KR101978727B1 - 회전익기용 테일 붐의 섹션들을 최적화하는 방법 - Google Patents

회전익기용 테일 붐의 섹션들을 최적화하는 방법 Download PDF

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레그라스 굴리우미
루스닉 데비
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에어버스 헬리콥터스
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Abstract

본 발명은 회전익기용 테일 붐(10)의 섹션들을 최적화하는 방법과, 또한 그러한 섹션들을 포함하는 테일 붐(10)에 관한 것이다. 상기 방법은 네거티브 리프트(FD)를 최소화하는 것 및/또는 상기 테일 붐(10) 위를 흐르는 상기 항공기의 메인 로터로부터의 공기 흐름에 의해 발생된 측면 힘(FL)을 증가시키는 것에 우선 순위를 주는 테일 붐(10)에 관한 표준 섹션들을 특징으로 하는 데이터베이스를 생성하는 단계, 상기 테일 붐(10)에 관해 찾아진 공기역학적 특징과 구조적 특징을 확립하는 단계, 및 상기 표준 섹션들과, 상기 찾은 공기역학적 특징 및 구조적 특징의 함수로서 상기 테일 붐(10)의 상기 섹션들을 정의하는 단계를 포함한다. 이러한 식으로 정의된 테일 붐(10)은 네거티브 리프트(FD)의 감소 및/또는 상기 메인 로터로부터의 상기 공기 흐름에 의해 발생된 측면 힘(FL)의 증가를 최적화한다.

Description

회전익기용 테일 붐의 섹션들을 최적화하는 방법{A METHOD OF OPTIMIZING SECTIONS OF A TAIL BOOM FOR A ROTARY WING AIRCRAFT}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 본 명세서에 전문이 참조로서 통합되고, 2016년 7월 28일에 출원된 FR 16 01160의 이익을 주장한다.
본 발명은 항공기와, 특히 회전익기에 관한 동체 요소들의 분야에 관한 것이다. 본 발명은 회전익기용 테일 붐(tail boom)의 섹션들을 최적화하는 방법과, 또한 이러한 방식으로 얻어진 테일 붐, 및 그러한 테일 붐이 제공된 항공기에 관한 것이다.
회전익기는 주로 고속 순항 비행시와 저속으로 비행시 모두, 그리고 특히 호버(hover) 비행하는 그것들의 이동 능력 면에서 다른 동력 구동되는 항공기와는 상이한 비행 기계이다. 이러한 능력은 항공기에 제공되는 실질적으로 수직인 회전축을 가지는 적어도 하나의 회전익을 사용함으로써 이동 가능하게 된다. 그러한 회전익은 항공기의 동체 위에 놓여 있고, "메인 로터(main rotor)"라고 부른다. 이러한 메인 로터는 복수의 블레이드(blade)를 가지고, 항공기의 파워 플랜트(power plat)에 의해 회전 구동된다. 이러한 메인 로터는 항공기에 그것의 양력 및 추진력의 적어도 일부를 제공한다.
회전익기는 일반적으로 3개의 바람직한 방향, 즉 항공기의 앞에서부터 항공기의 뒤쪽으로 연장하는 세로 방향(X); 세로 방향(X)에 수직으로 위쪽으로 연장하는 높이 방향(Z); 및 세로 방향(X)과 높이 방향(Z)에 수직으로 좌측에서부터 우측으로 연장하는 가로 방향(Y)으로 그 특징이 정해진다.
이러한 세로 방향(X)은 항공기의 롤(roll) 축이고, 가로 방향(Y)은 그것의 피치 축이며, 높이 방향(Z)은 그것의 요(yaw) 축이다. 메인 로터의 회전축은 실질적으로 항공기의 요 축에 가깝다.
항공기를 그것의 요 축에 대하여 평형 상태를 보장하기 위해, 항공기에는 요 축 주위에서 토크를 생성하는 안티-토크(anti-touque) 장치가 제공된다. 이러한 토크는 첫 번째로는 로터 토크에 대항하여 균형을 맞추는 역할을 하고, 두 번째로는 특히 호버링 비행 동안에 요 축 주위에서 항공기을 조종할 수 있게 하는 역할을 한다.
안티-토크 장치들에 관한 다양한 구성이 회전익기에 관해 존재하고 있다.
예를 들면, 하나의 안티-토크 장치는 항공기의 테일 붐의 끝에서, 일반적으로 항공기의 뒤에 위치한 보조 로터로 구성된다. 이러한 보조 로터는 항공기의 파워 플랜트에 의해 회전 구동된다. 안티-토크 장치는 또한 주로 가로 방향으로 지향되고(directed) 일반적으로 항공기의 테일 붐 끝 또는 그러한 테일 붐을 따라서 위치하는 공기의 제트(jet)로 구성될 수 있다. 이들 2가지 예에서, 안티-토크 장치는 항공기의 테일 붐 상에 가로 힘을 생성하고, 그 결과로서 요 축 주위에 토크를 발생시킨다.
