항공우주산업기술동향 15 권 2 호 (2017) pp. 3~10 산업 정책동향 http://library.kari.re.kr 에서보실수있습니다. 틸트항공기개발의역사적교훈및 고성능수직이착륙무인기개발방향 김재무 *1)2) Lessons Learned from the Past Tilting Aircraft Development and Implication to Future VTOL UAV Development Kim, Jai Moo * ABSTRACT Helicopter, firstly flown only several years later than powered airplane early 1900 s, started its production in 1942. The value of the helicopter appreciated right after they were used for various missions in Korean war early 1950's. Although the helicopter has unique capability such as vertical takeoff and landing(vtol), it has limited performance in speed and range. A number of attempts have been made to quest for the speed since 1950's. Tilting aircraft utilized the same rotor or propeller for vertical takeoff and landing as well as high speed flight by tilting them during transition flight; this type of model can be called 'convertible rotorcraft'. The other method utilizes additive propellers or wings on the rotor-driven helicopter, called 'compound rotorcraft'. Korea has been building up the tilt rotor development technology since 2002. Recently programs for high speed UAV development for production are under way. Past tilting aircraft development and flight test experiences were surveyed and several lessons could be extracted. * 김재무, 한국항공우주연구원, 항공연구본부, 비행체계연구팀 jmkim@kari.re.kr
4 김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10 초록헬리콥터는고정익기보다약간늦게발명되어 2차세계대전중에군용으로양산되기시작하였고 1950년대초에는한국동란에투입되어본격적으로활용되기시작하였다. 헬리콥터는활주로가없는곳에서이륙과착륙이가능하고공중에서제자리비행을할수있어고정익기가할수없는임무를수행할수있으나전진속도가제한되어있어서속도성능을높이려는시도는 1950 년대부터활발히진행되었다. 이러한시도중에로터나프로펠러를수직방향에서수평방향으로기울이는변환형회전익기방법과헬리콥터에추진용프로펠러나날개를추가하여성능을향상시키는복합형회전익기가대표적인방법이었다. 로터를기울여서변환하는시도는헬리콥터제작사에서주로시도했고앞으로향해있던프로펠러를위로향하게변환하여수직이착륙을하려는시도는주로고정익기제작사에서시도되었다. 우리나라에서는틸트로터무인항공기독자개발에성공하여이를실용화하려는노력이진행중이며한편으로는해외에서도입한틸트프로펠러무인기기술로국내무인항공기시장을개척하려는시도가진행중이다. 수직이착륙항공기의성능을향상하기위한현재까지의주요경험과교훈을재조명하여우리나라의효율적인고속수직이착륙항공기개발방안을제시하려한다. Key Words : Tilt wing, Tilt rotor, Tilt prop, Tilt duct, VTOL 1. 