헬리콥터로터진동소음저감신기술 김승호 황창전 김덕관 헬리콥터 ( 헬기 ) 는보편적인고정익항공기와는달리수직이착륙및제자리비행할수있는특징적인비행성능을보유하고있다는점에서 1941년미국의시콜스키가실용화에성공한이래로군용및민수용수송수단으로널리사용되어왔다. 헬기산업은대표적인고부가가치산업일뿐만아니라, 기술집약적이며산업파급효과가큰산업이기도하다. 국가의경제규모가증가하고국민소득이증가할수록헬리콥터수요시장은비례적으로성장하는경향을보이며, 특히대표적인민군겸용기술의적용이가능한분야이다. 국내헬리콥터관련산업은 1970년대후반, 500MD 헬기의기술도입생산을시작으로지속적으로성장해왔다. 국토의 70% 가산악지형인우리나라는보유헬기대수가 700대에달하는세계 10위권내의헬기운용국가이나국내자체브랜드의헬기모델을소유하고있지못하고있다. 최근정부에서범부처적인국책사업으로검증된항공기술을사용하는한국형헬기개발사업 (KHP: Korean Helicopter Program) 을추진하고있다. 한국형헬기개발사업은한국군이운영중인 500MD와 UH-1 등과같은노후화된군용기동헬기를교체하기위해국내기술로한국형기동헬기를연구개발하는범부처적인국책사업으로서한국항공우주산업 (KAI), 국방과학연구소와한국항공우주연구원 ( 항우연 ) 이개발주관기관으로참여한다. KHP사업을통하여개발하게될기동헬기는총임무중량 16,000 파운드급으로서 2006년중순경에 시작하여 2012년에개발을완료하여 2020년까지순차적으로실전배치될예정이다 ( 그림 1 참조 ). 항우연은헬기분야에서쌓은기술노하우와연구진의경험, 제작을담당할국내협력업체의참여를바탕으로로터블레이드, 로터허브조종시스템등모두 18개의민군겸용핵심구성품의개발을담당한다 ( 그림 2 참조 ). KHP 사업을통하여확보하게될한국형헬기는그차체만으로도군전력증강에많은도움이되겠지만회전익항공관련국내산업기반의확대강화에도심대한영향을끼칠것으로기대하고있다. 수백대에이르는한국형헬기의양산과개발이후 30년간의헬기운영기간을통해지속적으로항공산업의수요를제공해줄뿐만아니라, 면허생산, 기술이전, 절충교역, 공동개발등산발적으로축적된헬기관련개발기술을설계 / 해석에서부터, 제작, 시험평가, 종합군수지원에이르기까지헬기개발관련대부분의기술을체계적으로확보할수있는기회라할수있다. 또한지금까지국내의항공산업이개발위주의사업이아닌, 기술도입및하청위주의생산으로낮은부가가치율에머물수밖에없는산업구조였으나 KHP 사업의성공을발판으로삼아높은부가가치를향유할수있는개발위주의사업으로국내항공산업의인프라가재편될수있음을의미하기도한다. 특히헬리콥터의주요핵심구성품은민군겸용기술이폭넓게적용되므로국내산업 저자약력김승호박사는 KAIST Ph.D ( 항공공학 ) 로서한국항공우주산업을거쳐현재한국항공우주연구원로터그룹장을맡고있다. (kseungho@kari.re.kr) 황창전박사는 KAIST Ph.D ( 항공공학 ) 로서현재한국항공우주연구원회전익기개발실선임연구원으로재직중이다. (chwang@kari.re.kr) 김덕관연구원은서울대석사 ( 항공공학 ) 로서현재한국항공우주연구원로터그룹선임연구원으로재직중이다. (shine@kari.re.kr) 그림 1. 한국형기동헬기예상도 ( 출처 : 한국항공우주산업 ). 26