또 다른 예에서는, 안티-토크 장치가 항공기의 동체의 어느 한쪽에서 가로로 위치한 2개의 프로펠러로 구성된다. 이들 2개의 프로펠러는 항공기의 파워 플랜트에 의해 회전 구동되고 세로 힘들을 발생시킨다. 그러므로 이들 2개의 프로펠러는 그러한 항공기의 비행 단계(stage)에 따라서, 항공기에 그것의 추진력 일부 또는 전부를 제공한다. 프로펠러들 각각에 의해 각각 생성되는 세로 힘들 사이의 차이는 요 축 주위에 토크를 발생시키는 역할을 한다.
사용된 안티-토크 장치가 무엇이든간에, 요구된 토크를 생성하기 위해서는 안티-토크 장치에 기계적 파워를 제공하는 것이 필수적이다. 게다가 안티-토크 장치를 구동하는 기계적 파워는, 메인 로터를 회전 구동하기 위해 필요한 기계적 파워이다. 그러므로 항공기의 파워 플랜트는 메인 로터와, 안티-토크 장치를 동시에 구동할 수 있게 하기 위해 충분한 기계적 파워를 공급할 필요가 있다.
게다가, 항공기는 동체를 구성하고 메인 로터를 운반하는 중앙 에어프레임(airframe)을 가진다. 중앙 에어프레임은 실질적으로 항공기의 전후방향 대칭 평면을 따라서, 항공기의 뒤쪽으로 세로로 연장하는 테일 붐에 의해 연장된다. 이러한 테일 붐은 항공기에 안정성을 제공하는 역할을 하는 수평 안정화기와 수직 핀(fin)과 같은 공기역학적 요소들과 함께, 보조 로터와 같은 안티-토크 장치를 운반할 수 있다.
더욱이, 테일 붐은 최대 길이에 걸쳐 세로로, 그리고 최대 높이에 걸쳐 높이 방향(Z)으로 연장한다. 마지막으로, 테일 붐은 최대 두께에 걸쳐 옆으로 연장하고, 하나의 플랭크(flank)로부터 제2 플랭크 쪽으로 테이퍼져 있다.
테일 붐의 최대 높이는 일반적으로 그것의 최대 두께보다 크다. 그렇지만, 예컨대 항공기가 지면에 있을 때 그러한 지면 위의 충분한 높이에 테일 붐을 배치하기 위해, 또는 실제로는 테일 붐과 항공기의 동체를 통합하는 이유들 때문에, 테일 붐에 관한 특정 구성은 그것의 최대 높이가 그것의 최대 두께 이하가 될 것을 요구할 수 있다.
따라서, 그러한 테일 붐은 때때로 두꺼운 윙(wing)으로서 생각될 수 있다. 구체적으로, 이러한 테일 붐의 상대적 두께는 종종 크고 0.2보다 크며, 이 경우 상대적인 두께는 그것의 최대 두께를 그것의 최대 높이로 나눈 몫에 대응한다.
이러한 상대적 두께는 테일 붐이 기계적 강도를 가지고 공기역학적 요소들과 만약 있다면 보조 로터를 운반하기에 적합한 모드 배치를 가지는 것을 보장하기 위해 중요하다. 더욱이, 그러한 큰 상대적 두께는 항공기가 옆으로 이동하는 동안 테일 붐의 항력(drag)을 감소시키는 것을 가능하게 한다.
게다가, 이러한 상대적 두께는 일반적으로 항공기의 세로 방향에서 테일 붐을 따라서 변한다. 구체적으로, 이러한 테일 붐은 항공기의 동체에 가까울수록 보통 더 두꺼운, 즉 더 큰 두께를 가지고, 항공기의 뒤쪽으로 가면서 점점 가늘어지는데, 즉 더 적은 두께를 가진다. 예를 들면, 상대적 두께는 동체에 더 가까운 부분에서의 130%로부터 테일 붐의 뒤쪽 단부에서 50%까지 변할 수 있다.
그러한 상태에서, 비행시 회전하는 메인 로터를 통과하는 기류는 테일 붐의 상부와 충돌할 수 있다. 이러한 메인 로터를 통과하는 공기 흐름은 아래에서 더 간단하게 "기류(air stream)"라고 불린다.
