틸트 항공기 개발의 역사적 교훈 및 고성능 수직이착륙 무인기 개발 방향

김재무 한국항공우주학회 2016 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2016 No.4

헬리콥터는 고정익기보다 약간 늦게 발명되어 2차 세계대전 중에 군용으로 양산되기 시작하였고 1950년대 초에는 한국동란에 투입되어 본격적으로 활용되기 시작하였다. 헬리콥터는 활주로가 없는 곳에서 이륙과 착륙이 가능하고 공중에서 제자리 비행을 할 수 있어 고정익기가 할 수 없는 임무를 수행할 수 있으나 전진 속도가 제한되어 있어서 속도 성능을 높이려는 시도는 1950년대부터 활발히 진행 되었다. 이러한 시도중에 로터나 프로펠러를 수직방향에서 수평방향으로 기울이는 변환형 회전익기 방법과 헬리콥터에 추진용 프로펠러나 날개를 추가하여 성능을 향상시키는 복합형 회전익기가 대표적인 방법이었다. 로터를 기울여서 변환하는 시도는 헬리콥터 제작사에서 주로 시도했고 앞으로 향해 있던 프로펠러를 위로 향하게 변환하여 수직이착륙을 하려는 시도는 주로 고정익기 제작사에서 시도 되었다. 우리나라에서는 틸트 로터 무인항공기 독자개발에 성공하여 이를 실용화를 하려는 노력이 진행 중이며 한편으로는 해외에서 도입한 틸트 프로펠러 무인기 기술로 국내 무인항공기 시장을 개척하려는 시도가 진행 중이다. 수직이착륙 항공기의 성능을 향상하기 위한 현재까지의 주요 경험과 교훈을 재조명하여 우리나라의 효율적인 고속 수직이착륙 항공기 개발 방안을 제시하려 한다. Helicopter firstly flown several years later than airplane, started its production in 1942. The value of the helicopter increased after they were used for various missions in Korean war early 1950’s. Although the helicopter has special capability; vertical takeoff and landing(VTOL), it has limited performance in speed and range. A number of attempts have been made to quest for the speed since 1950’s. Tilting aircraft utilized the same rotor or propeller for vertical takeoff and landing as well as high speed flight by tilting them during transition flight; this type of model can be called ’transformative rotorcraft’. The other method utilizes additive propellers or wings on the rotor-driven helicopter, called ’compound rotorcraft’. Korea has been building up the tilt rotor development technology since 2002. Recently programs for high speed UAV development for production are under way. Past tilting aircraft development and flight test experiences were surveyed and several lessons could be extracted.

다목적 헬리콥터 21% 모델의 풍동시험 및 전산유체 해석

김재무,권오준 한국항공우주학회 1999 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.- No.-

와류 연구에서 회전익기 개발로의 발전

김재무 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

현재 우리나라는 수리온 헬리콥터 및 틸트로터 무인기를 개발하므로서 회전익 항공기를 독자적으로 개발할 수 있는 능력을 갖게 되었다. 회전익기는 고정익기와 달리 양력을 만든 후에 발생한 회전익 후류가 회전익 날개에 영향을 주어 소음 및 진동을 유발시킨다. 특히 회전익 후류에는 날개 끝 와류와 같은 에너지가 축적된 와류가 포함되어 있어 회전익 날개와의 간섭 또는 동체와의 간섭으로 일어나는 영향이 커서 이 특성을 잘 파악하여야 한다. 이러한 회전익과 와류와의 간섭효과 연구는 세계적으로 1960년대에 이미 시작되었는데 필자는 1980대에 해외에서 블레이드/와류 간섭효과의 실험적 연구 및 회전익 후류와 동체와의 간섭의 실험적 연구를 수행하였다. 우리나라에서는 1990년대에 대형 아음속 풍동을 설치하여 회전익 연구를 본격적으로 수행할 수 있는 기반이 마련되었고 2000년대에는 회전익 항공기를 실제로 개발하는 사업이 진행되어 2011년에는 개발된 회전익 항공기의 성공적인 개발을 비행시험으로 증명하게 되었다. Recently in Korea two rotorcraft development programs were completed, indicating that Korea can develop rotorcraft in indigenous manner. Rotor wake from a rotary wing is influencing the following rotary wing, which was known to be a major source of the noise and vibration in rotorcraft. The rotor wake contains energy-concentrated vortices. The vortex interaction with following rotor blade and airframe was enormous that it is very important to understand the interactional characteristic. The blade/vortex interaction study started early in 1960"s. The author accomplished the experimental study of the BVI and the interaction of the rotor wake and an airframe in 1980"s abroad. Production type low speed wind tunnels were built in Korea by 1990"s, which enabled serious rotary wing experiment. Rotorcraft development programs were launched in early 2000"s and their flight tests were performed by 2011. This presentation shows the previous efforts of rotorcraft aerodynamics both in academic study and real rotorcraft development.

