헬리콥터·드론 비행 성능 저하 이유는..'블레이드 스톨' 원인 찾아

GIST 연구팀, 난류 시뮬레이션 활용해 분석

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 헬리콥터 날개의 성능 저하와 공기 압축성 현상의 상관관계를 알아냈다.

광주과학기술원(GIST)은 지솔근 기계공학부 교수 연구팀이 헬리콥터나 드론과 같은 항공기 날개의 비행 성능이 저하되는 스톨 현상과 날개 주변을 흐르는 공기의 압축성 효과와의 직접적 연관성을 규명했다고 13일 밝혔다.

받음각이 증가하는 블레이드 익형의 앞부분에서 초음속 영역의 영향으로 인한 동적 실속 발생.<자료=광주과학기술원>

헬리콥터와 같은 회전익기가 고속비행을 하면 블레이드에서 유동이 떨어져 나가는 유동박리 현상이 나타날 가능성이 높다. 이 현상은 표면의 급격한 압력 분포 변화, 빠른 유동 속도에 의한 공기의 압축성 효과로 발생한다고 알려졌다.

유동박리 현상은 블레이드 스톨을 일으키는 직접적 원인이 될 수 있고, 회전익기의 추력 감소나 고속으로 회전하는 블레이드의 진동을 유발한다. 블레이드 스톨로 회전익기의 비행 범위가 제한되며, 급격한 스톨로 비행체가 추락할 수도 있다. 따라서 회전익기 블레이드 설계에서 블레이드 스톨이 나타나는 유동 메커니즘을 파악하는 것이 중요하다.

기존에는 풍동 실험을 통해 회전익기 블레이드가 받는 공력을 측정했다. 이 실험은 유동 현상에 대한 정밀 측정이 어렵고, 스톨 발생 메커니즘에 대해 면밀하게 분석하기 어렵다는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 난류 시뮬레이션을 이용해 날개 주변 유동 현상에 대해 분석했다. 그 결과, 익형의 앞부분에서 강한 압축성 효과가 나타나고, 초음속 영역이 생성되는 것도 확인했다. 날개의 2차원 단면인 익형의 앞부분에서 국지적으로 생성된 초음속 영역은 블레이드 스톨을 만드는 유동 현상인 동적 실속 와류를 생성시켰다.

지솔근 교수는 “헬리콥터 블레이드의 유동 조건에서 압축성 효과로 국지적 초음속 영역이 블레이드 스톨을 야기했다”며 “국내에서 자체적으로 개발되는 비행체의 핵심 부품인 날개의 공기역학 성능을 예측하고, 이에 기반한 날개를 설계할 수 있을 것”이라고 기대했다.

연구 결과는 기계·항공 분야 국제 학술지 ‘Aerospace Science and Technology’에 지난달 20일자 온라인으로 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)