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지한 이
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1 서울대항공우주공학개론 ( ) 회전익기개괄 - Rotorcraft Overview 황창전 회전익기사업단 ( 現방위청 KHP 사업단 )

2 목차 회전익기개요 회전익기분류 회전익기 vs. 고정익기 국외연구개발현황 로터 무인헬기 공력 / 소음해석 국내 ( 항우 ( 연 )) 연구개발현황 저소음로터설계 비전도출을위한배경 세계동향 V/STOL Aircraft Summary 비전 2/43

3 Pt.1 회전익기개요 Pt.1 회전익기개요 Pt.2 국외연구개발현황 Pt.3 국내연구개발현황 Pt.4 비전도출을위한배경비전

4 회전익기 (Rotorcraft, Helicopter)? 4/43 (Source) National Geographic Explorer Super Chopper

5 회전익기분류 : 회전익기 (Rotorcraft), 회전익항공기 (Rotary Wing Aircraft) (Def. of ADS51 HDBK) Level 1 Level 2 Level 3 Manned Rotorcraft Unmanned Rotorcraft Helicopter Other Rotorcraft Helicopter Other Rotorcraft Single Coaxial Tandem Synchropter Compound Tilt Rotor Gyrocopter Single Coaxial Tilt Rotor Ducted Rotor CRW Cyclocopter 5/43

6 회전익기 vs. 고정익기 추진력성분 양력성분 추력 제어 양력 제어 추진력 회전익기 (Rotary Wing A/C) 고정익기 (Fixed Wing A/C) 양력, 추력및제어를로우터시스템이동시에담당 고정익기의경우양력은날개가, 추력은엔진이, 제어는제어면이독립적으로담당 고정익기와구별되는복잡한동력전달체계및반토오크시스템필요 주 / 꼬리로터회전력을전달하기위한다양한기어박스및구동축 주로터에서발생하는토오크를상쇄하기위한반토오크시스템 수직이착륙, 공중정지 / 후진비행및좁은공역에서의비행가능 산악지대가전국토의 75% 를차지하는한국의지형적여건에적합. 수송, 응급, 경찰, 소방, 군용등다양한용도로사용가능. 6/43

7 회전익기 vs. 고정익기 하중배수 [ 헬리콥터 ] 비행속도 하중배수 [ 고정익기 ] 비행속도 < 제자리비행성능비교 > <V-N 선도비교 > 성능및특성헬리콥터고정익기 수직이착륙 (Vertical Take-off/landing) 가능 일반적으로불가능 (Harrier와같은Jet lift기에서만가능 ) 제자리비행 (Hover) 가능 일반적으로불가능 후진및측방향비행 가능 일반적으로불가능 저속비행특성 (100kts 이하 ) 좋음 나쁨 고속비행특성 (250kts 이상 ) 복합형개념적용 가능 고고도순항성 나쁨 좋음 7/43

8 회전익기임무및주요설계요구 군용 전투 : 공격, 수색 / 정찰, 특수운용, ASW 등 전투지원 : 관측, SAR, 기동, 긴급의료, 수송, 훈련등 Key Design Requirements: range/payload, hover, integrated weapon system, stealth, day and night/ all weather operations, survivability equipment, crashworthiness, cost 민수 / 공공용 여객및화물수송, 긴급의료 / 구조, 파종, 방재, 감시, 진화등 Key Design Requirements: cost, safety, reliability, payload, environmental protection (noise/emission), cabin noise/vibration, utilization rates, all weather operation(ifr, anti/de-icing etc.) 민 군겸용성 vs. 차별성 8/43

9 회전익기플랫폼발전경향 기술성숙분야 vs. 기술발전분야 9/43 Ref.) Price, 26 th ERF, 2000

10 회전익기주요설계변수특성 < 유인기> < 무인기> 10/43 Ref.) 황창전外, KSAS, Vol.34, No.2, 2006

11 Pt.2 국외연구개발현황 Pt.1 회전익기개요 Pt.2 국외연구개발현황 Pt.3 국내연구개발현황 Pt.4 비전도출을위한배경비전

12 [ 예 ] 회전익기소음문제 기내소음 : 안락감, 제품경쟁력등 (SIL) 환경소음 : 소음인증및운항 ( 법규정 ), 제품경쟁력, 은닉성등 (SEL/EPNL) <Flight Path Profiles for Noise Certification> (FAR Part 36 Appendix H, 2004) 12/43 <Noise Limit & Levels of Current Helicopters> (Pike, A and Hwang, C., 2000)

