1184 韓國航空宇宙學會誌 論文 Synthetic jet 을이용한스마트무인기 (SUAV) 유동제어 Part 2 : 천이비행모드에서 synthetic jet 을이용한유동제어 김민희 *, 김상훈 *, 김우례 *, 김종암 **, 김유신 *** Flow Control of Smart UAV Airfoil Using Synthetic Jet Part 2 : Flow control in Transition Mode Using Synthetic Jet Min Hee Kim*, Sang Hoon Kim*, Woore Kim*, Chongam Kim** and Yushin Kim*** ABSTRACT In order to reduce the download around the Smart UAV(SUAV) at Transition mode, flow control using synthetic jet has been performed. Many of the complex tilt rotor flow features are captured including the leading and trailing edge separation, and the large region of separated flow beneath the wing. Based on the results of part 1 of the present work, synthetic jet is located at 0.01c, 0.95c flap and it is operated with the non-dimensional frequency of 0.5, 5 to control the leading edge and trailing edge separation. Consequently, download is substantially reduced compared to with no control case at transition mode using leading edge jet only. The present results show that the overall flight performance and stability of the SUAV can be remarkably improved by applying the active flow control strategy based on synthetic jet. 초 록 스마트무인기익형주위의유동구조를파악하고이를바탕으로 synthetic jet 을이용하여천이비행모드에서의수익하중감소여부를파악하였다. 스마트무인기의실제비행모드에서의유동구조를분석하여앞전및뒷전에서발생하는와류에의해서수익하중이크게증가함을밝혔다. 이에앞전과뒷전에서발생하는유동의박리를효과적으로제어하기위하여 Part 1 의결과를바탕으로 0.01c, 0.95c flap 지점에 jet 을위치시키고각각무차원주파수 (F+) 를 0.5, 5 로작동시켜그에따른유동구조변화와항력감소율을알아보았다. 그결과천이비행모드에서의유동제어를위해서는앞전에위치한 jet 만을작동시킬경우가장효과적으로수익하중을감소시킬수있음을밝혔다. 이에정지비행모드에서뿐만아니라천이비행모드에서 synthetic jet 을이용하여유동을제어한다면스마트전비행모드에서의비행성능과안정성을동시에향상시킬수있을것이다. Key Words : Smart UAV( 스마트무인기 ), Flow Control( 유동제어 ), Synthetic Jet (Synthetic 제트 ), wing loading( 수익하중 ), Transition Mode( 천이비행 ) 2009 년 8 월 28 일접수 ~ 2009 년 11 월 19 일심사완료 * 정회원, 서울대학교기계항공공학부대학원 ** 정회원, 서울대학교기계항공공학부교신저자, E-mail : chongam@snu.ac.kr 서울시관악구신림 9 동산 56-1 *** 정회원, 한국항공우주연구원 Ⅰ. 서론 틸트로터 (Tilt-rotor) 항공기인스마트무인기는고정익항공기와회전익항공기의장점만을하나로통합한새로운개념의항공기로서, 고정익항