그럴 경우 이러한 상부는 기류에 대해 테일 붐의 리딩 에지(leading edge)를 구성한다. 반대로, 테일 붐의 바닥부에는 트레일링 에지(trailing edge)가 존재한다. 다시 말해, 테일 붐의 리딩 에지는 높이 방향(Z)으로 테일 붐의 가장 높은 포인트를 구성하고 메인 로터를 향하는데 반해, 프로필의 트레일링 에지는 이러한 높이 방향(Z)에서 YZ 평면에서의 프로필의 섹션의 가장 낮은 부분을 나타낸다.
그러한 상황에서, 기류는 본질적으로 호버링 비행의 단계 동안에 또는 상승 비행의 단계 동안과 같은 저속 전진으로 비행하는 단계 동안에 테일 붐에 강하게 충돌한다. 마찬가지로, 그러한 기류는 저속으로 옆으로 비행하는 단계 동안에 테일 붐에 강하게 충돌한다.
구체적으로, 이러한 다양한 비행 단계들 동안에, 항공기의 움직임으로 인한 낮은 공기 속도는 테일 붐으로부터 기류를 멀리 움직이기에는 충분하지 않다. 보통, 이러한 항공기의 낮은 속도는 특히 항공기와 그것의 무게에 따라서, 약 30노트(kt) 내지 40kt의 제한 속도보다 낮은 속도이다.
그에 반해, 더 빠른 세로 전진 속도로부터, 항공기의 전진 속도의 결과로서 메인 로터의 기류가 공기에 의해 뒤쪽으로 굴절되고, 그런 다음 항공기의 테일 붐에 맞닿아 거의 충돌하지 않거나 전혀 충돌하지 않는다.
그렇지만, 제한 속도보다 빠른 그러한 전진 속도로 측면 비행하는 동안에는 테일 붐이 항공기의 움직임에 의해 발생되고 "무한 흐름(infinite stream)"이라는 용어로 불리는, 또 다른 기류에 의해 충돌이 일어난다.
호버링 비행과, 느린 전진 속도로 비행하는 단계들 동안에는 기류가 테일 붐의 리딩 에지와 충돌하여, 테일 붐 둘레를 회전하는 공기의 2개의 흐름으로 분리된다. 그러므로 이들 2개의 공기 흐름은 테일 붐의 양 사이드(side) 위를 지나가고, 이로 인해 테일 붐 상에서 공기역학적 힘들을 발생시킨다. 이들 공기역학적 힘들은 횡 방향(Y)에서의 공기역학적 양력과 높이 방향(Z)에서의 공기역학적 항력을 포함한다. 이러한 공기역학적 양력은 아래에서 "측면 힘(lateral force)"이라고 불리고, 공기역학적 항력은 "네거티브 양력(negative lift)"이라고 불린다.
이러한 측면 힘은 테일 붐을 옆으로 움직이는 경향이 있고, 이로 인해 항공기의 요 축 주위에서 토크를 발생시킨다. 그럴 경우 그러한 측면 힘은 추가적이거나 또는 항공기의 안티-토크에 의해 생성된 메인 토크와 맞서는 토크를 발생시킬 수 있다. 그러므로 그러한 측면 힘은 그것이 발생시키는 토크가 메인 토크에 추가되는 것일 때 항공기에 관해 유익할 수 있다. 그럴 경우 측면 힘은 안티-토크 장치에 공급된 기계적 파워를 감소시키고, 따라서 메인 로터에 이용 가능한 잉여 기계적 파워를 만드는 것을 가능하게 한다.
그에 반해, 발생시키는 토크가 안티-토크 장치로부터 메인 토크에 반대되는 것일 때에는 그러한 측면 힘이 불리하게 된다. 이러한 안티-토크 장치는 더 많은 기계적 파워를 소비하고, 따라서 이는 메인 로터에 이용 가능하지 않다.
이러한 측면 힘의 방향과 크기는 테일 붐의 섹션들의 모양과, 또한 메인 로터로부터의 기류의 크기 및 방향에 의존한다. 구체적으로, 메인 로터의 회전에 의해 발생된 기류는 호버링 비행 동안 또는 실제로는 저속 전진 비행 동안에 순수하게 수직인 방향으로 테일 붐에 맞닿아 충돌하지 않고, 메인 로터의 회전으로 인해 측면 성분이 더해진 수직 성분과 충돌한다.
기류의 측면 성분과 동일한 방향으로 항공기가 측면 비행하는 동안에는, 그 측면 성분이 부분적으로 또는 완전히 상쇄될 수 있거나 또는 심지어 항공기의 측면 속도가 충분하다면 거꾸로 될 수 있다. 대조적으로 이러한 기류의 측면 성분은, 그러한 측면 성분에 반대인 방향으로 항공기의 측면 비행이 일어날 때 확대될 수 있다.