그림 2. 민군겸용핵심구성품도해. 분야에미치는파급효과가매우클것으로예상된다. 비단항공분야뿐만아니라첨단기계, 전자, IT관련기술력등이접목되어훌륭한시너지효과를이끌어낼것으로기대하고있다. KHP 사업을통해개발될한국형헬기는이미검증되어사용되고있는항공기술을바탕으로설계, 제작될예정이며항우연, 학계등에서개발중인로터관련첨단기술과접목되어우수한성능의국산헬기개발에사용될예정이다. 다음에소개되는신기술분야는선진국에서도헬기관련연구개발에서주력하는헬기로터소음저감을위한신기술과진동저감신기술에대한내용위주로다루었다. 특히이중에로터소음은일반적인두께, 하중소음이외에 HSI (High Speed Impulsive) 와 BVI(Blade Vortex Interaction) 소음과같은충격소음을특징으로한다. 아울러그림 3 하단의전형적인헬기소음스펙트럼을보면, 환경소음에서중요한원방으로전파하는저주파소음성분은주로주로터및꼬리로터소음이며, 엔진, 동력전달계통소음은상대적으로고주파여서환경소음보다는기내소음의주요원인이된다. 한편소음원의방향성에따른분석에의하면, 이륙, 수평비행시에는꼬리로터소음이나엔진소음등이주요하며, 착륙접근비행시는 BVI 소음이주요소음현상이된다. 그러므로헬리콥터나회전익기의경우로터소음을저 헬기로터소음저감신기술 헬리콥터의소음문제는크게기내소음과환경소음으로분류하여생각할수있으며, 기내소음은승객의안락감, 제품경쟁력등의면에서, 환경소음은법규정에따른소음인증및운항제한, 제품경쟁력그리고군용기의경우, 은닉성 (Stealth) 등에서이슈가되어왔다. 특히민간항공기의형식증명을위해서는국제민간항공기구나미연방항공국의소음규제기준을반드시만족해야하며, 최대인증이륙중량 7,000 파운드급이상헬리콥터의경우이륙, 수평비행, 착륙접근비행시에소음수준이기준치이하임을증명해야한다. 헬리콥터의주요소음원으로는그림 3에도시된바와같이주로터및꼬리로터, 엔진과동력전달계통을꼽을수있다. 그림 3. 헬리콥터소음원및스펙트럼. 27
그림 4. BVI 소음저감을위한다양한로터블레이드끝단형상. 감시키는것이전체소음저감에지배적인역할을하게된다. 로터저소음화기법에는수동적인방법과능동적인방법으로구분할수있다. 먼저수동적인방법으로는로터깃단속도저감, 블레이드개수증가, 로터면적저감, 총중량감소등을먼저고려할수있다. 보편적으로적용하는기본개념은 BVI 소음저감을위해서깃단와류 (Vortex) 의세기를감소시키거나, 와핵 (Vortex Core) 크기를늘리거나후행블레이드와의이격거리를증가시키기위하여깃단형상을변경하는방법이다. 그림 4는다양한깃단형상변경개념들을보여주고있다. 그외에수동적인방법으로블레이드간간격을비등간격으로하여소음의스펙트럼특성을변경시켜주관적인소음수준을낮추는방법이있다. 다음으로능동적인방법으로는전체블레이드의피치각을특정주파수와위상각으로교란하여이격거리를증가시켜소음을낮추는고차조화제어 (Higher Harmonic Control, HHC) 방법과개별블레이드별로서로다른피치각조종을가능케하는개별깃제어 (Individual Blade Control, IBC) 방법이있다. IBC 방법에는구동방법및피구동장치에따라 피치링크구동법, TEF(Trailing Edge Flap), LED(Leading Edge Droop), Active Flap, Active Tap, Active Twist 등의방법이연구개발중에있다. 이외에기타방법으로는스팬방향이나시위방향으로깃단유동을배출하는방법이나, 착륙접근비행시비행경로를소음피해면적이최소화되는경로를설정하는비행경로법등이있다. 2001년부터 4년간항우연주관으로차세대헬리콥터로터시스템개발을수행한바있다. 차세대로터시스템은현재운용중인 11,000 파운드급헬리콥터의기존로터를개량할수있는고성능, 저소음, 저진동, 고안정특성을가진로터이다. 차세대로터시스템에서소음저감방법으로는깃단형상수정방법을적용하였다. 