13 [ 예 ] 회전익기소음원 (GWHL Seminar, 1999) (Edwards, B. et al. NASA CR , 2002) 주로터, 꼬리로터 <Helicopter Noise Source> BVI(Blade-Vortex Interaction), HSI(High Speed Impulsive), Broadband 등 엔진, 동력전달계통등 13/43

14 [ 예 ] 회전익기소음원특성 <Spectrum Characteristics of Helicopter Noise> (AGARD-R-781, 1990) <Directivity Pattern of Main Rotor Noise> (Edwards, B. et al. NASA CR , 2002) 스펙트럼특성 환경소음 ( 원방으로전파 : 저주파 ) : 주로터및꼬리로터소음이중요 엔진, 동력전달계통소음은기내소음의주요원인 방향성특성 Approach 시소음은 BVI 소음이가장주요한부분 F/O(Level Flight) 소음은꼬리로터소음이중요 14/43

15 [ 예 ] 로터저소음화접근방법 수동적방법 (PNC) Vt, B, A, W ( 성능및로터동역학등에큰영향 신규헬기설계시고려 ) : (ΔNoise Level) α 20log(W*Vt 3 *A 0.5 *B -0.5 ) (Pike, A. et al., 1981) Tip Shape Modification (Yu, Y., 2000) Tip Vortex Strength & Core Size, Mis-distance Uneven Spacing (Edwards, B. et al., 1996) 15/43

[ 예 ] 로터저소음화접근방법 능동적방법 (ANC) HHC(Higher Harmonic Control) IBC(Individual Blade Control) Active Actuator in Pitch Link Trailing Edge Flap / Active Flap Leading Edge Droop Active Tab Active Twist

16 [ 예 ] 로터저소음화접근방법 능동적방법 (ANC) HHC(Higher Harmonic Control) IBC(Individual Blade Control) Active Actuator in Pitch Link Trailing Edge Flap / Active Flap Leading Edge Droop Active Tab Active Twist etc. <Active TEF Whirl Tower Testing(Boeing)> 기타방법 Blowing(Passive or Active) Spanwise Blowing Chordwise Blowing X Force Control Flight Path Control(NAP) <Chordwise Blowing(Univ.Glasgow)> 16/43

국외기술개발 - 로터 Boeing AF/ATR Rotor Active Elevon Rotor

Improvement Piezoceramic (PZT) Stacks Improvement

Noise Reduction Electromechanical Proprietary W/T

17 국외기술개발 - 로터 Boeing AF/ATR Rotor Active Elevon Rotor (AER) Swashplateless Rotor Dia. = 34 ft. Dia. = 13 ft. Dia. = 23 ft. Vibration Reduction BVI Noise Reduction Performance Improvement Piezoceramic (PZT) Stacks Vibration Reduction BVI Noise Reduction Performance Improvement PZT Sheets Flight Control Vibration Reduction BVI Noise Reduction Electromechanical Proprietary W/T Flight Testing Tunnel Testing 17/43 Unmanned Flight

국외연구개발 - 무인헬기 A-160 Hummingbird Boeing사 ( 프런티어시스템사인수 ) 2006년양산여부결정 DARPA 미육군 300hp 디젤엔진 체공시간 24~48시간혹은항속거리 2000nm 최대속도 : 140kts 최대이륙중량 : 약4,000lb 로터 : 직경36ft, 650ft/s(50% )

18 국외연구개발 - 무인헬기 A-160 Hummingbird Boeing사 ( 프런티어시스템사인수 ) 2006년양산여부결정 DARPA 미육군 300hp 디젤엔진 체공시간 24~48시간혹은항속거리 2000nm 최대속도 : 140kts 최대이륙중량 : 약4,000lb 로터 : 직경36ft, 650ft/s(50% ) <Hummingbird> [RQ-8A] [MQ-8B] Fire Scout Northrop Grumman사 2004년까지 EMD시험 2008말 IOC 미해군및해병대 플랫폼 : Schweizer M330 개조 최대속도 : 150kts 최대이륙중량 : 약2,800lb 3,150lb 로터 : 직경27ft(3개 4개 ) 18/43 <Fire Scout>

