Win Tech - 고속의 드론용 고성능-고효율 추력시스템 설계
Win Tech는 공공연구기관의 연구성과 확산을 위해 국가과학기술연구회(NST)와 공동으로 우수 공공기술을 선별하여 게재하고 있습니다.
▲ 김덕관 책임연구원
한국항공우주연구원 항공기체계부
기술 개요
미래형 드론은 체공 시간, 유상하중 증대, 빠른 전진 비행 속도를 갖추어야 한다.
이를 위해서는 수직이착륙 무인기의 추력시스템인 로터시스템에 대한 선행 연구가 필요하다.
특히 다양한 임무수행과 비행체 고도화를 위해서는 고성능-고효율 로터시스템 설계 기술이 필요하다.
최근 공공임무 수행이 가능한 드론에 대한 관심이 고조되고 있는 상황이다.
고성능-고효율 추력시스템 설계기술을 적용하는 무인기체는 크게 2가지가 있다.
첫 번째는 수직 이착륙(VTOL, Vertical Take-Off Landing) 무인기로 4개의 틸트 프로펠러를 사용하는 쿼드 틸트 프롭(QTP, Quad Tilt Prop) 드론 기체의 추력 시스템 형상을 띄고 있다.
두 번째는 동축 반전 무인 헬리콥터(Coaxial helicopter)로, 각 비행체의 추력(Thrust)을 생성하는 핵심인 로터 시스템을 최근 고속 비행의 후보로 미국 등에서 연구하고 있는 위-아래 상하반전 로터인 동축로터 시스템을 적용하였다.
QTP 수직 이착륙 무인기
개요
QTP 무인기(드론)는 4개의 틸트가 가능한 프롭을 가진 무인기이다.
제자리 비행 시에는 멀티콥터와 유사하게 4개의 프롭이 모두 위로 향하게 한 다음 수직 추력을 발생시켜 수직 이륙하며, 전진 비행 시에는 속도에 따라 비행 방향으로 틸트 각을 주고 고속 비행 시에는 90도로 완전히 틸트되어 고정익 항공기처럼 비행하게 된다.
본 기술은 이러한 다양한 비행 조건인 제자리 정지 비행과 고속 전진 비행에서 무인기의 비행특성 및 공기역학적 성능이 달라지므로 두 비행 조건을 모두 만족하기 위한 프로펠러 형상 설계 기술이 매우 중요하다(그림 1).
블레이드 최적 형상 설계
블레이드 제자리 비행 성능 조건에서는 적은 동력으로 최대 추력을 발생시키는 목적함수를, 전진 비행에서는 적은 동력으로 최대 비행속도를 내는 목적함수를 다중으로 적용하여 설계와 해석을 동시에 수행하는 최적화 설계를 수행하였다.
이는 최신 컴퓨터의 발전과 속도, 다중 최적화 설계가 가능하도록 지원해주는 소프트웨어의 발달로 가능해졌다.
블레이드 형상 설계에는 비틀림 각, 시위 길이, 익형 등 여러 개(10개 이상)의 설계 파라미터가 존재하는데, 이들의 영향성을 모두 고려하여 최적 설계를 수행한다.
프롭 성능해석
이처럼 최적화 설계과정을 통해 설계된 최적 블레이드 형상에 대하여 정확한 성능과 효율을 예측하기 위해 상세 해석을 수행하게 되며, 상세 해석을 위해 설계된 형상 모델링 및 시뮬레이션을 수행하게 된다.
한국항공우주연구원에서는 상용 해석코드와 자체 해석코드(소음해석), 전산유체해석(CFD) 등을 모두 복합적으로 사용하여 정확한 성능해석을 수행하고 있다.
성능해석은 다양한 조건에서 수행되며, 주로 비행 조건별로 필요한 추력을 내는데 필요한 동력과의 상관관계를 통해 계산하게 된다.
프롭의 피치각에 따라 추력이 늘어나며, 피치각에 따른 동력(또는 토크)값을 계산하게 된다.
또한 전산유체해석을 통해 계산된 정밀 공력 성능자료를 이용하여 소음해석을 수행하는데, 압력분포를 기반으로 하여 소음을 예측하게 된다(그림 2).
프롭 제작 및 시험
위 해석 과정을 통해 성능이 최종 검증된 최적 블레이드 형상에 대하여 내부 구조설계 및 해석을 수행하여 구조 안전성과 비행 안전성을 확보하게 된다.
