BERP 로터

BERP rotor
도쿄 경시청 EH101 (AW101)

BERP 로터 블레이드 설계는 영국 실험 로터 프로그램에 따라 개발되었다. 초기 BERP 로터 블레이드는 웨스트랜드 헬리콥터와 왕립 항공기 설립(RAE)의 합작 프로그램으로서 1970년대 후반에서 1980년대 중반까지 개발되었으며, 마틴 로슨 교수가 공동 특허권을 가지고 있다.[1] 새로운 설계와 재료를 사용하여 헬리콥터 인양 가능성과 최대 속도를 높이는 것이 목표였다.

작동 방식

물체가 음속에 접근함에 따라 국소적 흐름이 음속 이상으로 가속되는 영역에서 충격파가 형성된다. 이는 보통 조종석 창문과 같은 곡선 지역, 날개의 선두 가장자리, 그리고 베르누이의 원리가 공기를 가속하는 유사한 지역에서 발생한다. 이러한 충격파는 엔진에 의해 공급되어야 하는 많은 양의 에너지를 발산하는데, 이것은 파동 드래그라고 알려진 대량의 추가 드래그로 항공기에 전체적으로 나타난다. 음속의 장벽이라는 생각을 불러일으키는 것은 파도의 항쟁의 시작이었다.

헬리콥터는 회전하면서 동체와 관련하여 회전자가 움직이는 추가적인 문제를 가지고 있다. 맴돌 때에도 로터 팁은 소리 속도의 상당한 비율로 이동할 수 있다. 헬리콥터가 가속할 때, 헬리콥터의 전체 속도가 팁의 속도에 추가되는데, 이는 로터의 전방 이동 면의 블레이드가 후방 이동 면보다 상당히 높은 공기 속도를 보고 있어 리프트의 비대칭이 발생한다는 것을 의미한다. 이를 위해서는 상대 기류의 차이가 크지만 양쪽에서 리프트가 유사하다는 것을 보장하기 위해 블레이드의 공격 각도에 변화가 필요하다.

헬리콥터의 전방 속도에 한계를 두는 것은 로터의 리프트 패턴을 바꾸는 능력이다. 어떤 점에서 전방 속도는 후방으로 이동하는 블레이드가 정지 속도보다 낮다는 것을 의미한다. 이러한 현상이 발생하는 지점은 로터를 더 빨리 회전시켜 개선할 수 있지만, 고속에서 전진하는 블레이드가 음속에 접근하여 파동 항력 및 기타 부정적인 영향을 받기 시작하는 추가적인 문제에 직면하게 된다.

파도 항력 문제에 대한 한 가지 해결책은 1950년대 제트 전투기에서 보았던 것과 같은 것으로 윙 스위프의 사용이다. 이것은 매우 낮은 속도를 제외하고 큰 부정적인 영향 없이 파동 항력 효과를 감소시킨다. 전투기의 경우 특히 착륙 시 이것이 걱정거리였지만 헬기의 경우 착륙 중에도 로터 팁이 현저히 느려지지 않기 때문에 이 문제는 덜하다. 그러한 스윕 팁은 1970년대와 80년대의 많은 헬리콥터에서 볼 수 있는데, 특히 UH-60 블랙호크와 AH-64 아파치에서 볼 수 있다.

단, 블레이드 탄성 축(불유쾌한 공기역학 및 관성 커플링을 도입할 수 있음)의 뒤쪽으로 무게중심이 이동하거나 공기역학적으로 중심 이동을 하지 않도록 팁을 전방으로 조정해야 한다. 이는 마하 수치가 블레이드를 따라 변화하므로 일정한 스위프 각도를 사용하지 않아도 되므로 전방 영역 이동량을 최소화함으로써 최소로 유지할 수 있다.

BERP 블레이드 설계에 사용된 방법론은 블레이드에 정상인 유효 마하 수치가 스위프 영역에 걸쳐 명목상 일정하게 유지되도록 보장한다. BERP 블레이드의 큰 부분에 사용되는 최대 스위프는 30도이며 팁은 비차원 반지름 r/R=cos 30 = 86% 반지름에서 시작한다. 이 팁 영역의 영역 분포는 압력의 평균 팁 중심이 블레이드의 탄성 축에 위치하도록 구성된다. 이것은 국부 1/4-chord 축의 위치를 86% 반지름에서 상쇄함으로써 이루어진다.

또한 이 오프셋은 선행 에지(노치라고 함)에 불연속성을 발생시켜 다른 흥미로운 효과를 초래한다. 예를 들어, Navier-Stok크스 방정식에 기초한 CFD 코드를 사용한 최근의 계산은 이러한 "노치"가 실제로 칼날에 가해지는 충격파의 강도를 더욱 낮추는 데 도움이 된다는 것을 보여주었다. 따라서 스윕의 기본 효과를 상회하는 노치의 예기치 않은 부산물은 압축성 효과를 훨씬 더 감소시키는 데 도움이 된다.

우리는 또한 이러한 종류의 스윕 팁 기하학이 반드시 디스크의 후퇴하는 면에 해당하는 높은 공격각에서 블레이드의 성능을 향상시키는 것은 아니라는 것을 인식해야 한다. 실제로 경험에 따르면, 스윕 팁 블레이드는 표준 블레이드 팁에 비해 열등한 정지 특성을 가질 수 있다.

