국부적으로 기울어진 지면을 고려한 비정상 제자리비행 로터 실험장치 개발

Abstract

본 연구에서는 소음측정 및 국부적으로 기울어진 지면효과에 대해 실험을 할 수 있도록 로터 실험 장치를 설치하였다. 블레이드는 NACA 0015의 익형으로 twist와 taper가 없는 직사각 날개 형상을 가지고 있으며, 로터 실험 장치는 실험 장치의 공진주파수 이후의 작동 영역에서는 안정적으로 로터가 작동 하도록 설계하였다. 그리고 반복적인 실험을 통하여 제자리 비행하는 로터의 추력계수를 구하였고 각각의 실험 결과간에 1.7%의 최대오차가 발생하는 것을 확인하였다. CCD 카메라를 이용하여 공력에 의해 발생하는 블레이드의 변위를 측정하였고 블레이드의 변위는 추력에 비례하는 것을 확인 하였다. 제자리 비행 시 발생하는 로터의 소음 실험은 정성적으로 그 특성을 관찰해 보았다. 네 개의 마이크로폰을 이용하여 0도에서 90도까지 방향성을 측정하였으며 피치각에 따라서 소음데이터를 측정하였다. 저주파수에서 발생하는 소음은 두께/항력 소음, 하중소음 그리고 로터의 비정상성에 의해 생기는 소음이 소음원으로 작용하는데 피치각에 따라서 이들 소음원의 방향성을 확인하였다. 최종적으로 국부적으로 기울어지는 $9m^2$ 크기의 평판을 제작하여 로터 후류에 임의로 비정상적 유동흐름을 만들고 그 특성을 관찰해 보았다. 국부적으로 기울어지는 지면효과에 대한 추력변화를 살펴보면 지면이 로터 면에 가까울수록 추력이 커지는 것을 관찰할 수 있었다. 추력 이외에 후류의 비정상성은 로터 면의 수직에서 소음을 측정하여 간접적인 방법으로 그 크기를 관찰해 보았다. 로터 면과 지면 사이의 거리가 0.35m일 때 평판의 기울기를 변화 시키면서 실험한 결과 평판의 기울기가 -20도일 때 후류의 비정상성이 가장 큰 것으로 측정되었고 이런 후류의 비정상성의 크기는 추력과 관계 없이 로터 아래의 물체에 의한 로터 후류의 거동이 변함에 따라 그 크기가 바뀌는 것을 알 수 있었다. 로터 후류와 지면 또는 임의의 물체와 상호작용으로 생기는 비정상성을 실험을 통해 직접적으로 그 크기를 측정하는 것이 어렵지만, 본 연구에서 사용한 소음측정을 통해 간적접으로 비정상성의 크기를 측정하는 방법을 이용하면 틸트 로터 비행체 또는 Ring wing 방식의 비행체등과 같은 복잡한 후류의 비정상성을 측정하는데 적용될 수 있을 것으로 기대된다.