T-50 항공기모델풍동시험에서의항력측정연구 김형국 양희돈 * 이일우 ** Analysis of Drag Measurements on T-50 Aircraft Model Wind Tunnel Testing Hyung-Kook Kim, Hee-Don Yang, Il-Woo Lee Key Words: Internal Balance( 내장형밸런스 ), Drag Measurements( 항력측정 ), Uncertainty Analysis ( 불확실도해석 ), T-50 Aircraft(T-50 항공기 ), Wind Tunnel Test( 풍동시험 ) Abstract The requirements of internal balance were studied that should be considered on performing force & moment transonic wind tunnel testing to develop combat aircraft. In many insecure factors of test condition, uncertainty analysis was conducted to verify one drag count measurements. The analysis result was applied to T-50 aircraft model and compared for data verifaction. In conclusion, the aerodynamicist should estimate the validation and accuracy of test data by having an overall grasp of system components including internal balance. It will help him get high productivity of testing and effective validated data at tunnel. 모델받음각 계수 계수 기호설명 계수 는 의압력 수변화에따른항력계수의민감도 = (Uncertainty) 한국항공우주산업 ( 주 ) E-mail : mrkorea@koreaaero.com TEL : (055)851-6168 FAX : (055)851-1990 * 한국항공우주산업 ( 주 ) ** 한국항공우주산업 ( 주 ) 1. 서론 항공기를개발하는과정에서, 설계된항공기의공력 / 성능특성을가능한정확히예측하기위해서일반적으로풍동시험을수행한다. 하지만풍동설비자체가갖고있는한계와 ' 시험 ' 이라는속성때문에, 항공공학자들은최상의데이터를획득하는과정에서수많은어려움에직면한다. 구체적으로, 시험모델설계와계측기의선정 / 보정, 터널내시험조건확인, 시험수행, 물리량의측정, 데이터처리 / 계산및예측치와의비교등등의절차가필요하다. 이러한과정을거쳐서최종적으로추출한데이터가, 과연의미있고유효한것인지를빠른시간내에판단하여야만효과적인시험진행이가능하다. 따라서풍동시험참여자들에게는, 정확한데이터를얻기위해매진행단계마다여러가지에러나불확실성을제거또는감소시키는노력이요구된다. 그런데무수히많은불확실성요소들을모두고려하여시험계획단계부터반영하거나또는시험중간에확인하며최종데이터의불확실
도 (Uncertainty) 를평가하는작업은중요하지만그리쉽지않은작업이다. 특히여러계측기중에서도항공기모델의 6분력을측정하는밸런스 (Balance) 는최초모델설계부터최종데이터획득에이르기까지데이터질에영향을미치는아주중요한계측기로서절대적인역할을한다. PSP(Pressure Sensitive Paint) 와같은새로운계측방식이도입되고있지만, 풍동시험중에밸런스는여전히기계적힘 / 모멘트를측정하는필수적인요소이다. 