헬리콥터 날개의 비행 성능이 저하되는 스톨 현상 원인이 밝혀졌다.[헤럴드경제DB]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 광주과학기술원(GIST) 기계공학부 지솔근 교수 연구팀이 헬리콥터나 드론과 같은 항공기 날개의 비행 성능이 저하되는 스톨 현상에 날개 주변을 흐르는 공기의 압축성 효과가 직접적인 연관이 있다는 사실을 규명했다고 13일 밝혔다.

헬리콥터와 같은 회전익기가 고속비행을 할 경우, 블레이드에서 유동이 떨어져 나가는 유동박리 현상이 나타 날 가능성이 높아진다. 대표적인 유동박리 현상의 원인으로는 표면의 급격한 압력 분포 변화, 빠른 유동 속도에 의한 공기의 압축성 효과 등이 있다.

유동박리 현상은 블레이드의 스톨을 일으키는 직접적인 원인이 될 수 있으며, 회전익기의 추력 감소 뿐만 아니라 고속으로 회전하는 블레이드의 진동을 야기할 수 있다. 블레이드 스톨로 인해 회전익기의 비행 범위가 제한되며, 급격한 스톨은 비행체 추락으로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 블레이드 스톨이 나타나는 유동 메커니즘을 파악하는 것은 회전익기 블레이드 설계에 매우 중요하다.

회전익기 블레이드에 대해 수행된 기존의 풍동 실험 연구에서는 주로 블레이드가 받는 공력을 측정했다. 하지만 이러한 풍동 실험에서는 유동 현상에 대한 정밀한 측정이 어려웠으며, 스톨 발생 메커니즘에 대한 면밀한 분석에 어려움이 있었다.

연구팀은 난류 시뮬레이션을 이용해 날개 주변 유동 현상에 대해 자세히 분석했다.

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

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

이번 연구결과는 기계·항공 분야 국제학술지 '에어로스페이스 사이언스 앤 테크놀로지' 6월 20일자 온라인 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com