더욱이, 네거티브 양력은 테일 붐을 그리고 따라서 항공기의 동체를 아래쪽으로 움직이는 경향이 있고, 따라서 이러한 네거티브 양력이 항상 메인 로터에 의해 발생된 양력과 맞서서 불리해진다. 그러므로 이러한 네거티브 양력은 항공기의 상승률과 항공기의 페이로드(payload)를 감소시키는 경향이 있다.
게다가, 세로로 또는 옆으로의, 호버링 비행 단계들과 저속 전진의 비행 단계들은 파워의 측면에서 매우 많은 요구를 하는 단계들이다. 구체적으로 말하면, 이들 비행 단계들 동안에 메인 로터로부터의 기류가 테일 붐에서 가장 큰 공기역학적 힘들을 발생시키는 것이 관찰된다.
그러므로 이들 공기역학적 힘의 불리하게 하는 효과들을 제한하고, 항공기의 안티-토크 장치에 더해지는 측면 힘을 증강시키고/증강시키거나 네거티브 양력을 최소화하는 것이 유리하다. 그럴 경우 최대 파워는 이들 비행의 요구 단계들 동안에 메인 로터에 관해 이용 가능하게 될 수 있어서, 이로 인해 품질이 떨어지는 것을 피하고, 가능하게는 심지어 항공기의 성능, 그리고 특히 그것의 페이로드를 향상시키는 것을 가능하게 한다.
더욱이, 기류는 메인 로터의 회전에 의해 강제되는 것이기 때문에, 테일 붐의 모양은 이들 공기역학적 힘의 크기 및/또는 방향을 수정하는 것을 가능하게 하는 파라미터이다. 그렇지만, 이들 불리하게 하는 효과들을 제한하기 위해, 항공기의 테일 붐의 모양을 수정하는 것은 달성하기가 복잡하고 어려운 것으로 발견될 수 있다.
더 구체적으로는 YZ 평면에서 테일 붐의 섹션들을 수정하는 것은 항공기의 비행 품질에 손해가 되어서는 안 되고, 특히 측면 비행 동안에 항공기의 거동 품질을 상당히 떨어뜨려서는 안 된다.
테일 붐에 대한 구조상 수정은 또한 진동 문제들, 그리고 특히 원치않는 공진을 일으킴으로써 테일 붐의 동적 거동을 수정할 수 있다.
마찬가지로, 테일 붐에 대한 수정은 핀, 안정화기, 및 보조 로터와 같이 무거울 수 있는 공기역학적 요소들을 운반하는 테일 붐의 능력을 떨어뜨려서는 안 된다. 특허 문서 US6352220에서 설명된 것처럼, 오리피스(orifice)들을 추가함으로써 테일 붐을 수정하는 것은 테일 붐 안쪽에 위치한 채널에서 로터로부터의 기류의 흐름의 부분이 발생하게 할 수 있고, 그것은 테일 붐의 구조상 강도와, 또한 연관된 모드 배치에 관해 문제가 될 수 있다.
무거울 수 있는 추가적인 공기역학적 표면들을 추가하는 것은 또한 항공기의 무게중심을 수정하는 역할을 할 수 있고, 따라서 비행 중에 항공기의 공기역학적 거동을 수정하는 역할을 할 수 있다. 예를 들면, 특허 문서 EP0099185는 기류가 테일 붐으로부터 분리되는 것을 가능하게 하기 위해, 테일 붐의 상부 1/4에서, 테일 붐의 측면 플랭크를 따라서 위치한 전향 장치(deflector)를 가지는 테일 붐을 설명한다.
특허 문서 RU2281227과 US5209430은 2개의 전향 장치를 구비한 테일 붐을 설명하고, 그러한 전향 장치는 측면 힘을 생성하기 위해 각각 테일 붐의 측면 플랭크들을 따라서 위치하고 있다.
특허 문서 US8074920은 기류가 옆으로 향하게 하기 위해, 상부에는 전향 장치를 가지고 하부에는 1개 또는 2개의 핀을 가지는 테일 붐을 설명한다.
이들 3개의 특허 문서는 항공기의 요 제어를 향상시키기 위해, 하지만 테일 붐의 네거티브 양력에 임의의 상당한 긍정적인 효과 없이, 메인 로터에 의해 항공기의 동체에 유도된 토크에 맞서는 경향이 있는 테일 붐을 설명한다.
특허 문서 US4809930은 실질적으로 평평한 바닥부가 있는 탄알 모양 섹션의 테일 붐을 설명한다. 이러한 테일 붐의 상부는 또한 항공기의 가로 안정성을 향상시키면서 네거티브 양력을 감소시키기 위해, 테일 붐의 뒤쪽으로 더 점점 가늘어져 있다.