19 국외연구개발 무인헬기 (UCAR) 순항속도 > 160kts, 상승한도 20,000ft, 전투반경 > 700km <Lockheed Martin Team> : Bell 등 <Autonomous Control Level> <Northrop Grumman Team> : Sikorsky, Kaman 등 CANCELLED 19/43 <Program Schedule> : 2009 년 TRL7, 2012 년 IOC

회전익기분야최근동향 AHS62( 06) Straight Talk from CEOs ( 中 Jeff Pino, Sikorsky ) X2

Full Spectrum Technology Scalable from Small to Big 06년말 Prototype AHS61(

Sonneborn, BHTI) Quo Vadis (US) Helicopter Industry?

V-22(>10,000 to date) MAV(Golden Plover), UAV, Compound Helicopter, JHL EU

20 회전익기분야최근동향 AHS62( 06) Straight Talk from CEOs ( 中 Jeff Pino, Sikorsky ) X2 Technology TM Helicopter Hover 특성유지, Fast Fwd Flt. Full Spectrum Technology Scalable from Small to Big 06년말 Prototype AHS61( 05) Nikolsky Lectureship(W. Sonneborn, BHTI) Quo Vadis (US) Helicopter Industry? 미국의위기감 : R&D 부재, Rapid Prototyping A380(FltHrs 2,100) vs. V-22(>10,000 to date) MAV(Golden Plover), UAV, Compound Helicopter, JHL EU : ACARE(Advisory Council for Aeronautics Research in EU) 6 th FP( 03~ 06) 840MEURO/ 7 th FP( 07~ 13) 2,500MEURO US Industry VH-71, ARH, LUH, PRV, H1, V-22, JHL, CH-47/UH60/AH64 Upgrade 20/43

21 국외연구개발 공력 / 소음 (1/2) 공력해석 Inflow Model : Linear, M&S, P&H(Dynamic) etc. PVW : Landgrebe, Kocurek & Tangler, Vortex Ring etc. CAMRAD J/A CAMRAD II(Johnson s Aeronautics) Johnson : Momentum to FVW(Vortex Element) 2GCHAS 3GCHAS(+RCAS) FLIGHTLAB(ART) He : Momentum, P&H, PVW and FVW(Vortex Element) CHARM(CDI) Quackenbush & Wachspress : FVW(CVC) CRFM(WHL) Beddoes : Indicial Method(1 st Generation) Time Marching Free Wake Method vs. Relaxation Free Wake Method Hybrid Method Perturbation/ Surface Transpiration/ FVA(LCM/SCM) CFD(Direct Wake Capturing) TURNS/ VCM/ DRP/ Compact Overset or Adaptive ONERA/DLR CHANCE 6 년 21/43

22 국외연구개발 공력 / 소음 (2/2) 소음해석 FW-H(Lighthill Curle FW-H) Lowson and Farassat Formulation(1A/2/3) Kirchhoff Method Kirchhoff Surface DEAF(WHL, Monopole+Dipole+FT correction) FW-H Based + Atmospheric Absorption + Ground Reflection ACROT(3 rd Generation Indicial Method) PARIS(ONERA) FW-H Based(FVW(MESIR)+Prediction of Blade Pressure(ARHIS)) AKUROT(DLR) FW-H Based(Beddoes 1 st Generation Method(S4)) WOPWOP(NASA+), RAPP Farassat Form. 1A of FW-H FPRBVI(Unsteady Full Potential) + PSU-WOPWOP(FW-H Surface) NAL/ATIC (Catch-Up) - 7 년 22/43