BERP 블레이드는 높은 마하 수치와 낮은 각도의 공격에서 스윕 팁 역할을 하는 최종 지오메트리를 사용하지만, 팁이 정지하지 않고 매우 높은 각도의 공격에서 작동할 수 있게 해준다. 이 후자의 속성은 팁의 가장 바깥쪽 부분(외측 2% 근사치)의 스위프를 어떤 유의한 각도의 공격 때문에 선행 에지 흐름 분리가 발생하는 값(70도)으로 급격하게 증가시킴으로써 얻어졌다.

선두 가장자리는 매우 높게 쓸리기 때문에, 이 선두 가장자리의 분리는 선두 가장자리에서 굴러 결국 (델타 날개 항공기에서처럼) 상부 표면 위에 놓여지는 소용돌이 구조로 발전한다. 이 메커니즘은 이 지역의 에어로포유의 선두 가장자리를 상대적으로 날카롭게 만들어줌으로써 강화된다.

공격 각도가 증가함에 따라 이 소용돌이는 플랑폼 형상을 따라 좀더 적당히 쓸려가는 영역으로 이어지는 선두 가장자리를 따라 한 점 더 멀고 더 전방으로 발달하기 시작한다. 충분히 높은 각도의 공격에서 소용돌이는 "노치" 지역 근처에 있는 선두 가장자리의 대부분 전방에서 시작될 것이다.

강력한 "노치" 소용돌이도 형성되고, 이 소용돌이는 칼날을 가로지르며 흐른다. 이 소용돌이는 공기역학적 울타리처럼 작용하며 흐름 분리 영역이 팁 영역으로 침입하는 것을 억제한다. 공격 각도의 추가 증가는 흐름이 완전히 분리될 때 매우 높은 공격 각도에 도달할 때까지(22도 부근!) 흐름 구조에 거의 변화를 주지 않는다. 기존의 팁 계획 양식의 경우, 유사한 총 흐름 파괴가 약 12도의 국부적 공격 각도에서 발생할 것으로 예상된다.

따라서 BERP 블레이드는 전진하는 블레이드에 대한 압축성 효과를 줄이고 후퇴하는 블레이드 스톨의 시작을 지연시킴으로써 두 세계를 최대한 활용한다. 최종 결과는 운항 비행 외피가 크게 증가한 것이다.

프로그램

초기 프로그램인 BERP I은 복합 로터 블레이드의 설계, 제조 및 적격성을 연구했다. 이로 인해 서랜드해왕의 새로운 메인 로터와 테일 로터 블레이드가 생산되었다. 첫 번째 프로그램에 이어 두 번째 프로그램인 BERP II는 미래의 로터 블레이드에 대한 고급 에어로포일 섹션을 분석했다. 이것은 BERP III 프로그램에 투입되었다.

BERP III 설계는 로터 블레이드의 바깥쪽 끝을 향해 노치를 가지며, 노치의 안쪽에 비해 블레이드의 끝에서 끝까지 스윕백의 양이 더 많다.[2] BERP III는 웨스트랜드 링스 헬리콥터의 기술 시연으로 절정을 이루었다.[3] 1986년, 스링스가 특별히 개조하여 G-LYNX를 등록하고 트레버 에긴튼이 조종한 것은 400.87km/h(249.09mph)에 도달함으로써 15, 25km 코스를 넘는 헬리콥터의 절대 속도 기록을 세웠다.[2] 성공적인 기술 시연에 따라 BERP III 블레이드가 생산에 들어갔다.

BERP IV는 새로운 에어로포유, 수정된 블레이드 팁 모양 및 증가된 블레이드 트위스트 사용. 29시간의 시험 결과, "로터 비행-엔벨로터 성능 향상, 호버 및 전진 비행에서의 전력 수요 감소, 다양한 이륙 중량에 대한 기체 및 엔진 진동 감소"[4]가 확인되었다. 또한 "로터 허브 로딩은 현재 EH101 헬리콥터에 장착된 BERP III 블레이드와 동일하거나 적은 것으로 확인되었다."[4] 납 가장자리 침식을 방지하기 위해 블레이드는 영국 해군 시 킹스에 사용되는 폴리우레탄 대신 고무로 만든 테이프를 사용할 것이다. 테스트 결과 39분보다 195분 더 오래 지속되는 것으로 나타났다. 그 프로그램은 2007년[4] 8월에 끝났다.

BERP 기술의 응용

현재 애플리케이션:

  • BERP III:
아구스타웨스트랜드 AW101
업그레이드된 웨스트랜드 슈퍼 링스
  • BERP IV:
아구스타웨스트랜드 AW101
VH-71 케스트렐

참조

  1. ^ "Martin Lowson (Obituary)" (Preview only). The Times. London. 12 August 2013. Retrieved 27 November 2015.
  2. ^ a b J. Gordon Leishman "ENAE 632 - 영국 실험 로터 프로그램(BERP) 블레이드 2007-08-21 웨이백 머신에 보관", College Park, Retried 2010년 4월 11일 검색됨
  3. ^ 해리슨, 스테이시, 핸스포드 "BERP 4 고급 로터 블레이드의 설계, 개발 및 테스트" 미국 헬리콥터 협회 64차 연례 포럼, 2008년 4월 29일 – 5월 1일
  4. ^ a b c Coppinger, Rob (22 May 2007). "BERP IV gives Merlins more payload". flightglobal.com. Retrieved 27 November 2015.

추가 읽기

  • 브로클허스트, 앨런 AIAA-1990-3008, "영국 실험 로터 프로그램 블레이드의 실험 및 수치 연구" AIAA, 1990.

외부 링크