특허 문서 WO2012/039702와 UD2012/280079는 네거티브 양력을 최소화하면서 측면 힘을 발생시키기 위한 얇은 끝이 점점 가늘어지는 테일 붐을 제공한다. 이러한 테일 붐에는 특히 측면 힘을 수정하기 위해 그것의 트레일링 에지에서 움직일 수 있는 플랩(flap)이 제공될 수 있다.
더욱이, 특허 문서 US8985503은 측면 힘을 증가시키기 위해, 테일 붐이 플랭크 상에 배치된 전향 장치와 함께 테일 붐에 관한 비대칭 프로필을 사용하는 것을 설명한다.
특허 문서 EP0524044는 테일 붐에서 형성되고 압축을 받는 유체가 공급된 슬롯을 가지는 안티-토크 장치를 통합하는 테일 붐을 묘사한다. 그러한 유체용 배출구는 메인 로터로부터의 기류를 전향시키는 역할을 하고, 이로 인해 전향 장치와 실질적으로 비슷한 방식으로 작용을 한다.
더욱이, 1992년에 H.L.Kelley, C.A.Crowelt, 및 J.C.Wilson에 의한 제목이 "Two-dimensional aerodynamic characteristics of several polygon-shaped cross-sectional models applicable to helicopter fuselages"인 문서 NASA TP3233, 2000년에 D.W.Banks와 H.L.Kelley에 의한 제목이 "Exploratory investigation of aerodynamic characteristics of helicopter tail boom cross-section models with passive venting"인 문서 NASA TP2000-210083, 및 1986년에 J.C.Wilson과 H.L.Kelley에 의한 제목이 "Aerodynamic characteristics of several current helicopter tail boom cross-sections including the effect of spoilers"인 문서 NASA TP2506이 또한 알려져 있다. 이들 특허 문서는 다양한 테일 붐 섹션들의 윈드 터널(wind tunnel) 연구들을 설명하는데, 이는 테일 붐에 대한 기류 일소(sweeping)의 발생률(incidence)에 의해 만들어진 측면 힘과 네거티브 양력에 대한 이들 섹션의 영향을 결정하기 위한 것이다.
문서 NASA TP3233는 테일 붐에 관한 9개의 상이한 다각형 섹션들을 비교한 것을 설명한다. 문서 NASA TP2000-210083은 로터로부터의 기류의 부분이 테일 붐 및/또는 전향 장치들 안쪽에서 흐르는 것을 가능하게 하는 개구들을 포함하는 2개의 테일 붐 섹션(사다리꼴 섹션과 타원형 섹션)을 비교한 것을 설명한다. 문서 NASA TP2506은 전향 장치들을 사용하는 3개의 기존 테일 붐 섹션을 비교한 것을 설명한다. 이들 전향 장치의 존재는 네거티브 양력을 동시에 증가시키면서 발생되는 측면 힘을 증가시키는 역할을 한다.
1993년에 T. Sreekanta Murthy에 의해 "Investigation on the use of optimization techniques for helicopter airframe vibrations design studies"라는 제목을 가지는 특허 문서는 동체와 테일 붐에 의해 발생되거나 전송되는 진동을 감소시킬 목적으로 테일 붐을 포함하는 회전익기 동체를 최적화하는 것에 적용 가능한 항공기 동체의 설계를 최적화하는 방법을 설명한다. 테일 붐의 섹션들은 특히 가변적인 설계로서 각각의 단면의 높이를 사용함으로써 최적화될 수 있다. 이러한 방법은 항공기의 테일 붐과 동체의 예비 모델의 섹션들을 최적화하는 것을 가능하게 하고, 이러한 예비 모델은 사전에 정해지며 상이한 높이를 갖는 복수의 섹션을 포함한다.
마지막으로, 본 발명의 기술적 배경은 또한 2010년 Ioannis A.Raptis에 의한 제목이 "Simplified rotor dynamics"인 문서와 2015년 Andras Sobester에 의한 제목이 "Aircraft aerodynamic design: geometry and optimization"인 문서를 포함한다.
그러한 상황에서, 테일 붐에 나타나는 네거티브 양력을 최소화하는 것 및/또는 측면 힘을 증가시키는 것은, 그러한 다수의 제약조건이 주어진 경우에는 어려울 수 있다.