23 국외연구개발 소음모델링 Helicopter Noise Modeling 헬리콥터체계소음예측 + 다중헬리콥터 + 비행조건 용도 : 소음환경영향분석및벌금부과, 토지이용계획수립등 Noise Modeling Tool INM 7.0 Volpe National Tech. Center, INM 6.2(100여개 DB) + HNM 2.2(16개 DB) RNM Wyle Acoustics Group, 7개 DB(CH-53, CH-46, Bell 412 등 ) HELIACT( 소음등고선예측코드 )/ HAMSTER( 소음측정데이터후처리코드 ) QinetiQ(Farnborough), 대기효과보정, 크레인시험결과 DB 고차모델링 Tool ANOPP(A/C Noise Prediction Program) : 비행기 ROTONET(NASA LaRC) : 회전익기 COSMIC-LEW-13778(NASA TP 1913) 비행기소음원 : 기체, 엔진 ( 팬, 제트 ), 플랩등 대기효과, 비행조건, Shielding Correction Noise Metrics : EPNL(SPL, PNL, PNLT) 23/43

24 Pt.3 국내연구개발현황 - 항우 ( 연 ) 연구를중심으로 - Pt.1 회전익기개요 Pt.2 국외연구개발현황 Pt.3 국내연구개발현황 Pt.4 비전도출을위한배경비전

25 저소음주로터설계 (1/4) < 차세대로터시스템개발개념도 > < 시험평가기술입증 > 적용대상헬리콥터 축소형블레이드 < 고성능 / 저소음 / 저진동복합재료블레이드개발 > 무인기용블레이드 실물크기블레이드 축소형허브 < 축소로터지상및풍동시험 > < 고안정성 / 고강도복합재료로터허브시스템개발 > 실물크기허브 탄성체베어링 < 허브구조 / 피로시험 > < 고성능 / 고안정성차세대로터시스템개념도 > < 로터조종시스템 > 25/43 < 실물크기로터시험을통한기술입증 >

26 저소음주로터설계 (2/4) 설계요구조건 < 적용대상헬기소음수준 > Flight Direction 설계개념검증예비해석 Ref.) Hwang, et al., 27 th ERF 2001, KSAS-IJ v.4 n d V2 V1 < 차세대로우터깃단형상 ( 안 )> < 등 SPL 선도 : 기존로터 vs. 쌍와류깃단로터 > 26/43

27 저소음주로터설계 (3/4) 형상설계 (OML 정의 ) Ref.) 이관중, 황창전外, 항공우주기술, Vol. 2, No.1, /43

28 저소음주로터설계 (4/4) < 차세대블레이드공력해석및제작 > < 허브구조 / 피로시험장치 > < 차세대블레이드허브 / 조종설계및제작 > 28/43

29 저소음테일팬설계 (1/4) < 반토크시스템개발개념도 > < 성능시험장치 > < 헬기 (EC-155) 예 > < 덕트, 핀 > < 테일팬성능시험장치의예 > < 복합재팬블레이드 > < 팬로우터시스템 > < 허브및구동부품 > < 동력전달시스템 > < 테일팬성능시험장치개발 > 29/43

30 저소음테일팬설계 (2/4) Ref.) Hwang, KSAS-IJ v.6 n.1, /43

31 저소음테일팬설계 (3/4) 저소음설계개념 ( 비등간격블레이드 ) 및예비해석 (Lewy et al., JASA, 1992) <Noise Spectrum of Even Spacing Rotor> <Noise Spectrum of Uneven Spacing Rotor> θ 1 θ 1 θ 2 θ 2 θ 2 θ 2 θ 1 θ 1 θ Point8 Optimize point of R.C. Mellin Point 1 Point7 Point6 Even Spacing Point3 Point2 Patent Point (France) PNL(dB) (4) (5) (2) (6) (1) (3) 30 Point4 Point θ 1 < 비등간격블레이드설계파라미터 > < 비등간격형상을이용한토날저소음최적화 > < 최종저소음형상 > 31/43 Ref.) 정기훈, 황창전外, 항공우주기술, Vol. 3, No.1, 2004

32 저소음테일팬설계 (4/4) < 설계 / 해석 > < 제작 / 조립 > < 지상 / 풍동시험 > < 제자리비행조건 ( 지상 )> < 측면비행조건 ( 풍동 )> 32/43

로터공력 / 소음해석기술개발 Sectional Thrust Coefficient 1.6 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 Flight Test Yang et al.