틸트항공기의탄생및종류 헬리콥터는 2차세계대전중에양산용으로개발되었으나본격적으로군의임무수행에투입된것은 1950년대한국전인것으로알려져있다. 헬리콥터는로터에의하여양력을얻는동시에로터를약간앞으로기울여추진력을얻어전진비행을한다. 전진비행속도가높아지면회전하는로터블레이드중전진하는위치의블레이드끝단의속도가천음속에근접하고후퇴하는블레이드는실속상태에진입하게되어진동과소음을유발하게되고헬리콥터의최대속도성능이한계에도달한다. 수직이착륙항공기의활용을확대하기위해서는제한된전진속도성능을높이거나항속시간및비행거리를연장하여야하는데이를위하여현재까지세계적으로약 45종류의시도가있었던것으로알려져있다. 1) 대체로항공기의주추력장치와별도로보조추력장치를추가하여고정익항공기를수직으로이착륙하도록하는방법과, 로터를가진회전익항공기의속도를증가시키기위하여프로펠러등의별도의장치를 복합 (compound) 하도록하는방법이시도되었다. 또다른방법은이착륙에사용하였던로터나프로펠러를앞으로기울이며 (tilt) 고정익항공기의프로펠러기능을하도록하는변환형 (convertible) 항공기의방법이있다. 변환형의틸트항공기에는프로펠러와날개를동시에기울이는틸트윙항공기, 비행기의프로펠러를기울이는틸트프롭항공기, 프로펠러에덕트를씌워서기울이는틸트덕트항공기, 날개를기울이지않고로터만을기울이는틸트로터항공기가있다. < 로터와프로펠러의차이점 > 로터는주로헬리콥터의주로터와같이양력과추진력을동시에발생시키도록하는장치인데비행체의자세조종을위하여콜렉티브피치 (collective pitch) 조종과사이클릭피치 (cyclic pitch) 조종을하도록설계되어항공기의수직상승, 전후좌후자세조종을할수있도록한다. 프로펠러는주로비행기에서추력을만들도록사용하는데콜렉티브피치또는프로펠러회전수를조종하여한방향추진력의강약을조종하도록설계되어있다. 따라서로
김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10 5 터조종장치는프로펠러조종장치에비하여복잡하나추진력의방향을조종할수있도록설계되어있어수직이착륙을위한정밀한비행조종을가능하게한다. 틸트로터항공기에는로터가사용되며틸트윙, 틸트프롭, 틸트덕트항공기에는프로펠러가사용된다. 2. 틸트로터항공기 록설계된항공기이다. 초도비행이 1955년에이루진것을보면개발이용이하지않았던것으로보인다. 1호기의파손이후 2호기로천이비행에도전하였는데 1958년에로터를 90도앞으로기울이는완전한천이비행에성공했다. 항공기의속도를증가시킬때심한플러터 (flutter) 현상이발생하여 1호기에썼던 3개의로터블레이드방식을 2호기에는 2개의블레이드방식으로변경하여성공적인비행을수행하였다. 1962년까지 270회의비행시험에 125시간의비행시간을기록하였다. 1962년에 XV-3는 NASA에인도된뒤대형풍동에탑재하여시험을하게된다. 로터동역학연구해석모델을개선시키는데사용되었고후속틸트로터항공기개발에필요한중요한해석자료를완성할수있었다. 그림 1. 틸트로터, Transcendental 1-G 최초의틸트로터항공기로알려진미국의트랜센델탈 (Transcendental) 1-G 항공기는 1954년개발에착수하였는데날개양끝에로터를달아로터샤프트를앞으로기울이며비행기모드로변환하도록설계되었다. 1955년에로터를 70도까지기울이는비행을하여틸트로터항공기의성공가능성을보여준바있다. 2) 그림 2. 틸트로터, Bell XV-3 미국의벨 (Bell) 사는 1951년공군과육군과 XV-3 틸트로터항공기를개발하는계약을체결했다. 2.2톤급의이륙중량으로 2개의직경 7.3m 로터를날개끝에달아고속비행시에는로터을앞으로기울여프로펠러의역할을하도 그림 3. 틸트로터, Bell XV-15 1973년벨사는 NASA와육군의지원으로틸트로터항공기의개념을개선하려는목적으로 XV-15 개발사업에착수한다. XV-3의개발경험을바탕으로설계된 XV-15은이륙중량 5.9톤급의항공기로최대속도 550km/h를내도록설계되었다. XV-3 개발시플러터문제로줄였던로터블레이드개수도 3개로회복하였으며많은지상시험과실물기체의풍동시험으로천이비행시문제되었던공탄성이슈를해결할수있었다. 제한된예산으로인하여많은기성품의구성품 (COTS) 을채택하였다. 틸트로터항공기의비행제어를위하여안정성조종성증강시스템 (SCAS) 은채택하였으나플라이바이와이어 (fly-by-wire) 는채택하지않은것으로알