그러므로 본 발명의 목적은 기대한(looked-for) 성과 기준을 따라서 테입 붐의 섹션들을 최적화하는 방법을 제안하는 것이다. 이러한 방법은 설계자가 네거티브 양력의 감소 또는 테일 붐에서 발생된 측면 힘의 증가를 증대시키는 것과, 실제로는 호버링 비행의 단계 또는 저속 전진 비행의 단계 동안에 측면 힘의 증가와 네거티브 양력의 감소를 결합하는 것 사이에서 선택하는 것을 가능하게 하기 위해, 적절한 공기역학적 특징들을 소유하고 있는 테일 붐을 정의하는 것을 가능하게 한다. 게다가, 본 발명은 또한 그러한 적절한 공기역학적 특징들을 포함하는 테일 붐과, 그러한 테일 붐이 제공된 항공기를 제공하려고 시도한다.
본 발명에 따르면, 적어도 하나의 메인 로터를 가지는 회전익기용 테일 붐의 선택을 최적화하는 방법은 다음 단계들, 즉
테일 붐의 "표준" 섹션들을 특징으로 하는 데이터베이스를 생성하는 단계;
특히 첫 번째로는 테일 붐 위를 흐르는 메인 로터로부터의 기류에 의해 발생된 네거티브 양력과 측면 힘 측면에서, 그리고 두 번째로는 테일 붐의 상대적 두께와 치수(dimension) 측면에서, 테일 붐의 기대한 공기역학적 구조적 특징들을 확립하는 단계; 및
네거티브 양력을 최소화하는 것 및/또는 테일 붐의 측면 힘을 최대화하는 것에 우선권을 주기 위해, "표준" 섹션들의 함수와, 테일 붐의 기대한 공기역학적 특징과 구조적 특징의 함수로서 테일 붐의 섹션들을 정의하는 단계를 포함한다.
그러한 테일 붐은 회전익기의 전후방향 평면을 따라서, 회전익기의 세로 방향(X)으로 연장한다. 테일 붐의 섹션 각각은 섹션의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 현(chord) c와, 현(c)에 직각이 되게 측정된 상기 섹션의 최대 두께(t)에 의해 세로 방향(X)에 대해 직각을 이루는 평면에서 정의된다.
예를 들면, 이러한 회전익기는 메인 로터와, 테일 붐의 끝에 배치된 보조 로터에 의해 형성된 안티-토크 장치를 가진다. 이러한 안티-토크 장치는 또한 항공기의 동체의 어느 한쪽에 배치된 2개의 추진 프로펠러에 의해 형성될 수 있다.
테일 붐의 섹션 각각의 리딩 에지는 메인 로터를 향하게 위치하고 있고, 트레일링 에지는 회전익기가 지면상에 서 있을 때 지면을 향하게 위치하고 있다. 메인 로터는 회전시 리딩 에지로부터 트레일링 에지 쪽으로 테일 붐 위를 휙 지나가는 기류를 구동하는 복수의 블레이드를 가진다. 메인 로터의 회전축은 실질적으로 회전익기의 요(yaw) 축과 일치한다.
회전익기와 연관된 주된 직사각형 XYZ 기준 프레임이 위에서 정의된다. 제2(UV) 기준 프레임이 테일 붐의 섹션 각각과 연관되고, 세로 방향(X)과 직각을 이루는 평면에 위치한다. 가로좌표 축(U)은 현(c)의 방향에 의해 정의되고, 세로좌표 축(V)은 최대 두께(t)의 방향에 의해 정의된다.
가로좌표 축(U)과 세로좌표 축(V)은 각각 높이방향(Z)과 횡단 방향(Y)에 평행할 수 있다. 그렇지만, 가로좌표 축(U)과 세로좌표 축(V)은 또한 각각 테일 붐의 각각의 섹션의 경사각에 따라서 높이방향(Z)과 횡단 방향(Y)에 대하여 경사질 수 있다.
전술한 바와 같이, 메인 로터로부터의 기류는 측면 힘과 네거티브 양력이라는 2개의 공기역학적 힘이 테일 붐 상에 나타나게 한다. 회전익기의 성능을 향상시키기 위해서는, 이들 공기역학적 힘들의 불리하게 하는 효과들을 제한하고, 따라서 네거티브 양력을 최소화하는 것 및/또는 회전익기의 안티-토크 장치의 효과에 더해지는 측면 힘을 최대화하는 것이 유리하다.
안티-토크 장치에 의해 맞서는 메인 로터의 로터 토크의 방향이 메인 로터의 회전 방향과 연관되는 것이 관찰된다.
구체적으로, 로터 토크는 메인 로터가 회전하게 하기 위해 사용된 구동 토크에 대한 회전익기의 메인 로터의 반응(reaction)으로 인한 것이다. 구체적으로, 로터 토크는 회전익기의 동체가 메인 로터의 회전 방향과 반대인 방향으로 요 축 주위에서 회전하게 하는 경향이 있다.