) Present Result 40 Experiment[20] 30 Pressure(Pa) 20 10 0-10 -20-30 -40 0 50 100 150 Blade

10 0-10 Pressure(Pa) 20 10 0-10 -20-20 -30-40 0 50 100 150 Blade Azimuth (deg) -30-40 0 50 100

33 로터공력 / 소음해석기술개발 Sectional Thrust Coefficient Flight Test Yang et al. Ahmad et al. Time-marching Free-Wake r/r = Blade Azimuth (Deg.) Present Result 40 Experiment[20] 30 Pressure(Pa) Blade Azimuth (deg) 40 CFD result[22] Experiment[20] 30 AFDD[21] 40 Experiment[20] 30 Pressure(Pa) Pressure(Pa) Blade Azimuth (deg) Blade Azimuth (deg) Ref.) AHS 2004, 2005, 2006, KSAS 2005, 2006 등 Ref.) ERF 2005, 2006, KSNVE 2006 등 33/43

34 국내향후전망 국가적회전익기체계개발사업 군용헬기 : KHP 등 민수헬기 : Bell 429, 중형민수헬기등 회전익기관련연구개발사업 스마트무인기체계개발 ( 무인틸트로터 ) 설계 / 해석, 시험평가, 제작등 로터, 엔진, 비행조종 (FCS), 항공전자등 신기술개발 : 통합해석코드, HUMS, ACSR 등 회전익기분야에다양한기회 (Catch-Up, 과제, 취업...) 있음 34/43

35 KHP 사업 KUH 는군에서사용중인 UH-1H 와 UH-60P 의중간크기 구 분 UH-1H KUH UH-60P 최대이륙중량 9,500 lbs 약 00,000 lbs 22,000 lbs 동체길이 12.6 m 00.0 m 15.4 m 동체폭 2.4 m 0.0 m 2.3 m KUH는순항속도, 항속시간, 제자리비행능력등군요구수준을모두초과충족 기능 군요구도 설계결과 최대순항속도 140 kts 이상 000 kts 항속시간 2 시간이상 0.0 시간 제자리비행능력 5,000 ft 이상 0,000 ft 수직상승율 500 fpm 이상 0,000 fpm 측 / 배풍운용 35 kts 이상 좌 동 35/43

36 Pt.4 비전도출을위한배경 Pt.1 회전익기개요 Pt.2 국외연구개발현황 Pt.3 국내연구개발현황 Pt.4 비전도출을위한배경비전

37 세계동향中 3 가지 세계일류제품 ( 성능, 가격등 ) 만이생존?! 중국 , 미국 , 일본 , 대한민국 ( 02 03] Fast Follower에서 Innovative Leader로 Paradigm Shift가절실히요구 Ref.) 이나래, KITA, 인재 1명이 1만명을먹여살리는사회 경쟁력갖춘인재 1명이연1조순익기업에상당 CREATIVITY, 과학적 Leadership 교육 / 인재육성및집요한노력이요구 IT산업의발전 컨버전스 / 유비쿼터스 공간이동 vs. VR [MATRIX) 개인 (PAV), 가족 (SUAV), 여객및화물수송 타교통수단보다여러가지면에서경쟁력이있는효율적비행체개발 인류의당면과제 - 효과적수송 수송분야의세계일류제품 (VTOL, 제자리비행, >400km/h, 최고급승용차유지비 +α] 37/43

38 역발상 한고조유방이중국을통일하기전, 중국전국시대에전쟁으로금값이폭등하고곡식값이폭락했을때금과패물등을사들이는사람들과는정반대로곡식을사들이는이가있었다. 전쟁이점점장기화되면서식량부족현상이나타났다. 양곡값이폭등하고금값이하락하면서그는거대한부를축적할수있었다. 이에한고조유방이그를불러부의축적방법에대해물었다. 원칙에충실하게살고정세를판단해물건을사고팔아이윤을얻었기때문이라고답하자. 축구 / 야구 vs. 쇼트트랙 한고조가다시정세를판단하는것은어떤것인가라고되물었다. 이에 사람들은누구나비슷한생각을하는데저는사람들과달리생각합니다. 저는그것을역발상이라고합니다 라고말했다. 전략은남과다른것이다. 경쟁이격화되서남들도할만큼은다한다. 이제똑같은방식으로해서남을이길수없다. 남과다른역발상만이승리를위한전제조건이라할수있다. Ref.) 행복한경영이야기 우리는 어디로, 왜, 어떻게 갈것인가? 38/43 Catch-up vs. Innovation vs. Other Alternative(?)