6 김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10 려져있다. 1호기의제자리비행은 1977년에시작되었으나나중에 NASA의풍동에장착하여천이비행조건에서풍동시험을수행하는데사용하였다. 비행시험은 2호기로 1979년 4월에재개되었고 7월에는천이비행시험이성공적으로수행되었다. 1호기는 1992년까지주로벨사에서비행시험을하여 841시간의비행시험시간을누적하였고, 2호기로는 NASA에서주로시험을하였는데나중에는벨社에돌아와서추가적인시험을하여 1998년까지 530시간의비행시험이누적되었다. XV-15은틸트로터항공기의시연기 (demonstrator) 로서개발되었으나여러계층의조종사에게조종할기회를주어상원의원을포함하는 185명의조종사가이항공기를조종하였다한다. XV-15의개발및시연의성공은후속의실용화틸트로터개발의중요한자원이되었다. 3) XV-3 및 XV-15의풍부한경험을가진벨사는보잉사와공동으로 1983년에 V-22 오스프리 (Osprey) 라는실용화항공기를개발하는사업을시작한다. V-22는이륙중량 27톤급으로서해병대, 공군및해군이고유임무를수행하는데사용할수있도록설계되었다. 1989년에초도비행을시작하였으나양산이결정되는 2005 년까지 4번의추락사고를포함하는비행시험사고가있었다. 사고원인은모두파악되었고재발방지방안이마련되어미국의해병대, 공군및해군에 459대의 V-22를공급하는사업이현재도진행되고있다. 틸트로터는민수용항공기로도개발되어 2018 년에는 AW609 틸트로터가인증을받아민수항공기시장에출시될것으로예상되고있다. 3. 틸트윙항공기 보잉-버톨 VZ-2(Boeing-Vertol VZ-2) 는최초의틸트윙항공기로알려져있는데 1955년에기존의비행기를개조하는개발이시작되었다. 수직이착륙이가능하도록비행기날개와프로펠러를동시에기울여서비행기의외형을변환 그림 4. 틸트윙, Boeing-Vertol VZ-2 하여비행하도록설계되었다. 항공기의자세를조종하는데있어서헬리콥터모드비행시에는방향조종을위하여고정익비행에사용되는에일러론과미익부에있는요우팬 (yaw fan) 을사용하였으며, 피치조종에는미익부에있는피치용덕트를사용하였다. 또한롤조종을위하여날개양쪽에위치한프로펠러의추력차를조절하였다. VZ-2는 1958년에천이비행을성공시키며향후개발될틸트윙항공기의타당성을증명하게되었다. 이후틸트윙항공기는 Vertol-NASA Tilt-Wing(1959년 ), Hiller X-18(1959년 ), Kaman K-16(1962년 ) 등의규모가큰틸트윙시연항공기의개발로이어져갔다. 2) 그림 5. 틸트윙, LTV-Hiller-Ryan XC-142 1962년에는미군의요청으로 3개회사가연합하여 LTV-Hiller-Ryan XC-142라고명명된 17 톤급의대형틸트윙항공기개발에착수한다. 1965년에는천이비행에성공하였고 1967년사업이중단될때까지총 5대의시험기로 420시간의비행시험을했는데, 조종석의소음과진동이심하여 39명의시험조종사가번갈아가면서시험을하였다고한다. 캐나다에서는 1963년에 CANADAIR CL-84라는 5.7톤급틸트
김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10 7 윙항공기개발에착수했다. 1974년까지 4대의항공기로비행시험을수행하며틸트윙항공기의타당성을검증하였다. 2) 틸트윙항공기는여러중량급의시연기를개발하며주로군용으로실용화하려는시도를하였으나실용화에실패하였다. 1990년대초에일본의이시다그룹 (Ishida Group) 이미국의텍사스주에서 30인승급민수용틸트윙항공기를개발하려는시도를하였으나 1993년도에사업을중단했다. 틸트윙항공기는저속에서의조종성이다른항공기기종에비해양호하지않은것으로알려져있고, 이륙과착륙시에수직의날개가돌풍에노출되어있을때에는조종성이더욱악화되는것으로알려져있다. 틸트윙항공기는 5종의다른형상으로 12대의시연기를개발하여 1000시간이넘는비행시험을하며개선되어왔으나아직까지실용화에성공하지못한항공기로기록되고있다. 6)7) 정돈되어덕트출구로빠져나가도록설계되었다. 미익부에는엔진배기파이프뒤에십자가형의베인이설치되어제자리비행시에항공기의피치및요우조종을하도록설계되었다. 