민감도 기법을 이용한 제자리 비행하는 로터 형상 최적화에 관한 연구

Abstract

헬리콥터 로터의 성능은 헬리콥터의 비행성능을 결정하고 비행안정성에 중요한 구성품이다. 로터의 익형과 블레이드의 형상 설계 최적화는 이러한 이유들 때문에 필요하다. 뿐만 아니라 고정익 항공기와는 달리 속도 분포가 반경방향에 따라 아음속에서 천음속까지 달라진다. 또한, 비정상 유동, 압축성 유동 및 박리 유동과 같은 특성들로 인하여 공력 해석의 어려움도 있다. 로터 주변의 유동에 대한 더 정확한 해석은 익형 및 블레이드 형상 설계 최적화 결과에 영향을 받는다. 이 논문은 전산유체해석 결과를 이용한 헬리콥터 로터 블레이드의 형상을 공력 최적화하는 방법에 대하여 서술하였다. 이 논문은 출력과 추력이 요구되는 결정적인 상태인 제자리 비행 상태에 대한 비행 성능에 초점을 두었다. 로터 블레이드 해석은 많은 비용이 요구되기 때문에 최적화를 수행하는데 더 많은 비용이 예상되므로 계산 시간 단축을 위해 민감도 기반의 continuous adjoint 기법을 정렬 격자계에 적용하여 해석 시간을 단축하였다. Adjoint 방정식은 유동 지배 방정식과 동일한 복잡성을 가지고 계산 시간 또한 일정하다. 최적화는 비행 성능에 중요한 영향을 비치는 블레이드 끝단을 중점으로 하였다. 설계 변수로는 하반각, 후퇴각, 비틀림각 등의 다양한 블레이드 형상 변수를 적용하였다. 형상함수로는 Hicks-Henne 함수를 이용하였다. 최적화 과정은 제자리 비행 중 공력 성능의 지표로 사용되는 Figure of Merit을 최대화 시키는 것을 목적으로 하였다. 최적화된 결과는 초기의 결과와 비교하였다. 이 연구가 향후 고성능 헬리콥터 로터 블레이드 설계에 반영될 것을 기대한다.