그것은모델이받는힘 / 모멘트를전기신호로바꾸어궁극적으로는관심값을디지털로수치화한다. Fig. 1 T-50 항공기모델천음속풍동시험 본논문에서는전투기급항공기개발을위해천음속힘 / 모멘트풍동시험을수행할때고려해야할내장형밸런스의요구도를분석하고, 수많은시험조건의불확실성요소속에서항력 1ct (count) 를측정하기위한불확실도해석 (Uncertainty Analysis) 을수행하였다. 그리고그결과를 T-50 항공기모델의시험데이터에적용하여데이터신뢰성을평가 / 검증하였다. 2. 본론 2.1 내장형밸런스 (Internal Balance) 사양결정시험목적과시험설비에따라사용할밸런스의종류와사양이결정되는데, 일반적으로전투기급항공기개발시힘 / 모멘트측정에는내장형밸런스를사용하여 6분력공력계수를추출한다. 밸런스를선정하기위해서는가장먼저모델의설계하중을알아야하는데, 이설계하중은모델의크기에영향을받는다. 그런데모델의크기는단순히시험부의크기만에의해결정되는것이아니고모델지지부설계, 모델내부계측기요구도그리고모델노즐설계등을복합적으로반영하여결정되어야하는항목이다. 따라서시험계획단계에서위의어떠한요소들이변한다면밸런스사양에도영향을미친다. 초기단계에서밸런스선정을위해고려해야할기술적항목들에는다음과같은것들이있다. - 밸런스장착위치와크기 - 밸런스최대 / 최소하중범위 - 밸런스분해능 (Resolution) Fig. 2 힘 / 모멘트측정용내장형밸런스분해능을결정하는것은밸런스자체의측정범위뿐만아니라여기에연결된 Amplifier, Data Acquisition System(DAS) 등과연관되어결정된다. 예를들어, T-50 천음속터널에서축력 (Axial Force) 보정하중 (Calibrated Load) 최대치를 280 lb로설정하고기타장비설정을하였더니밸런스분해능은 0.062 lb/mu이되었다. 2.2 밸런스관련에러요소밸런스자체적으로포함하고있거나또는밸런스보정과정중발생할수있는에러요소들을분류하면다음과같은것들이존재한다. 이러한요소들은최종데이터측정시궁극적으로정확도에영향을미치므로매단계별로세심한배려가필요하다. - 밸런스구조물하중이전달되는경로는정확하게알려져야하고, Hysteresis를야기할수있는모든잠재적인가능성은제거되거나또는감소되어야한다. - 밸런스전기회로 Strain Gage Bridge에입력되는 Excitation Voltage가 0.25% 이내에서변화된다할지라도, 이정도면항력계수 1 ct를충분히초과할수있다고알려져있다.
- 밸런스에작용하는열효과밸런스구조물내에서발생한온도구배는구조물에작용하는외부하중과는무관하게온도로부터야기된응력을발생시키므로, 시험중온도변화감시와그보상이필요하다. 즉 - 밸런스보정시에작용하중만약 Normal Force 하중을 0.13 비틀어지게가한다면항력계수로대략 1 ct 정도의에러를유발한다. 이는또한함께생성될모멘트에도에러를유발시킨다. - 밸런스보정방식최근에개발된밸런스보정용리그를이용하면, 정적하중의수동식작용이아니라수많은하중조합을짧은시간내에가하는것이가능하다. 항력계수의 General Uncertainty, 는 Coleman 이제시한식에따르면, 여기서 는측정변수 에대한 Uncertainty 이다. 그런데위식에서, 에영향을미치는각 요소가동일하게 Uncertainty에기여하고, 각각의항이정규분포를보인다고가정하면, 이를이용하여, 항력계수 1 ct를측정하기위한 의 Uncertainty 허용치 (Tolerance) 는 Fig. 3 밸런스보정과정 2.3 General Uncertainty Analysis 풍동시험데이터의 " 정밀도 (Accuracy)" 란일반적으로주어진입력에대해서출력되는전체데이터가이론적값으로부터 95% 이내에분포하는특정폭을의미한다. 풍동시험수행시, 항공공학자들은밸런스를독립적으로사용하는것이아니라전체적인시험운용환경과전체시스템의구성요소중하나로파악하여계측데이터의정밀도 / 불확실도를평가해야한다. 항력계수는다음과같다. 요구되는입력치를반영하여다시정리하면, 을얻을수있다. 이와같은과정을다른변수들에대하여확장하면, 다음과같이정리된다.