1958년까지천이비행을포함하여 50시간의비행시험을수행하였다. 저속비행에서는양력이주로덕트팬에서생성되는데이에따른항력이기대보다큰것으로알려져있다. 1961년에 Doak사는폐업하게되었고개발사업도종료되었다. 저속및수직이착륙비행조종에많은어려움을겪은것으로알려져있다. 4) 4. 틸트덕트항공기 그림. 6 틸트덕트, Doak VZ-4 미육군의지원으로 Doak VZ-4라는틸트덕트항공기개발은 1956년에시작되었다. 이항공기는날개의양쪽끝에덕트팬 (ducted fan) 을설치하여이착륙을하도록설계되어있으며이덕트를앞으로기울여고속비행이가능하도록설계되어있다. 덕트안의팬은 8개의피치각이고정된블레이드로구성되어있다. 덕트안의팬상류에는 14개의유리섬유로만든가이드베인 (guide vane) 이설치되어있고베인각도를조절하며추력양을조절하도록설계되었다. 9개의스테인레스강재질의스테이터 (stator) 블레이드를팬하류에설치하여공기가 그림 7. 틸트덕트, Bell X-22 1962년에벨사는군용으로활용될 8톤급의틸트덕트항공기인 Bell X-22를연구개발하는사업을수주했다. 이항공기는 VZ-4와달리 4 개의덕트를기울이며수직이착륙과고속비행을하도록설계되어있다. X-22는제자리비행및천이시에넉넉하게중력중심점이동을가능하게하고, 정밀한조종이가능하도록조종력을증강시키며공허중량을줄여서임무중량을증가시키려는목표로설계의방점을두었다. 많은풍동시험을거쳐 1965년에항공기가완성되었으며 1호기의파손을거쳐 2호기로 1967년에천이비행에성공하였다. X-22는자동조종장치가설치되어있었는데 273회, 280시간의비행시험을성공적으로수행하여필요한비행시험요건을완수하였다. X-22는 525km/h의최고속도를내도록설계되었으나실제비행시험에서는최고속도가 370km/h에그쳐서임무비행에충분하지않은속도성능을내서양산계약을맺지못한것으로알려져있다. 5)
8 김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10 5. 틸트프롭항공기 프로펠러주요제조사였던 Curtiss-Wright사는 1950대말기제트엔진항공기의실용화로프로펠러의수요가급감할것을우려하여이에대한타개책으로프로펠러를활용하여수직이착륙과고속비행이가능한틸트프로펠러항공기개발에착수했다. 1958년부터 Curtiss-Wright X-100 개발에착수하여 1960년에는제자리비행에서천이하는비행시험에성공했다. 그림 8. 틸트프롭, Curtiss-Wright X-100 X-100 항공기는개발기간을단축하기위하여 M-100이라는기존의고정익항공기기체를개조하여사용하였는데, 날개양끝에김발이있는나셀및프로펠러를장착하여프로펠러를수직방향에서수평방향으로기울이도록설계하였다. 3m 직경의프로펠러는서로다른방향으로회전하여요우모멘트가발생하지않도록설계되었다. 저속에서의롤조종을위하여날개양끝에있는프로펠러의피치각을다르게조절하였으며, 피치조종과요우조종을위하여꼬리날개뒤에엔진배기가스를이용하는제티베이터 (jetivator) 라는장치를고안하여사용하였다. 고속비행에서는고정익과같은방식으로항공기자세를조종하였다. 제티베이터에의한저속비행조종력은충분하지못하였고롤과요우운동은상호간섭효과가있어서저속에서의비행조종성이좋지않은것으로알려졌다. X-100 틸트프롭항공기의경험을바탕으로 그림 9. 틸트프롭, Curtiss-Wright X-19 Curtiss-Wright사는미국육 해 공군의지원으로 X-19라고불리는새로운형태의틸트프롭항공기개발에착수한다. 이항공기는종래 2개의프로펠러를가진틸트프롭에서의저속비행조종성을개선하려고전방 2개후방 2개의프로펠러를가진항공기로형상을변경하였다. 제자리비행에서는프로펠러의스로틀 (throttle) 조종으로고도를조종하였으며프로펠러피치각을개별적으로미세조종하여피치, 롤, 요우의동작을조종하도록설계되었다. 항공기조종의동안정성을개선하기위하여안정성증강장치 (SCAS) 를채택하였으나원활한비행시험에돌입하지못한것으로알려져있다. 2개의시험기를개발하였는데 1호기의 50번째비행에서추락사고가있었으며 2호기는비행시험에진입하지못하고사업을종료하였다고한다. 지상시험은 130시간지속한것으로기록되었고 4시간미만의비행시험시간을기록하였다. 이항공기는최대순항속도 650km/h 로비행을하였으나이때의유상하중이 550kg 에그쳐서이륙중량 6.6톤대비유상하중비율이매우낮은것으로평가되었다. 2) 6. 틸트항공기개발사례요약및교훈 1. 헬리콥터와같이수직이착륙이가능하고비행기와같이고속비행을하려는시험개발은 1950년대이후현재까지고지속적으로시도되고있다. 2. 수직이착륙을위한추력장치를그대로사용하여수평비행을위한추력으로변환하는틸
