MEMS 기술을 적용한 Feedback 능동 유동제어에 대한 실험적 수치적 연구

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유동제어는 고성능, 고효율 항공 무기 개발에 전제되는 핵심기술이고, 동시에 성능, 안전성 등의 요구를 만족시킴으로써 차세대 항공 무기의 개발을 앞당길 수 있는 선도적 기술이다. 또한, 시대적 개발 요구에 따라 보다 높은 양항비를 안정적으로 얻기 위한 공기역학적 연구는 그 중요성이 커지고 있다.

 

일반적으로 날개의 받음각이 증가할수록 높은 양력을 얻을 수 있으나, 어느 특정한 받음각에 이르면 유동이 박리(separation)를 일으켜 양력이 급격히 감소할 뿐 아니라 항력도 크게 증가하는 현상을 보이게 된다. 이러한 현상 등으로 인하여 항공기술의 발전에도 불구하고 비행체 등은 항공 역학적 성능의 한계를 가지고 있고, 근본적으로 타 수송수단보다 더 많은 사고위험에 노출되어 있다. 이와 같은 한계를 극복하여 보다 높은 양항비 등의 공력 성능 향상을 통하여 기동성과 안정성(safety)을 확보하기 위해서는, 기존의 양력 발생 시스템으로는 고성능/고효율 항공시스템의 설계 요구 조건을 충분히 만족시킬 수 없고, 이를 위해서는 보다 적극적인 방법으로 유동제어를 수행할 필요성이 있다.

 

다양한 유동 조건에서 항공기를 운용할 경우 층류-난류 천이(transition) 현상과 날개 표면의 광범위한 영역에 걸쳐 존재하는 박리 영역(separation)이 발생하게 되는데 박리 현상은 에어포일의 항력을 증가시킬 뿐 아니라, 받음각의 변화에 따른 양력, 항력 이력현상(hysteresis)을 유발시킨다. 박리 현상은 특히 고기동성을 요구하는 받음각에서 주로 발생되며 심각한 박리의 경우 비행체 실속으로 인하여 비행 조종성마저 상실하게 된다. 또한 층류 박리 현상은 매우 낮은 받음각에서도 발생하며, 층류박리기포의 경우 날개길이의 15%정도까지 커질 수 있으므로 꼭 고려되어야 할 유동현상이다. 또한 박리 현상 내의 압력 변화는 양력 감소 및 항력 증가를 야기하므로 결과적으로 비행체의 양항비 성능에 치명적인 결과를 가져오기도 한다. 따라서 항공기의 공기역학적 성능을 향상시키기 위해서는 유동 박리 제어 및 층류 제어가 필수적이다.

 

 

Fig. 1 고 받음각에서의 유동 박리 현상

 

아울러, 21세기로 접어들면서 세계 첨단과학기술의 동향은 한 차원 높은 저 비용, 고 효율성 산업구조로 전환되어 가고 있는데 그 대표적인 예가 마이크로 시스템(Micro System)에 관한 산업분야라고 할 수 있다. 이 산업기술의 발전을 바탕으로 유동제어기술이 시스템화 되어 실제 항공기에 적용될 수 있는 바탕이 마련되었다. 미국을 중심으로 한 선진국에서는 흐름 박리 지연, 난류로의 천이 조절 등 기본적인 수준의 유동 제어뿐 아니라, 무인기 및 전투기의 기동성 향상을 위한 세밀한 유동 제어, 미사일의 자세 제어, 인공위성 등의 정밀 자세 제어 등에 적용하려는 연구가 활발히 진행 중이다. 유동 제어를 통하여 높은 양력을 얻을 수 있는 기술은 이륙거리와 착륙거리를 감소시킬 수 있고 비행체의 높은 기동성을 확보할 수 있으며, 수익하중을 감소시키고 항공기 소음을 줄이는 등 많은 경제적 이익을 유발할 수 있다. 한 예로 미국 DARPA(Defense Advanced Research Projects Agency)에서는 2003년 7월 XV-15 tilt rotor 항공기의 제자리 비행 중의 항력을 유동제어를 통해 14%나 감소하는 성과를 얻었다. 또한 층류에서 난류로의 천이를 지연시키기 위한 유동 제어(Laminar Flow Control)를 통해 연료소모량의 최대 25%까지 절감 시킬 수 있는 것으로 알려진다. 이는 MEMS를 이용한 유동제어 기술이 실제 시스템에 적용되는 단계에 접어들었음을 의미한다.

 

 

Fig. 2 능동 유동 제어 시스템

 

이에 풍동 시험 및 수치 해석을 이용하여 MEMS 기술을 적용한 층류 제어 및 유동 박리 제어를 통해 양항비를 증대하기 위한 능동 유동제어 기술을 개발하는 연구를 진행한다. 능동 유동제어 시스템의 설계 및 제작 기술 및 2차원 및 3차원 날개 주위의 유동 제어 특성 파악 연구는 고성능/고기동성의 저소음, 스텔스 항공기 개발에 필요한 기초 연구와 MEMS 기반의 차세대 항공기 핵심 부품 개발에 적극 활용될 것이다. 또한 이를 통하여 한국형 항공기 개발에 필요한 핵심 유동제어 기술을 구축할 수 있을 것으로 예상된다.

 

 

Fig. 3 2차원 날개 주위의 박리 유동 해석                     Fig. 4 Svnthetic iet 출구 3차원 유동 해석

 

 

Fig. 5 박리 유동 제어를 위한 실험 장비 제작 및 실험 결과