그림 5는차세대로터블레이드의개념도를보여주는데하나의강한깃단와류를 2개의약한와류로분리하여 BVI소음을저감시키는것이이개념의핵심이다. 항우연에서는 2001년부터고안전저소음헬리콥터꼬리로터기술개발을위해테일팬 (Tail Fan) 반토오크로터기술개발을수행하고있다. 현재운용중인 11,000 파운드급헬리콥터의전통적인꼬리로터를대체하기위한고안전성의덕트형꼬리로터, 일명테일팬시제를개발하며기술을확보하는것이다. 동연구에서적용된저소음화접근방법은비균등간격으로꼬리로터팬블레이드를배치함으로써각 그림 5. 차세대로터블레이드깃단형상개념. 그림 6. 테일팬블레이드비균등간격형상. 28
블레이드에서발생된소음이위상차이를갖도록배치함으로써음원의위상차이로인한상호상쇄되도록최적의블레이드간격을도출하여전체소음을저감시키는방법이다 ( 그림 6). 그밖에, 항우연에서는헬리콥터로터소음관련기술, 즉저소음화기법기술뿐만아니라해석기술및시험기술등다양한분야에서기술개발활동을활발히진행하고있다. 향후능동형소음저감기법과시험평가분야기술개발에더욱노력을기울일계획이고. 아울러실용화를위한기술시현비행시험등의분야로연구대상을확대해나갈계획이다. 로터진동저감신기술및항우연의연구동향헬리콥터는고정익항공기와는달리비행에필요한추력, 양력, 조종력등이회전하는로터시스템에서모두발생되기때문에필연적으로진동과소음이많이발생되는메카니즘을가지고있다. 이러한진동과소음은헬기기체뿐만아니라헬기에탑승하는승객, 조종사및승무원등에게이롭지않게작용한다. 특히, 헬기구조물의수명단축, 조종사의피로도증가에따른안전성감소, 승객의안락성감소등의문제점때문에끊임없이진동을감소시키거나제어하고자하는노력들이진행되었다. 그림 7에다양한헬기의진동원인을나타내었다. 헬기의진동을유발하는구성품중특히로터시스템은헬기진동에가장크게영향을미치는구성품으로서설계단계에서부터진동저감을위한가능한요소를최대반영하여설계되어야한다. 로터에서발생되어동체에전달되는 N Ω ( 블레이드개수 로터회전속도 ) 주파수의진동하중이가장큰영향을 미치는것으로주요저감대상이다. 따라서로터시스템에서발생하는진동하중을줄이기위한노력의일환으로로터진동제어를위한다양한개념및하드웨어장치들이개발되어왔다. 로터진동제어방법에는크게수동적진동제어방법과능동적진동제어방법두가지로분류할수있다. 수동식진동제어방법은고정된방식으로특정주파수의진동만줄여주는것인데대표적인예로로터설계시질량및강성분포를최적화하여설계하는방법, 무게밸런스를부착하는법, 탄성체재료로만들어진감쇠기를부착하는법등이있다. 이러한수동적진동제어방법은구조적으로간단하고추가적인동력원을불필요로한이점이있으나로터에서발생하는특정주파수에해당하는진동만을저감시키기때문에다양한진동원이상존하는비행체에적용하기에는제한적인효과를보인다. 한편, 능동적진동제어방법은추가적인구동동력원이요구되지만, 수동적진동제어방법과는달리다양한주파수의진동을줄여줄수있도록변경이용이한장점이있다. 대표적인예로블레이드끝단에플랩장착후작동기와연결하여진동을제어하는 Trailing Edge Flap ( 이하 TEF) 방법, 블레이드자체의뼈대 (Spar) 나외피 (Skin) 구조에스마트재료를심어비틀림이발생하도록하는 Active Twist Rotor ( 이하 ATR) 방법, 로터시스템의피치링크를작동기로교체하여진동을제어하는방법등이있다. TEF를구동하기위한작동기로는현재대부분압전재료 (Piezoelectric Material) 를사용하는데, 압전재료작동기는다른스마트재료를적용한작동기에비해응답이빠른특성이있다. 이러한특성은헬기로터시스템과같이고속으로회전하면서발생하는진동소스를실시간으로제어할수있는장점이있다. 또한단위변위당요구되는파워크기도 그림 7. 헬기진동원인들 ( 자료 : Super Lynx 절충교역기술이전세미나자료, 1999). 그림 8. 능동진동제어방법중하나인 TEF 적용예. 29