第 37 卷第 12 號, 2009. 12 Synthetic jet 을이용한스마트무인기 (SUAV) 유동제어 Part 2 : 천이 1185 공기수준의비행고도와속도, 항속거리를갖으며회전익항공기의제자리비행과수직이착륙의편리성을갖고있다. 하지만, 수직이착륙및천이비행모드에서는로터에의한내리흐름에날개가넓은면적으로맞서고있어거대한박리유동을발생시키게된다. 이것은익형의아랫면에저압부를생성시키고이로인하여로터내리흐름방향으로의항력이증가하게되고이는수익하중의증가로나타나게된다. 수익하중의증가는 payload 에막대한영향을끼치게될뿐만아니라성능과안정성저하의원인이된다. 이에 Part 1 에서는국내에서개발하고있는틸트로터항공기인스마트무인기의정지비행모드에서익형주위의유동구조를파악하고 synthetic jet 을이용하여앞전과뒷전에서발생하는박리를제어하였다. 스마트무인기의정지비행모드에대하여유동구조를분석한결과앞전및뒷전에서발생하는와류에의해서수익하중이크게증가함을밝혔다. 이에뒷전에서발생하는유동의박리를제어하기위하여 0.3c flap, 0.95c flap 위치에 jet 을위치시켜유동구조변화와항력감소율을알아보았다. 그결과, 플랩코드길이의 95% 에위치한 jet 을 F+=5 로작동시킬때항력감소율이가장큰것으로나타났다. 또한앞전박리를제어하기위해서는 0.01c 에위치한 jet 을 F+=0.5 로구동할경우앞전에서발생하는와류의크기를가장효과적으로감소시켜익형의아랫면에부착되는유동구조를변화시키기때문에가장큰항력감소를보임을밝혔다. Part 2 에서는 part 1 의결과를바탕으로실제스마트무인기천이비행모드에서의유동구조를파악하고 0.95c flap jet 과 0.01c jet 을이용하여이때발생하는수익하중의감소여부를확인하였다. disk loading (T/A) = 670N/m 2 ~770N/m 2 을이용하여결정하였으며, momentum theory 를이용하면로터후류속도는 17m/s 로예측된다. 유속과받음각은예측된로터후류속도와전진비행속도의합에의해서결정하였다 (Table 1 참조 ). 천이비행시항력분포는 Fig. 1 과같이각비행모드에따라주기적인형태를보이며로터의내리흐름의방향이 90 에가까울수록항력의크기가커지게되며정지비행모드에서의항력분포와유사한형태를가지게된다. 또한로터의내리흐름의방향이앞쪽으로바뀜에따라유동구조가변화하며틸트각이 15, 플랩각이 25 인천이비행 6 에서는유동의박리가발생하지않게된다. 이에스마트무인기의정지비행및천이비행모드에서의비행모드에서틸트각이 90 에가까울수록수익하중이증가하며항력이커지게됨을알수있다. 천이비행모드 1~2 에서의유동구조는정지비행모드에서와유사하게나타난다. 정지비행 모드틸트각 (deg) 정지비행 천이비행 Table 1. Flight condition 플랩각 (deg) 유속 (m/s) 받음각 (deg) Re H 90 70 17-90 9.0 10 5 T1 9 0 5 0 23.8 0-7 9.5 0 1.2 10 6 T2 8 0 25 4 0.6 6-6 5.21 2.1 10 6 T3 60 25 54.91-48.96 2.9 10 6 T4 45 25 58.62-38.72 3.1 10 6 T5 3 0 25 6 2.3 6-26.5 6 3.3 10 6 T6 15 25 6 6.3 8-13.15 3.5 10 6 Ⅱ. 본론 2.1 지배방정식및수치기법 지배방정식및수치기법과 synthetic jet actuator 경계조건은 part 1 에서와동일하다. 2.2 계산결과및분석 2.2.1 스마트무인기천이비행모드에서의유동구조특성실제스마트무인기에대해작성된천이비행경로중대표적인비행조건은다음과같이나타난다 [1]. 로터후류속도는스마트무인기의실제 Fig. 1. Drag his tories at SUAV flight m ode
1186 김민희 김상훈 김우례 김종암 김유신韓國航空宇宙學會誌 1 은 Fig. 2 와같은항력분포를가지며그때의유동구조는 Fig. 3 과같다. 로터의내리흐름으로인하여유동이앞전에서박리된유동은익형앞쪽의아랫면에부착되며항력이증가하게된다 (1). 익형앞쪽의박리유동은그크기가증가되다가 (2) 유동의방향으로떨어져나가게되며항력은감소한다. 이때플랩윗면에서는유동의박리가발생하게되고이는플랩표면을따라서흐르다가플랩아랫면에서큰와류를생성하고이로인하여항력이증가한다 (3). 익형의아랫면에부착된뒷전와류는크기가증가하다가유동장의방향으로떨어져나가면서항력이감소하게된다 (4). 