따라 변화하는 날개와 주 추진 장치의 양력분할비율과 추가적인 항력을 고려하여 천이 비행 해석을 수행하였다. 그리고 제안된 개념설계 기법을 이용한 설계 결과를 보여주기 위해, 주 추진 장치와 구동 방식을 기준으로 분류된 4종류의 복합형 회전익기 컨셉에 대해 최적 설계를 수행하였고, 설계 결과에 대하여 비교 분석을 진행하였다.

To overcome limitations of the conventional helicopter at high-speed maneuver, various concepts of the helicopter, namely compound helicopters, have widely been studied and developed to enable high-speed maneuver. Although several conceptual design studies have been conducted as fundamental research on the compound helicopter, the methods presented in previous studies consisted of different algorithms focused on a specific concept. In other words, the lack of consistency between previous studies occurs the restriction of ability to perform comparative studies on multiple concepts of compound helicopters. Further, the existing design and analysis methods are difficult to apply to concepts that will be newly presented by technological advancement due to the lack of scalability. Therefore, this study has developed a breakdown of concept, flight analysis, and aircraft sizing module to suggest a comprehensive conceptual design method that can be designed with consistency and extensibility for various types of compound helicopters. Breakdown of concept is a module for decomposing and analyzing a compound helicopter with component units. Component weight and flight characteristics, obtained through the breakdown of concept module, are reflected in the weight estimation and flight analysis module. Flight analysis module consists of three flight conditions: hovering, forward flight, and transition flight. And it is used for sizing propulsion systems and mission analysis of the aircraft sizing module. Through the aircraft sizing module, empty weight and fuel weight to perform the given mission are predicted. Proposed flight analysis module and aircraft sizing module consist of one systematic algorithm that can be applied equally to various compound helicopters. Accordingly, the proposed method has consistency in design and analysis. And it has the scalability to design a new concept if the breakdown of concept module is able to consider new components required to design. In addition, to supplement the flight analysis of this study, uniform inflow and linear inflow models were applied to the rotor aerodynamic analysis. And the accuracy of duct inflow analysis, used in the tip-driven rotor, is improved by considering the centrifugal force, Coriolis force, and minor loss. Also, transition flight analysis was performed considering the varying lift sharing ratio and additional drag as the aircraft's forward speed increases. And, to demonstrate the design results using the proposed conceptual design method, the optimum design was carried out for the four types of compound helicopters classified by the main thruster and the driving system.