예를 들면, 위에서부터 볼 때 시계방향으로 도는 메인 로터의 경우, 로터 토크는 반시계 방향으로 형성된다. 구체적으로, 안티-토크 장치는 시계방향 토크와 측면 힘을 발생시킬 필요가 있고, 따라서 그것이 그러한 안티-토크 장치의 효과에 더해지는 시계방향 토크를 역시 발생시키도록 방향이 정해질 필요가 있다.
그렇지만, 네거티브 양력을 감소시키고 측면 힘을 증가시키는 것은 2개의 서로 반대되는 특징이다. 구체적으로, 네거티브 양력의 감소는 일반적으로 측면 힘의 감소를 가져오고, 반대로 측면 힘의 증가는 일반적으로 네거티브 양력의 증가를 가져온다.
측면 힘을 최대화하는 것은 일반적으로 안티-토크 장치의 파워 요구 사항을 제한하고, 따라서 메인 로터에 관해 이용 가능한 파워를 증가시키기 위해 선호된다. 그렇지만, 예컨대 다수의 수직 클라이밍(climbing) 비행을 수행하게 되는 항공기와 같은 특정 상황에서는, 메인 로터에 의해 필요한 파워를 직접 제한하도록 테일 붐의 네거티브 양력을 최소화하는 것이 더 유리할 수 있다.
그러므로 테일 붐의 표준 섹션들은 네거티브 양력을 최소화하는 것 및/또는 측면 힘을 최대화하는 것에 우선권을 주도록 정의된다.
게다가, 측면 힘의 이러한 최대화가 실제로 안티-토크 장치의 효과에 실제로 더해지도록 적절한 방향으로 측면 힘을 증가시키는 것이 적절하다. 구체적으로, 메인 로터로부터의 기류는 메인 로터의 회전 방향에 따라서 테일 붐에 맞닿아 다르게 부딪힌다. 따라서 테일 붐에서 발생된 측면 힘은 메인 로터의 회전 방향과 연관된다. 그러므로 주어진 테일 붐에 관해서, 메인 로터의 회전 방향을 반대로 하게 되면 일반적으로 측면 힘의 방향을 또한 반대로 하는 것이 관찰된다.
회전익기의 테일 붐은 보통 회전익기의 전후방향 평면에 대하여 대칭적이다. 대칭인 섹션들을 가지는 그러한 테일 붐은 주로 그것의 구성을 단순화하는 역할을 한다.
또한, 테일 붐은 비대칭적일 수 있고, 따라서 유리한 공기역학적 개선을 제공하는데, 특히 측면 힘을 증가시키고, 또한 그것의 프로필을 0이 아닌 입사각으로 테일 붐에 맞닿아 충돌하는 메인 로터로부터의 기류에 더 잘 적합하게 한다. 이와 대조적으로 그러한 비대칭인 테일 붐은 또한 구조적인 복잡성을 제공하고, 이러한 비대칭성은 선형이지 않은 회전익기의 전체 거동이 생기게 할 수 있다.
유리하게, 테일 붐의 섹션들을 최적화하기 위한 본 발명의 방법은 비대칭인 섹션들과 대칭인 섹션들을 정의하는 것에 동등하게 적용 가능하다. 그럴 경우 비대칭인 테일 붐의 거동은 다르고, 메인 로터의 회전 방향의 함수로서, 메인 로터로부터의 기류에 의해 충돌한 테일 붐의 사이드(side)에 따라서 대칭적이지 않고, 대칭인 테일 붐의 거동은 메인 로터의 회전 방향이 반대로 될 때에는 대칭적이다.
구체적으로, 주어진 공기역학적 특징과 구조적 특징을 제공하기 위해서, 대칭인 테일 붐의 섹션들이 정의되는 방식은 메인 로터의 회전 방향에 관계없이 동일하다. 그에 반해서, 메인 로터의 회전 방향이 비대칭인 테일 붐의 정의를 이끈 회전 방향에 대하여 반대일 때 비대칭인 테일 붐은 그것의 리딩 에지를 담고 있는 수직 평면 주위에서 거울 반사에 의해 수정될 필요가 있다.
비대칭인 표준 섹션의 치수는 측면 힘의 방향뿐만 아니라, 측면 힘의 크기와 네거티브 양력에 대해서도 영향을 미칠 수 있고, 실제로는 측면 힘의 방향이 반대로 되는 측면 비행의 속도에도 영향을 미칠 수 있다.
