비행체 날개 개발 위한 공기역학 성능 예측‧설계 기여

받음각이 증가하는 블레이드 익형의 앞부분에서 초음속 영역의 영향으로 인한 동적 실속 발생. 마하수 유동장의 초음속 영역이 동적 실속과 밀접한 연관이 있으며, 주 유동속도가 빠를수록 (좌→우) 그 영향이 더 심해진다. (사진=GIST 제공).
받음각이 증가하는 블레이드 익형의 앞부분에서 초음속 영역의 영향으로 인한 동적 실속 발생. 마하수 유동장의 초음속 영역이 동적 실속과 밀접한 연관이 있으며, 주 유동속도가 빠를수록 (좌→우) 그 영향이 더 심해진다. (사진=GIST 제공).

광주과학기술원(GIST․총장 김기선)은 지솔근 GIST 기계공학부 교수 연구팀이 헬리콥터나 드론과 같은 항공기 날개의 비행 성능이 저하되는 스톨 현상을 규명했다고 13일 밝혔다. 연구팀은 스톨 현상이 날개 주변을 흐르는 공기의 압축성 효과와 직접적인 연관이 있음을 밝혀내 것이다.

헬리콥터와 같은 회전익기가 고속비행을 할 경우 블레이드에서 유동이 떨어져 나가는 유동박리 현상이 나타날 가능성이 높아진다. 유동박리는 블레이드의 스톨을 일으키는 직접적인 원인이 될 수 있다. 블레이드 스톨은 회전익기의 비행 범위를 제한하며 비행체 추락으로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 블레이드 스톨이 나타나는 유동 메커니즘을 파악하는 것은 회전익기 블레이드 설계에 매우 중요하다.

지솔근 GIST 기계공학부 교수. (사진=GIST 제공).
지솔근 GIST 기계공학부 교수. (사진=GIST 제공).

연구팀은 기존 풍동 실험 연구에서 주로 블레이드가 받는 공력을 측정했으나 유동 현상에 대한 정밀한 측정이 어려워 스톨 발생 메커니즘을 면밀히 분석하기 힘들었다. 반면 이번 연구에서는 난류 시뮬레이션을 이용해 날개 주변 유동 현상에 대해 자세히 분석했다.

연구 결과 충분이 높은 유동 속도와 받음각을 경험하는 날개 2차원 단면인 익형의 앞부분에서 강한 압축성 효과가 나타나고 초음속 영역(마하수 1 이상)이 생성되는 것을 확인했다. 익형의 앞부분에서 국지적으로 생성된 초음속 영역은 블레이드 스톨을 야기하는 유동 현상인 동적 실속 와류를 생성시켰다.

지솔근 교수는“헬리콥터 블레이드의 유동 조건에서 압축성 효과로 인한 국지적 초음속 영역이 블레이드 스톨을 야기하는 것을 밝혀냈다는 데 가장 큰 의의가 있다”며 “국내에서 자체적으로 개발되는 비행체의 핵심 부품인 날개의 공기역학 성능 예측과 이를 기반한 날개 설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단과 GIST 연구원(GRI)의 지원을 받아 이뤄졌다. 연구 성과는 기계·항공 분야의 대표 국제 학술지(‘Aerospace Science and Technology’)에 6월 20일 온라인 게재됐다.