김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10 9 트항공기에여러가지다른방식의시도가있었는데틸트윙, 틸트프롭, 틸트덕트, 틸트로터방식으로분류할수있다. 3. 틸트윙, 틸트프롭, 틸트덕트방식은추력발생을위해프로펠러를사용하였으며틸트로터방식은사이클릭피치조종이가능한로터를사용하였다. 4. 틸트윙방식은가장많은기종의개발이시도되었으나, 이착륙시의조종성불안정과천이비행시의날개실속에의해야기되는동체진동및자세불안정에대한해결이미진하여실용기개발에실패하였다. 5. 틸트프롭이나틸트덕트방식은쌍발프롭일경우에미익부보조장치로저속비행을하나조종성이부족한것으로판명되어후속개발은 4발기종으로시도되었다. 6. 4발틸트프롭방식은저속의조종안정성은확보되었으나총중량대비유상하중의비율이부족하였으며실용기개발에실패하였다. 7. 4발틸트덕트방식도저속조종안정성은확보되었으나최고속도가제한적이었으며실용화개발에실패하였다. 8. 틸트로터방식은헬리콥터와유사한로터조종방식을채택하여안정적인저속및천이비행이유지되어효율적인목표성능을만족하였으며 V-22 오스프리를통하여실용화개발에도성공하였다. 9. 틸트로터방식은틸트윙방식보다최고속도성능이다소낮으나저속, 천이, 고속의조종안정성이탁월하여현재까지유일하게실 용화된고속수직이착륙회전익기기종이다. 10. 향후진행될신규유무인항공기개발사업은과거에비행시험으로규명된교훈을반영하여야사업실패위험도를저감시킬수있다. 11. 틸트로터항공기보다더욱빠른기종의고속수직이착륙항공기연구개발은미국국방고등기술연구소 (DARPA) 의사업으로현재도진행되고있다. 8) 그림 10 틸트항공기의기종분석결과및주요이슈
10 김재무 / 항공우주산업기술동향 15/2 (2017) pp. 3~10 참고문헌 1. Article V/STOL Wheel, AmeAmerican Helicopter Society's Vertiflite Magazine, March/April 1997 http://www.vstol.info/ 2. S. Markman, B. Holder "Straight Up: A History of Vertical Flight", Schiffer Military/Aviation History, 2000 3. M.D. Maisel, D.J. Giulianetti, D.C. Dugan, The History of the XV-15 Tilt Rotor Research Aircraft from Concept to Flight Government Reprints Service, 2001 4. S. Harding, U.S. Army Aircraft since 1947, Schiffer Publishing, Ltd, 2004 5. A.J. Pelletier "Bell Aircraft since 1935", Putnam Aeronautical Books, 1992 6. W. F. Ghana and T. M. Sullivan, "The Tilt Wing Design For A Family Of High Speed VSTOL Aircraft", Presented at the American Helicopter Society 49th Annual Forum, St. Louis, Missouri, May 1993 7. Mike Hirschberg et al, "From the Past to the Future of Heavy Lift, Part Two: Tilt-wing Concepts, Vertiflite Magazine Fall-Winter 2001 8. Article DARPA s sub-scale VTOL X-Plane prototype completes flight testing April 5, 2017 http://www.gizmag.com,