틸트로터 항공기의 기술적 이슈 및 최근 세계 동향

김재무 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

틸트로터 항공기는 1950년대 초에 시연기로서 비행에 성공하였으나 2005년에 와서야 V-22 오스프리의 양산이 결정되었는데 긴 시간 동안 많은 이슈가 있었던 항공기이다. 미국은 육군을 제외한 각 군이 약 458대의 V-22를 생산할 계획을 갖고 200여대를 전후방에 배치하여 사용하고 있다. 최근에는 미국의 육군도 틸트로터 항공기를 차세대 수직이착륙 항공기로 사용하기 위하여 기술 시연기 개발사업을 진행하고 있다. 유럽과 중국에서도 틸트로터 항공기를 개발하기 시작하여 틸트로터 항공기는 전 세계적으로 개발이 확산되고 있다. 이 논문에서는 틸트로터 항공기의 개발 역사를 고찰하고 그 동안 제기 되었던 주요 이슈와 이슈에 대한 해결 결과를 서술한다. 우리나라는 무인항공기로서의 틸트로터를 2012년까지 10년간 개발하여 자동 천이 비행 및 임무 비행시험으로 기술 개발의 시연을 한 바 있고 무인항공기를 세계에서 처음으로 실용화하는 사업을 추진 중에 있다. 유인 틸트로터 항공기의 세계적인 개발 추세를 볼 때 우리나라도 이러한 추세에 동참하여야 국제적인 경쟁력을 갖는 항공기 제작산업 역량을 확립 할 수 있을 것이다. Tiltrotor aircraft started to fly early 1950s as a research aircraft but the full production of the tiltrotor aircraft, V-22 Osprey, managed to start in 2005, which produced a number of technical issues. United States marine corps, air force and navy have a plan to deploy 458 sets of V-22"s and more than 200 sets have been produced until recently. US army also launched a project to replace the UH-60 Black Hawk and AH-64 Apache in 2013, where a tiltrotor called V-280 Valor was selected as one of the two candidates for the technology demonstrator development program. European Union and China also started projects to develop the tiltrotor aircraft that the tiltrotor development became the global trend. This paper presents the history of the tiltrotor development and main issues arisen during the 50-year-long developments. Korea has developed a tiltrotor UAV since 2002 and demonstrated the full autonomous flight in 2012. A prototype development program for the tiltrotor UAV is being in progress. The global trend of the tiltrotor development indicates that it is a good timing for Korea to develop the manned tiltrotor aircraft, which can promises to establish a momentum to acquire the indigenous aircraft manufacturing capability.

복합재 쌍발기 5% 모델의 풍동시험

김재무,조태환,권기정,최인호,정진덕 한국항공우주학회 1997 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.- No.-

수직이착륙 항공기의 최근 세계동향 및 국내 항공 산업의 Red Ocean 탈출 방안

김재무 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

헬리콥터는 고정익 항공기보다 몇 년 늦은 1907년도에 역사적인 초도비행을 성공한 것으로 기록되었으나 양산형 헬리콥터는 1942년에 처음으로 제작되었다. 헬리콥터의 진가는 1950년대 초에 한국전쟁에서 본격적으로 인식되기 시작했는데 제자리 비행능력으로 인명을 구조하는 임무를 수행하기 시작했기 때문이다. 헬리콥터는 그 이후에 고정익기와 마찬가지로 전투를 할 수 있는 능력을 갖추게 되었고 월남전에 투입하여 많은 활약을 하였으나 미군은 이 전쟁에서 우세한 전력에도 불구하고 패배하게 되었다. 이 때 입은 헬기의 손실은 투입한 헬기의 43%에 달한다고 한다. 월남전의 쓰라린 경험을 교훈으로 UH-60과 AH-64 아파치 헬기를 개발하여 헬기의 생존성을 높였으나 최근의 이라크/아프가니스탄 전에서는 월남전에서보다 높은 비율의 헬기를 손실한 것으로 알려져 있다. 이에 대해 미국은 특단의 대책을 마련하고 있고 획기적인 성능을 갖춘 차세대 수직이착륙 항공기를 개발하고 있다. 미군이 요구하는 성능은 재래식 헬리콥터로는 만족할 수 없어서 여러 종류의 수직이착륙기가 제안되고 있다. 이러한 미국의 차세대 수직이착륙기 개발 방향은 유럽에도 영향을 주어 2014년에 착수하여 2020년까지 민수용 고성능 수직이착륙 항공기를 개발하는 사업이 진행되고 있다. 우리나라는 군용 헬리콥터를 독자적으로 개발하여 2013년에 양산을 시작한 바 있고, 스마트무인기를 개발하여 틸트로터 무인항공기 시스템 개발 기술을 시연한 바 있다. 국내 항공 산업은 대부분 군 수요에 입각한 해외기술도입을 근간으로 한 국내 개발을 지향하여 온바 내수는 만족시키나, 해외시장에서 경쟁력 있는 항공기를 출시하지 못하는 실정이다. 이미 재래식 항공기 시장은 후발국에게는 불리한 레드 오션(red ocean)화 되어 있으며 이에 대한 탈출 방안을 강구하여야 한다. 최근에 전개되고 있는 고성능 수직이착륙 항공기 개발이라는 전 세계적 물결에 동참하여 전주기 기술의 기본을 구축하여야 우리나라의 항공기 산업은 레드오션을 탈출 할 수 있다. Maiden flight of the first helicopter was recorded in 1907, several years later than that of the fixed-wing aircraft but full production of the helicopter started much later in 1942. The true value of the helicopter started to be appreciated during Korean War, where the helicopter started to be used in rescue of the downed pilots. Then the helicopters were built in larger size for transportation and even equipped to attack enemy. During Vietnam War more than 10 thousand helicopters were deployed in multiple types of mission but their crash rate was recorded as high as 43%. The lessons learned during Vietnam War required high survivable helicopters for armed forces, yielded UH-60 Black Hawk and AH-64 Apache in US. Nevertheless the survivability of the helicopter never improved for US forces during recent war in Iraq and Afghanistan. The low survivability was identified to be caused by low speed of the conventional helicopter and the future multi role helicopters are required to have higher speed performance. Several types of VTOL aircraft are proposed by different companies. The high speed VTOL trend in US influenced European countries to develop two different types of high speed VTOL demonstrators during 2014 ~ 2020. Korean aircraft industries yielded their products through remarkable efforts within short period. They can satisfy domestic demands from Korean forces but their products are not competitive in the international aircraft market since the international aircraft market became red ocean for the late follower. It is high time to change the strategy to conquer the blue ocean through join the recent high speed VTOL aircraft development trend.