<Pitch control : All-movable blade> 그림 11. 압전재료 Embedded Blade 개념. <Twist control : spar with imbedded materials> 그림 9. Active Twist 로터작동개념. 그림 10. Active Twist Blade 적용예. 상대적으로작기때문에헬기와같은비행체에서는적용하기에매우유리하다. 더구나로터블레이드의형상, 요구조건등에따라다양한형상및조합으로적용할수있는장참고문헌 [1]Yu, Y. H., Rotor Blade-Vortex Interaction Noise, Progress in Aerospace Sciences (2000), pp.97-115. [2] Pike, A, Helicopter External Noise Prediction, WHL Internal Report (1981). [3] Oliver Dieterich, Bernhard Enenkl, Dieter Roth, Trailing Edge Flaps for Active Rotor Control Aeroelastic Characteristics of the ADASYS Rotor System, 62nd AHS Forum (2006), pp.1-20. [4] http://www.pkn.co.za/pap-sydmj.html [5] Inderjit Chopra, Status of Application of Smart Structure Technology to Rotorcraft Systems, KAIST Workshop, October 6, 2003. 점이있다. 또한얇은시트형태로존재하기때문에테일러링 (tailoring) 을통해다양한형상을구현하기에용이하다. 이러한특성은손쉽게블레이드뼈대등내부구조에심을수있거나, 회전면에작동기로부착하여쓸수있는장점이있다. 최근에압전재료작동기를이용한 TEF를실제헬기의로터시스템에적용하여비행시험에성공하였다. 2005년유로콥터독일 (Eurocopter Deutschland, ECD) 사에서는 BK117 헬기에 TEF가장착된로터를달고제자리비행및전진비행등다양한비행조건에대한비행시험을수행하였다. TEF이외의로터시스템진동제어방법으로많이연구되었던기술이로터블레이드의뼈대나외피에스마트재료를심어넣어 (Embedded) 블레이드전체의비틀림각을조정하는방법이다. 미국의메사츄세츠공과대학 (MIT) 등에서활발하게연구하였으며, 가해주는힘에비해출력되는비틀림각이작아서실제헬기에적용되지못하고있다. 실제헬기로터시스템에적용되기위해서는보다많은힘과비틀림각이필요하게되며이를위해서는스마트재료의개발이더불어진행되어야할것이다. [3,4] 미국의메릴랜드대학교에서는압전재료작동기이외에블레이드외피구조에압전재료재료를심어넣어블레이드전체의비틀림각을구현하였다. 그림 11에블레이드에압전재료재료가심겨진모습이제시되었다. 시험결과블레이드끝단에서비틀림각이약 0.2도 ~0.5도까지나왔다. 이러한비틀림각의크기는실제적용하기에는너무작은값이라추후성능개량이필요한부분이다. [5] 항우연에서도이와같은세계적인연구동향에발맞추어로터진동저감을위한능동제어기법연구를수행중에있으며특히, 지능형구조물인앞전재료를이용한로터블레이드 TEF나로터끝단제트분사 / 흡입과같은유동제어의응용분야에대한연구가활발하게진행중에있다. 30