정지비행모드에서와동일하게익형앞쪽과뒤쪽에서순차적으로발생된와류가익형아랫면에부착된다. 즉, 앞전와류와뒷전와류의생성및소멸이주기적으로반복되어틸트각이 90 에가까울수록익형아랫면에부착된와류로인하여수익하중이크게증가함을알수있다. 천이비행모드 3 은틸트각이 60, 플랩각 25 일때의비행조건으로항력분포는 Fig. 4 와같 Fig. 4. Drag his tory at Trans ition3 m ode. Fig. 5. Stream lines at trans ition m ode( T3 ). Fig. 2. Drag his tory at Trans ition1 m ode Fig. 3. Stream lines at trans ition m ode( T1) 이나타난다. 정지비행모드와천이비행 1,2 에서의항력분포는앞전에서생긴와류보다뒷전에서발생하는와류에의한항력의최대값이더크게된다. 하지만천이비행 3 의항력분포를보면앞전와류및뒷전와류에의해항력이크게증가하기는하지만뒷전와류보다앞전와류에의한수익하중의증가가더커지게됨을알수있다. 이때의유동구조는 Fig. 5 와같다. 앞전와류의생성 (1) 및소멸 (2), 뒷전와류의생성 (3) 및소멸 (4) 이반복되게되지만뒷전와류는그크기가일정정도커지다가더이상증가하지않고이탈하기때문에뒷전와류에의해서수익하중이크게증가하지않게된다. 이로인하여유동의방향이앞쪽으로변화함에따라수익하중을감소시키기위해서는앞전에위치한와류의유동구조를변화시켜야함을알수있다. 천이비행모드 4 는틸트각이 45, 플랩각이 25 이며, Fig. 6 에서와같은항력분포를갖는다. 유동의방향이천이비행 3 에서보다앞쪽으로변화함에따라뒷전에서발생하는와류에의한항력의증가는발생하지않고앞전에서발생하는와류에의해서만항력이증가하고감소하는유동
第 37 卷第 12 號, 2009. 12 Synthetic jet 을이용한스마트무인기 (SUAV) 유동제어 Part 2 : 천이 1187 Fig. 6. Drag his tory at Trans ition4 m ode Fig. 9. Stream lines at trans ition m ode( T5 ) Fig. 7. Stream lines at trans ition m ode( T4 ) Fig. 8. Drag his tory at Trans ition5 m ode. 구조를갖게된다. Fig. 7 에서와같이앞전에서와류가발생하고 (1) 그크기가증가하여항력이증가하게된다 (2). 앞전에서발생한와류가이탈하며항력은감소하게되고 (3) 이후뒷전와류가발생하게되지만유동이앞쪽에서불어오기때문에익형아랫면에부착하지않고생성후바로이탈하게된다 (4). 천이비행모드 5 는 Fig. 8 에서와같은항력분포를가지며익형아랫면에부착되는와류는짧은시간내에부착되었다가이탈하게된다. 이때의유동구조는 Fig. 9 와같이나타난다. 천이비행 4 에서와같이유사한유동구조를갖지만뒷전와류가생성된후익형의아랫면으로부착되지않고유입류의방향으로이탈하는것을살펴볼수있다. 천이비행모드 1~5의각각의천이비행모드에서발생하는유동구조를분석한결과, 틸트각이 90 에가까울수록정지비행모드에서와유사한유동구조를갖는다. 앞전와류가생성하며익형의앞전에부착되고그크기가커져이탈한다. 이후플랩을따라흐르는유동에의해뒷전와류가생성되어익형의뒷전에부착되고이탈하는앞전및뒷전와류의생성과소멸을통하여익형아랫면에와류가부착되는유동구조를갖게됨을알수있었다. 또한로터의내리흐름의방향이앞쪽을바뀜에따라뒷전와류는생성되었다가익형의아랫면에부착되지않고유동장의방향으로이탈하고이에따라뒷전에서발생한와류보다앞전에서발생한와류의해수익하중이증가함을밝혔다. 2.2.2 스마트무인기익형의박리제어스마트무인기의실제천이비행경로중대표적인비행모드에서의유동구조분석을통하여앞전과뒷전에서발생하는와류에의해서수익하중이크게증가함을밝혔다. 또한 Part 1 에서앞전과뒷전에서의유동제어를통하여뒷전에서는무차원주파수가증가할수록 jet의주기가짧아지게되어플랩끝쪽에서유동을효과적으로교란시켜익형의뒷전에서와류가형성하는것을억제시키게되어 F+=5인 0.95c flap jet을구동할경우가장효과적으로항력을감소시킬수있음을알았다. 또한앞전에위치한 jet을구동하여유동을제어할경우무차원주파수의크기가작을수록 jet에의해서발생하는와류의크기가커지기때문에앞전에부착되는와류의유동구조를효과적으로변화시켜 F+=0.5인 0.01c jet이가장