39 [ 참고 ] 항공기개발주요역사 Da Vinci (1483) 32 Cierva ( 20) 26->41 Skunk Works Phantom Works XworX Hawk Works... Wright Brothers Flyer ( ) W 37/ O33 Focke Wulf Fw 61 ( 36) Sikorsky VS300 ( 38-41) 49 K.Johnson SR-71 ( ) 48 XV-3 ( ) V(S)TOL / 10 년 ~20 년 XV-15 ( 73-77) B. Rich F117-A ( 75-81) V-22 ( ) JSF ( 95-) RAH-66 ( X) 39/43

40 V/STOL Aircraft Summary Ref. MCDONNELL AIRCRAFT 사자료 (Kohlman, D.L. Introduction to V/STOL Airplanes, 1981 재인용 ) 40/43

[ 참고 ] 세계시장규모및전망 10 대성장동력 (2003 년 ) : 세계시장 1,000~4,000( 억 USD) 항공우주산업 Ref.) KAIA, 2005.11 세계주요 6 개국매출 (2003 년 ) 2,482( 억 USD) 대한민국매출 (2004 년 ) 12.

41 [ 참고 ] 세계시장규모및전망 10 대성장동력 (2003 년 ) : 세계시장 1,000~4,000( 억 USD) 항공우주산업 Ref.) KAIA, 세계주요 6 개국매출 (2003 년 ) 2,482( 억 USD) 대한민국매출 (2004 년 ) 12.36( 억 USD)( 항공 98%, 우주 2%) 중량당가격비교 (2004 년 ) ( 순금 : 16,533 천원 /kg) ( 단위 : 천원 /kg) 자동차 (1500cc급) LCD TV(48 ) RAM(256MDDR) 공격형헬기 (AH64) ,120 11,478 PAV 전망 낙관적 : 0.5(MUSD/ea)*200,000(ea/yr)=1,000( 억USD/yr) 41/43

42 [ 참고 ] 비전 / 목표설정고려사항 인생의목표를정하기전에 반드시다음 4 가지를점검해보아야한다. 첫째, 자신이정말잘하는것 ( 재능 ) Strength & Weakness(SW) 둘째, 정말하고싶은것 ( 열정 ) 셋째, 사회가원하는것 ( 수요 ) Opportunity & Threat(OT) 넷째, 옳다는확신이드는것 ( 양심 ) 을적어보는것이바로그것이다. - 프랭클린코비사, 션코비부사장 (Sean Covey) 행복한경영이야기 ( 재인용 42/43

43 비전도출 Tech. Driven 최초의항공기, 헬기 기반 / 소요충족 (Market Driven) -KHP/ 민수헬기 / 기존기술 Catch Up- SCI, Patent 기술성숙 / 연구개발 - 특정부품 / 특정기술일류화 - 음악로터 결실 준비 SCI, Patent 노력 BLUE OCEAN 기술혁신 / 소요충족 (Technology Innovation Tech/Market Driven) - 세계일류비행체 - SCI, Patent (e.g.) 거북선 수직이착륙 제자리 / 고속비행 OOO 회전익기연구분야는대한민국이세계를선도 / 수송혁명달성 43/43

hwp

hwp 헬리콥터로터진동소음저감신기술 김승호 황창전 김덕관 헬리콥터 ( 헬기 ) 는보편적인고정익항공기와는달리수직이착륙및제자리비행할수있는특징적인비행성능을보유하고있다는점에서 1941년미국의시콜스키가실용화에성공한이래로군용및민수용수송수단으로널리사용되어왔다. 헬기산업은대표적인고부가가치산업일뿐만아니라, 기술집약적이며산업파급효과가큰산업이기도하다. 국가의경제규모가증가하고국민소득이증가할수록헬리콥터수요시장은비례적으로성장하는경향을보이며,