그리고, 관계식 로부터, 이와같은정리식을 T-50 천음속풍동시험에적용하여보았다. 기본형상 (Baseline) 에대해다음과같은특정시험조건에대해항력 1 ct를측정하려할때, 필요한각시험계측치의에러허용범위를분석하여 Table 1. 에서보여준다. Mach = 0.9, alpha = 2.1, T = 300.5K, CD = 0.0285, CL = 0.25, H = 1282.9 psf 2.4 시험데이터반복성 (Test Data Repeatability) 확인이와같은에러분석을기반으로, T-50 모델의천음속힘 / 모멘트시험시 6분력을정밀하게측정하도록노력하였다. 획득한풍동시험데이터의정확성을검증하려면궁극적으로비행시험과정을거쳐추출한데이터와동일조건하에서비교해야겠지만, 현재일정상성능비행시험을아직착수하지않았다. 이에제한적으로나마시험데이터의유효성을검증하고자, 풍동시험데이터의반복성확인작업후얻은결과를상호비교하였다. 풍동시험시에동일한모델형상 (Baseline) 에대해서전체 6주간의시험기간중총 4회에걸쳐서반복시험을수행하였다. 마하수 0.9 조건의 Baseline 형상에서, 대표적인공력계수인 CL-CD 곡선과최소항력 (Minimum Drag) 을비교하여 Fig. 4에서보여준다. 이어서 Table 2. 에서는아음속영역부터초음속영역까지의최소항력편차를보여준다. (a) CL-CD Curve CL #112 #400 #772 #1738 #2334 Table 1. 특정조건에서요구되는측정치허용에러범위 CL CD (b) Minimum Drag 비교 CD #112 #400 #772 #1738 #2334 Fig. 4 기본형상에대한반복성시험결과비교
Table 2. 아음속-초음속영역의최소항력차이 (ct) 마하수 0.6 0.8 0.9 1.1 1.2 최대차이 3.9 2.4 3.8 4.0 6.8 (Max-Min) 본연구의관심사항인최소항력에대해서에러허용치와비교할때, 마하수 0.6에서최대 3.9 ct, 마하수 0.9에선최대 3.8 ct, 초음속인마하수 1.2에선최대 6.8 ct의에러만허용하는정도의고도의정밀도를보증하였다. 이러한차이의원인은밸런스자체도원인이지만, 앞서기술한수많은시험인자들이각각의에러를무작위로발생하기때문으로판단된다. 3. 결론 전투기급항공기개발을위해천음속힘 / 모멘트풍동시험을수행할때고려해야할내장형밸런스의요구도와에러유발요소를분석하였다. 초기시험계획단계에서모델의크기에맞는밸런스사양을정할때, 밸런스의장착위치, 크기, 최대 / 최소하중범위, 분해능등을고려하여야한다. 밸런스를제작하는과정에서는자체하드웨어적에러요소들을최소한도로줄이도록노력해야하고, 보정 Matrix를생성하는밸런스보정작업에서도주의가필요하다. 한다. T-50의경우, 시험의재현성평가결과, 최소항력 (Minimum Drag) 이아음속영역부터초음속영역까지미소한 Deviation을보여고도의정밀도를보증한다고판단하였다. 결론적으로풍동시험수행시, 항공공학자들은밸런스를독립적으로사용하는것이아니라전체적인시험운용환경과전체시스템의구성요소를파악하여계측데이터의정밀도 / 불확실도를평가해야한다. 향후에성능비행시험을통하여획득한결과데이터와풍동시험해석결과를비교할계획이다. 참고문헌 (1) AIAA Standards Technical Council, 1999, ꡒAssessment of Experimental Uncertainty with Application to Wind Tunnel Testing", pg 1-6, AIAA Standard S-071A-1999. (2) Hugh W. Coleman & W. Glenn Steele, Jr., 1989, "Experimentation and Uncertainty Analysis for Engineers", pg 42-44, John Wiley & Sons. 이어서시험조건의수많은불확실성요소속에서항력 1 ct (count) 를측정하기위해각계측항목별로허용할수있는에러범위를계산하였다. 이를위해 Uncertainty Analysis를수행하였고, 현재개발중인 T-50 항공기의풍동시험항력데이터만족도여부를비교하였다. 가능한모든계측요소를함께고려하고, 각각의크기및부호에러범위가무작위로변한다고가정할때, 특정조건 ( 마하수 0.9, 받음각 2.1 ) 에서항력 1 ct를측정하려면축력변화허용치가 ±0.05 lb 이내이고, 마하수변화허용치는 ± 0.0004 이내이어야함을알수있었다. 하지만실제시험을하다보면임의의측정치가순간적으로이들허용치를초과할수있기때문에최종항력데이터에대해종합적으로판단하여야