Field-plate 및 Backside-plate 구조를 이용한 AlGaN/GaN HEMT의 DC 특성 연구

김재무,김수진,김동호,한철구,김태근 한국진공학회 2007 한국진공학회 학술발표회초록집 Vol.16 No.2

복합형 회전익기 개념 연구의 국내경험 및 고속 수직이착륙 항공기 개발 해외동향

김재무 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

헬리콥터는 고정익기 보다 약간 늦은 1907년도에 역사적인 초도비행을 성공한 것으로 기록되었으나 양산형 헬리콥터는 1942년에 처음으로 제작되었다. 헬리콥터의 진가는 1950년대 초에 한국전쟁에서 발휘하게 되었는데 제자리 비행능력으로 인명을 구조하는데 사용하게 되어 이전에 고정익 항공기로 불가능한 임무를 수행할 수 있게 되었다. 그러나 회전익기는 고정익기에 비하여 전진비행 속도에 제한이 있어서 이러한 한계성을 극복할 수 있는 방안은 1950년대 이래 현재까지도 진행되고 있다. 세계적으로 수십종의 항공기 개념이 연구되고 일부는 비행시험까지 진행된 바 있으나 실용화에 성공한 기종은 추력 벡터링을 하는 영국의 해리어(미국: AV-8B) 기종, 수직력용 엔진과 추력용 엔진을 겸용하는 러시아의 Yak-38 기종, 틸트로터 항공기인 미국의 V-22 오스프리의 3종뿐이다. 전진속도를 향상시키려는 노력으로 별도의 추진장치를 추가하여 장착하는 복합형 회전익기는 세계 각국에서 많은 연구개발이 이루어졌는데 현재까지 실용화에 성공한 예는 아직 없다. 최근에는 배터리의 효율이 개선되어 전기추진 항공기가 가능해졌으며 자동비행 시스템 기술이 발달하여 새로운 개념의 항공기로 회전익기의 속도를 향상시키려는 노력이 다시 진행되고 있는 것이 세계적인 추세이다. 우리나라는 2002년 틸트로터 무인기 개발착수 이전에 3종의 고속수직이착륙 항공기 개념을 비교연구 한 바 있으며, 최근에 복합형 회전익기의 개념연구가 다시 시작되고 있다. 헬리콥터의 제한성 극복을 위한 국내외의 지난 경험과 최근에 진행되고 있는 해외 개발 동향을 파악하게 된다면 이를 교훈으로 효율적인 고속 수직이착륙 항공기 개념 선정을 할 수 있을 것으로 본다. Helicopter firstly flown several years later than airplane, started production in 1942. The value of the helicopter increased after they were used for rescue mission in Korean war. Although the helicopter has special capability; vertical takeoff and landing(VTOL), it has limited performance in speed and range. A number of attempts have been made to quest for the speed since 1950 but only three high-speed VTOL types were successful in production. In Korea high speed VTOL UAV development program, called Smart UAV program was performed during 2002 ~ 2012. Early stage of the program three candidates were selected and studied to choose a platform of the SUAV system. Recently in Korea the compound helicopter concept study is resumed. These days electric powered propulsion enabled with light batteries and motors is available together with low-cost fly-by-wire flight control technology. When we combine knowledge available from the history of the compound helicopter development and new technology not available years ago, we can yield a successful model for the compound rotorcraft overcoming barrier of the speed and range with conventional helicopters.

틸트로터 항공기의 기술적 이슈 및 최근 세계 동향

김재무 세종대학교 항공산업연구소 2014 항공산업연구 Vol.80 No.-

수직이착륙 항공기의 최근 세계동향 및 국내 항공 산업의 레드 오션 탈출 방안

김재무 세종대학교 항공산업연구소 2013 항공산업연구 Vol.79 No.-