Blade Configuration Design for Lift-Offset Compound Helicopter on the stage of Conceptual Design

Abstract

후퇴면에서 발생하는 동적 실속으로 인한 고속 전진 비행 시의 낮은 효율은 전통적인 단일 로터 헬리콥터의 개선되기 어려운 단점이다. Lift-offset은 후퇴면에서 양력 손실이 발생하더라도, 전진면에서 발생시킬 수 있는 최대한의 양력을 만들어 고속 전진 비행 시의 효율을 증가시켜 이 단점을 극복할 수 있는 방법이다. 더불어, stiff hingeless rotor의 개발로 단일 로터면에서 불균형한 양력이 발생하여 작지 않은 크기의 롤모멘트가 만들어져도 로터의 구동이 가능해졌다. 하지만 lift-offset 동축반전 로터는 상부와 하부 로터간의 간섭과 같은 복잡한 유동 현상 때문에 CAMRAD II와 전산유체해석으로 대표되는 high-fidelity 방법을 사용하여 분석이 진행되었다. 본 연구에서 저자는 깃-요소 이론을 변형한 lift-offset 동축반전 로터 해석 모듈을 개발하여 수직 이착륙기 사이징 프로그램인 RISPECT+에 적용하였다. 이를 통해, 개념설계 단계에서 적은 시간과 비용으로 lift-offset 복합형 회전익기를 설계하는 과정을 제안하였다. 제안된 개념 설계 과정을 사용하여 하나의 puhser propeller와 lift-offset 동축반전 로터를 가진 형상의 초기 사이징을 진행하였다. 또한, 추가적으로 개념 설계 단계에서 로터 블레이드의 익형 설계를 진행하고 이를 개념설계에 반영하여 로터의 공력 성능이 lift-offset 복합형 회전익기의 개념설계 결과에 미치는 영향을 정량적으로 알아보고자 하였다. 익형 설계는 로터 블레이드를 세 구간으로 나누어 유동 해석 조건을 선정한 후, IGP 기법을 이용하여 진행되었다. NSGA-II 알고리즘 및 XFOIL을 사용하여 최적화 설계 과정을 수행한 후, 설계된 익형을 적용하여 개선된 개념 설계 결과를 도출하였다. 그 결과 개념 설계 단계에서 개선된 로터 해석 모듈을 이용한 익형 설계를 진행하여 lift-offset 복합형 회전익기의 공허중량과 요구 동력에 큰 영향을 미치는 lift-offset 동축반전 로터에 대한 개선된 설계 결과를 얻을 수 있다는 결론을 도출하였다.

Low efficiency in high-speed forward flight due to dynamic stall on a retreating side is a disadvantage of conventional single-rotor helicopters that is difficult to improve. Lift-offset is a technique to overcome this disadvantage by increasing the efficiency in high-speed forward flight by creating the maximum lift that can be generated on an advancing side even if lift loss occurs on a retreating side. In addition, the development of a stiff hingeless rotor makes it possible to drive rotors even when a non-small roll moment was created due to an imbalanced lift on the advancing and retreating sides. However, a lift-offset coaxial rotor was analyzed using high-fidelity tools represented by CAMRAD II and computational fluid analysis because of complex flow phenomena such as the interference effect between the upper and lower rotors. This paper developed a lift-offset coaxial rotor analysis module that modified the blade-element theory and applied it to RISPECT+, a vertical take-off and landing aircraft sizing tool. Through this, a process of designing a lift-offset compound helicopter with lower time and cost is proposed. Initial sizing of a compound helicopter with a single pusher propeller and a lift-offset coaxial rotor was performed using the proposed conceptual design process. Furthermore, the airfoil design of rotor blades was additionally conducted in the conceptual design stage, and the effect of the aerodynamic performance of rotors on the conceptual design results was quantitatively investigated by considering airfoil design at the conceptual design stage. The airfoil design was carried out using the Improved Geometric Parameter (IGP) method after dividing the rotor blade into three sections and analyzing flow analysis conditions. After performing the optimization design process using the NSGA-II algorithm and XFOIL, an improved conceptual design result was derived by applying designed airfoils. As a result, it is concluded that improved design results for the lift-offset coaxial rotor, which greatly affects the total weight and required power of the lift-offset compound helicopter, can be obtained by proceeding with the airfoil design using the improved rotor analysis module in the conceptual design stage.