1188 김민희 김상훈 김우례 김종암 김유신韓國航空宇宙學會誌 효과적임을밝혔다. 이에천이비행모드에서발생하는유동을제어하기위하여앞전에위치한 0.01c jet과뒷전에위치한 0.95c flap jet을각각무차원주파수 F+=0.5, 5로작동시켰다. synthetic jet의익형표면과의사이각은 Part 1 과마찬가지로앞전에위치한 jet의경우 90, 플랩에위치한 jet은 32 가되도록하였다. 무차원주파수는플랩코드길이 ( =0.32) 를기준으로하였다. Part 2에서는 Part 1의스마트무인기정지비행모드에서앞전과뒷전에서의유동을제어하기위해서가장효과적인무차원주파수의 synthetic jet을천이비행모드에서또한효과적으로적용하는데그목적이있으므로 jet의최대속도는 Part 1에서와동일하게 80m/s로일정하게유지하였으며, 익형앞전과뒷전의 jet 위치및각도또한고정하였다. 시간에따른항력분포는 Fast Fourier Transformation (FFT) 의 low- path filter를이용하여분석하였다. 2.2.2.1 뒷전및앞전박리제어 항력계수가상대적으로낮은천이비행모드 5~6 을제외하고천이비행모드 1~4 에대해서발생하는박리를제어하기위하여앞전과뒷전에 synthetic jet 을작동시켜그에따른수익하중의감소를알아보았다. F+=5 인 0.95c flap jet 을이용한뒷전의박리제어와 F+=0.5 인 0.01c jet 을이용한앞전의박리제어를수행하고각각의비행모드에따라항력분포및유동장의변화를분석하였다. 틸트각이 90, 플랩각이 50 인천이비행모드 1 에서뒷전및앞전의박리를제어했을때의항력분포는 Fig. 10 과같다. 뒷전의박리를제어했을경우보다앞전의박리를제어했을경우에전체적으로큰항력감소를보이며앞전에위치한 Fig. 10. Drag his tories at flow control( T1) Fig. 11. Stream lines of SUAV at L.E. flow control( T1) 0.01c jet 을구동했을때의유동구조는 Fig. 11 과같다. 정지비행모드에서앞전박리를제어했을경우와유사하게앞전와류의생성및이탈, 뒷전와류의생성및이탈에따라서항력의크기가증가및감소를반복하게된다. 또한앞전에위치한 jet 에의해서발생하는유동에의해익형의아랫면에부착되는와류의유동구조가변하게되며이는뒷전와류의생성에도영향을끼치기때문에전체적인수익하중이감소하게된다. 천이비행모드 2 에서유동제어를했을경우의항력분포는 Fig. 12 에서와같이나타나며앞전에서만 jet 을구동시킬경우가장큰항력감소를보인다. 천이비행모드 1 에서 0.01c jet 만을구동했을경우의항력분포와비교해보면앞전와류및뒷전와류에의해항력이증가하는형태가아닌항력이증가하고감소하는항력분포를가지며 Fig. 13 과같은유동구조를갖는다. 천이비행모드 1 에서와같이틸트각이 90 이지만플랩각이 25 이다. 이때문에플랩각이 50 인천이비행모드 1 보다 0.01c jet 에의해서발생하는와류가유동의방향으로이동하는것이용이하다. 이는뒷전에서발생하는와류가익형의아랫면에
第 37 卷第 12 號, 2009. 12 Synthetic jet 을이용한스마트무인기 (SUAV) 유동제어 Part 2 : 천이 1189 Fig. 12. Drag his tories at flow control( T2) Fig. 15. Stream lines of SUAV at L.E. flow control( T3 ) Fig. 13. Stream lines of SUAV at L.E. flow control( T2) Fig. 14. Drag his tories at flow control( T3 ) 부착되지않고유입류의방향으로떨어져나가도록하기때문에뒷전와류에의해서항력이증가하는것을막는다. 따라서익형의앞쪽에생성된와류 (1) 는그크기가증가하며항력이증가 (2) 하고앞전와류의이탈과동시에뒷전와류가생성 (3) 및이탈 (4) 하며항력이감소하게된다. 천이비행모드 3 은틸트각이 60, 플랩각이 25 인형상으로앞전및뒷전에서 synthetic jet 을구동하여유동을제어할경우의항력분포는 Fig. 14 와같다. 천이비행모드 2 에서와같이 0.01c jet 만을구동시킨경우항력감소율이가장높으며로터의내리흐름의방향이좀더앞쪽으로이동하기때문에앞전에위치한 jet 을이용할경우 Fig. 15 와같이앞전에위치한와류가생성 (1) 하면서항력이증가하고이탈 (2) 하면서항력이감소하게된다. 이때뒷전에서와류가발생 (3) 하기는하지만익형의아랫면에부착되지않고이
