비대칭 날개를 가진 복합형 고속 회전익 항공기 개념 연구

국문 초록 (Abstract)

일반적인 헬리콥터는 수직 이착륙과 효율적인 제자리 비행이 가능하다는 장점과 함께, 전진 비행 시 로터의 불균형으로 인해 고속 비행 성능의 제한을 가진다. 기존의 헬리콥터에 보조 양력과 추진력을 추가하여 고속 비행 성능을 향상시키기 위한 다양한 형태의 헬리콥터를 복합형 회전익 항공기라고 통칭한다. 보통 주로터의 회전 속도를 조절하여 전진 영역에서의 항력 발산 현상과 유동 박리 현상을 지연시키고, 후퇴 영역에서 깃의 실속 및 역 흐름 영역에 의해 감소되는 양력을 보완함으로써 로터의 양력 불균형을 해소한다. 이와 함께 제트 엔진, 프로펠러와 같은 추진 장치를 적용하여 고속 비행이 가능하도록 함으로써, 일반적인 헬리콥터의 효율적인 제자리 및 저속 비행 성능을 유지하며 동시에 고속화가 가능하도록 한다. 그러나 이러한 보조 장치로 인해 기계적, 구조적으로 복잡해지며 무게가 증가한다.
본 논문에서는 비대칭 날개를 이용하여 고속 비행이 가능한 새로운 복합형 회전익 항공기의 개념을 제안한다. 로터의 후퇴 영역 하단에 날개를 장착하여 양력 불균형으로 인한 롤 모멘트를 보상한다. 로터의 롤 모멘트 제어를 위한 비대칭 날개와 추진력을 위한 프로펠러를 이용한 새로운 복합형 회전익 항공기는 기존의 복합형 회전익 항공기에 비해 빠른 비행이 가능하다.
비대칭 날개를 이용한 복합형 회전익 항공기의 효용성을 확인하기 위해 다물체 동역학 기반의 회전익 항공기 모델링 및 해석 도구인 FLIGHT- LAB을 이용하여 해석 환경을 개발하였으며, 다양한 모델의 트림 해석을 수행하고 경향성을 분석하여 해석 도구의 검증을 수행하였다.
비대칭 날개의 유용성을 검증하기 위하여, 동축 반전 로터를 가진 복합형 회전익 항공기 XH-59A를 모델링하였으며, 기존 연구 결과의 다양한 시험 결과를 이용하여 검증하였다. 이 모델을 기반으로 본 논문에서 제안한 새로운 복합형 회전익 항공기를 모델링하였다. 두 모델의 트림 해석 결과를 비교한 결과, 비대칭 날개를 이용한 개념이 동축 반전 로터를 이용한 개념에 비해 작은 항력과 진동으로 인해 보다 효율적이며, 빠른 속도로 비행이 가능함을 확인하였다. 전진 속력에 대해서 새로운 복합형 회전익 항공기의 날개 하중 지수를 변경하며 전체 필요 동력을 최소화하였다.
마지막으로 해석 도구를 이용하여 복합형 회전익 항공기의 매개변수적 해석을 수행하였으며, 복합형 회전익 항공기의 날개깃 수를 증가시킴으로써 일반적인 헬리콥터 수준의 진동 레벨로 감소할 수 있음을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 4
• 1.2.1. 전통적인 헬리콥터와 한계 4
• 1.2.2. 복합형 헬리콥터 8
• 1.2.3. 헬리콥터의 로터 회전 속도 조절 기법 연구 15
• 1.3. 연구 내용 및 의의 16
• 1.4. 논문의 구성 18
• 2. 복합형 회전익기 모델링 및 해석 환경 19
• 2.1. FLIGHTLAB을 이용한 해석 환경 개발 19
• 2.1.1. FLIGHTLAB 개요 19
• 2.1.2. 좌표계 정의 21
• 2.1.3. 복합형 회전익기 해석을 위한 FLIGHTLAB 개선 22
• 2.2. 복합형 회전익 항공기 해석 환경 검증 26
• 2.2.1. 주로터 모델 28
• 2.2.2. 양력 복합을 위한 날개 모델 29
• 2.2.3. 추력 복합을 위한 프로펠러 모델 30
• 2.2.4. 해석 환경 검증을 위한 트림 해석 31
• 3. 고속 비행 시 로터 해석 37
• 3.1. 헬리콥터의 고속 비행 시 한계 37
• 3.2. 고속 비행을 위한 로터 모델 40
• 3.2.1. 로터 회전 속도 40
• 3.2.2. 로터 형태에 따른 고속 비행 특성 41
• 3.3. 고속 비행 로터 해석 47
• 4. 비대칭 날개를 가진 복합형 회전익 항공기 (AWSR : Asymmetric Wing & Single Rotor) 50
• 4.1. 비대칭 날개를 이용한 Lift-offset 개념 51
• 4.2. 해석 환경을 이용한 AWSR 복합형 회전익 항공기 해석 53
• 4.2.1. 동축 반전 로터 복합형 회전익 항공기 53
• 4.2.2. AWSR 복합형 회전익 항공기 64
• 4.2.3. AWSR 복합형 회전익 항공기 진동 감소를 위한 매개변수적 해석 76
• 5. 결론 79
• 부록 A. AWSR 복합형 회전익 항공기 형상 파라미터 81
• 부록 B. AWSR 복합형 회전익 항공기 로터 날개깃 특성 86
• 부록 C. AWSR 복합형 회전익 항공기 비대칭 날개 공력 데이터 94
• 부록 D. AWSR 복합형 회전익 항공기 동체 공력 데이터 98
• 부록 E. NACA0012 공력 데이터 102
• 부록 F. Actuator Disk Model[43] 104
• 참고문헌 108

참고문헌 (Reference)

1. “LQR 을 통한 사이클릭 피치 제어가 가능한 쿼드로 터 항공기의 비선형 시뮬레이션”, 조성범, 인하대학교 대학원, 석사학위 논문, 인하대학교, 인천, 대한민국, pp. 10-12, , 2011