또한 지상시험을 통해 블레이드 성능을 검증하게 되며, 최종 비행 시제에 장착하여 비행시험을 통해 성능을 검증하게 된다.
이 과정은 비행안전성(Flight Safety)과 밀접하게 연관되어 있으므로 해석 결과와 시험 결과를 비교하면서 비행운용 영역을 정하게 된다(그림 3).
동축 반전 무인 헬리콥터
개요
동축 반전 무인 헬리콥터는 2개의 상하 로터가 동일한 축에 위치하면서 서로 반대로 회전하는 방식의 추진시스템을 갖는다.
위-아래 상하 반전 로터인 동축(Coaxial) 로터는 회전하면서 생기는 토크(Torque)가 상하 서로 반대가 되어 자동 상쇄되는 효과가 있어서 꼬리 로터가 필요 없는 장점이 있다.
또한 로터시스템을 강체로 설계하면 전진 비행 시 양력을 낼 수 있어서 미래형 고속 신개념 드론 개발 시 적용될 수 있는 대표적인 추력시스템이다.
제자리 비행 시에는 일반 헬리콥터와 동일하게 2개의 상하 로터가 회전하면서 추력을 발생하게 된다.
전진 비행 시에는 속도에 따라 비행 방향으로 사이클릭 피치각을 주면서 로터를 앞쪽으로 틸트 시켜주게 된다.
추가속도 증가를 위해 동체 후미에 프로펠러를 장착하여 고속 비행에 보조 추력을 내게 된다.
이 기술은 다양한 비행 조건인 제자리 정지 비행과 고속 전진 비행에서 무인기의 비행특성 및 공기 역학적 성능이 달라지므로 두 비행 조건을 모두 만족하기 위한 로터 형상 설계 및 복잡한 유동에 의한 정밀공력 해석 기술이 매우 중요하다(그림 4).
고강성 저항력 로터 허브·조종 시스템 설계
고속비행과 효율적인 성능을 위한 동축 반전 로터설계를 위해서는 로터의 위-아래 간격, 위상차 등 공기역학 및 동특성 형상변수에 대한 해석과 고난이도의 기구학적 메커니즘을 가지고 있는 동축 반전 로터의 허브·조종 시스템의 설계에 대한 연구를 수행해야 한다.
상하 로터 간격에 따라 진동특성이 달라지면 상하 로터 장착 위상(Phase) 배치에 따라서도 비행 조건별 특성이 달라진다.
허브의 공기역학적 항력을 최소화하기 위해 조종시스템을 축 안쪽에 배치하여 허브사이즈를 크게 줄였다.
또한 로터 허브 진동특성을 파악하여 상하 로터 간격 및 위상 배열에 따른 영향성도 검토하여 최적 형상을 정의하는 기술을 확보했다(그림 5).
동축 반전 로터 유동장 해석
동축 반전 로터에 대한 제자리 비행 및 전진 비행 시로터 후류에 의한 성능에 미치는 영향을 연구하였다.
제자리 비행 해석과 전진 비행 해석을 전산유체 해석(CFD)을 통해 정밀하게 수행하였으며, 그 결과를 비교하였다.
또한 기존 선진국에서 연구한 결과와 비교하여 해석의 정확성을 검증하였으며 기존 상용해석 결과와도 비교하였다.
로터추력에 따른 와류(Vorticity)의 크기도 계산하여 정량화 및 영향성을 검토하였다.
국내에서는 동축 로터에 대한 정교해석 경험은 전무한 상황이어서 이번 기회를 통해 확보하게 되었다(그림 6).
본 고속의 드론용 고성능-고효율 추력 시스템 기술은 미래형 자가용 비행기 및 무인 이동체 개발 시 필수적으로 적용될 예정이다.
특히, 자가용 비행기, 드론 택시 서비스 등에서 요구되는 고효율 추력 시스템은 쿼드 틸트 프롭, 동축 반전 로터 등이 우선적으로 적용될 것으로 예상된다.
따라서, 본 연구에서 개발된 신개념 비행체 추력 시스템 기술은 미래 운송 및 이동수단(개인 자가용 비행기, 드론 택시 등) 발달과 시장선도에 더욱 기여할 것으로 전망된다.