1190 김민희 김상훈 김우례 김종암 김유신韓國航空宇宙學會誌 Fig. 16. Drag his tories at flow control( T4 ) Fig. 18. Rate of drag reduction vs. transition flight condition at flow control Fig. 19. Rate of drag reduction vs. overall flight condition at flow control. Fig. 17. Stream lines of SUAV at L.E. flow control( T4 ) 탈 (4) 하는유동장을가진다. 이에로터의내리흐름의방향이변함에따라앞전에위치한 jet 을구동할경우익형의아랫면에부착되는것을효과적으로방지할수있게된다. 천이비행모드 4 의경우, Fig. 16 과같은항력분포를가지며앞전에위치한 jet 을사용하여유동제어할경우항력의진동폭이감소함과동시에그크기또한작아지는것을볼수있다. 이때의유동구조는 Fig. 17 과같이나타난다. 틸트각의크기가작아짐에따라유입류의방향은앞쪽으로바뀌게된다. 이에천이비행모드 3 의경우와유사한유동구조를가지며앞전와류에의해서수익하중이증가하게되고뒷전와류는생성되었다가유입류의방향으로이탈하게됨을알수있다. 뒷전에위치한 F+=5 인 0.95c flap jet 을구동했을경우와앞전에위치한 F+=0.5 인 0.01c jet 을구동했을경우각각의천이비행모드에서의항력감소율은다음과같다. Fig 18 에서와같이천이비행모드에서는뒷전에위치한 jet 을구동할경우보다앞전에위치한 0.01c jet 만을구동했을경우
第 37 卷第 12 號, 2009. 12 Synthetic jet 을이용한스마트무인기 (SUAV) 유동제어 Part 2 : 천이 1191 항력감소율이높게된다. 이에정지비행모드에서는앞전과뒷전에위치한 jet 을동시에구동시키고천이비행모드에서는앞전에위치한 jet 만을구동시킨다면 Fig 19 와같은항력감소율을얻을수있으며이로인하여스마트무인기전비행모드에서로터의내리흐름에의해서발생하는수익하중을감소시켜항공기의비행성능과안정성을동시에향상시킬수있을것으로판단된다. Ⅲ. 결론 Part 1 에서의결과를바탕으로실제스마트무인기천이비행모드에서의유동구조를파악하고앞전과뒷전에위치한 jet 을이용하여이때발생하는수익하중의감소여부를확인하였다. 스마트무인기의실제천이비행경로중대표적인비행모드에서의유동구조분석을통하여틸트각이 90 에가까울수록정지비행모드에서와유사하게앞전및뒷전와류의생성과소멸을통하여익형아랫면에와류가부착되는유동구조를갖으며로터의내리흐름의방향이앞쪽을바뀜에따라뒷전와류보다앞전와류에의해수익하중이증가함을밝혔다. 이에천이비행모드에서의유동제어를위해 Part 1 의결과에따라 F+=5 인 0.95c flap jet 과 F+=0.5 인 0.01c jet 을구동시켜그에따른항력감소율을알아보았다. 그결과천이비행모드에서는로터의내리흐름의방향이앞쪽으로바뀌고플랩각이작기때문에앞전에위치한 synthetic jet 만을구동시킬경우앞전에 서발생하는와류의크기를효과적으로감소시키고뒷전에서발생하는와류가익형의아랫면에부착하는것을방지하게되므로항력감소율이가장큰것으로나타났다. 따라서 Part 1 의결과에따라정지비행모드에서는 F+=0.5 인 0.01c jet 과 F+=5 인 0.95c flap jet 을동시에구동시키고천이비행모드에서는앞전에위치한 synthetic jet 만을구동시킴으로써수익하중을효과적으로감소시킬수있음을밝혔다. 이는 synthetic jet 을이용하여스마트무인기전비행모드에서발생하는거대한박리유동제어할경우효과적으로수익하중을감소시켜항공기의성능과안정성을동시에향상시킬것으로판단된다. 후 기 본연구는지식경제부지원으로수행하는 21 세기프론티어기술개발사업 ( 스마트무인기기술개발 ) 및방위사업청과국방과학연구소의지원 ( 계약번호 UD0700 41AD) 과한국과학기술정보연구원슈퍼컴퓨팅센터 (KSC-2007- S00-1016), BK 21 사업의지원을통해수행되었습니다. 참고문헌 1) 최성욱, 김재무, 스마트무인기파워전기체비정상유동해석, 한국전산유체공학회, 2007.