대칭이거나 비대칭이거나에 관계없이, 테일 붐의 섹션 각각은 또한 치수 범위(dimensional range)와 기계적 강도 구조적 범위를 따라야 한다. 구조적 범위들은 일반적으로, 테일 빔이 수직 핀 또는 수평 스태빌라이저와 같은 하나 이상의 공기역학적 요소들과 함께 테일 붐의 끝에 설치된 안티-토크 보조 로터를 가질 수 있고, 예컨대 자동 회전시 비상 착륙 동안 지면과 접촉하는 것을 잘 견딜 수 있게 하도록 정해진다. 첫 번째로는 보조 로터용 드라이브 샤프트와, 보조 로터의 블레이드의 피치를 수정하기 위한 요소들과 같은 기술적 요소들이 테일 붐 안쪽에 설치되게 할 수 있도록, 그리고 두 번째로는 테일 붐이 회전익기와 회전익기의 동체의 구성에 대해 설치되게 할 수 있도록 치수 범위들이 정해진다.
그러므로 데이터베이스는 대칭인 표준 섹션들과 비대칭인 표준 섹션들을 가진다.
그 결과, 그러한 데이터베이스는 테일 붐에 관한 4가지 타입의 표준 섹션을 가지는데, 첫 번째 타입의 표준 섹션은 대칭인 것이고, 두 번째 타입의 표준 섹션은 비대칭인 것이며, 첫 번째 타입과 두 번째 타입 모두 테일 붐의 측면 힘을 최대화하는 것이고, 세 번째 타입의 표준 섹션은 대칭인 것이며, 네 번째 타입의 표준 섹션은 비대칭인 것이고, 세 번째 타입과 네 번째 타입 모두 테일 붐의 네거티브 양력을 최소화하는 것이다.
이들 표준 섹션은 연구 및/또는 디지털 시뮬레이션의 결과로서 결정된다. 얻어진 결과들은 또한 예컨대 풍동에서 및/또는 비행시에서의 대상 시험에 의해 확인되고 다듬어질 수 있다.
예를 들면, 표준 섹션들은 공기역학적 최적화를 위한 반복적 연구의 결과로서 결정된다. 이들 연구는 첫 번째로는 주어진 프로필의 모양에 대한 측면 힘 및 네거티브 양력 공기역학적 힘을 평가하기 위한 2차원 프로필의 디지털 공기역학적 시뮬레이션과, 두 번째로는 프로필들에 관한 모양을 탐구하기 위한 수학적 알고리즘에 기초한 최적화 소프트웨어 사이의 결합에 기초한다. 다양한 주어진 프로필 모양과 연관된 디지털 시뮬레이션 도구에 의해 얻어진 측면 힘과 네거티브 양력 힘에 대한 정보의 결과로서, 최적화 도구는 특히 베지어 곡선(Bezier curve)을 사용하여 구성될 때 새로운 프로필 모양들을 결정한다. 이는 측면 힘들과 네거티브 양력을 최적화하려고 하는 것이다. 이들 새로운 모양은 디지털 시뮬레이션 도구를 가지고 평가될 수 있고, 이들 프로필 모양이 최종적으로 최적화될 때까지 반복적인 공정이 반복된다.
각 표준 섹션은 특히, 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 현(c)에 의해, 그리고 최대 두께(t)에 의해 제2(U,V) 기준 프레임에서 정해진다.
대칭적이고 테일 붐의 측면 힘을 최대화하는 제1 타입의 표준 섹션들에 관해서는, 표준 섹션의 최대 두께(t)가 메인 로터로부터의 기류의 흐름 방향에서 표준 섹션의 현(c)의 중앙으로부터 아래쪽에 배치된다. 그럴 경우 리딩 에지에 가까운 테일 붐의 존(zone)은 얇을 수 있는데 반해, 트레일링 에지에 가까운 존은 더 두꺼울 수 있으며, 이는 더 큰 측면 힘을 얻는데 있어서 유리하지만, 역시 매우 클 수 있는 네거티브 양력을 얻는 데 있어서 유리하다.
비대칭적이고 측면 힘을 최대화하는 제2 타입의 표준 섹션들에 관해서는, 그 최대 두께(t)가 현(c)의 중앙 가까이에 배치되는데 반해, 현(c)의 중앙으로부터 아래쪽에 있다. 이들 섹션이 비대칭이므로, 프로필의 2개의 측면 사이드는 상이한 곡률을 가지고, 따라서 프로필의 어느 한쪽에서 상이한 압력 분포를 발생시키는 것을 가능하게 하고, 그 결과로서 기대한 측면 힘을 발생시키는 것을 가능하게 한다.
예를 들면, 제1 사이드는 그것 위에서 기류가 지나가는 것을 가속화하고 따라서 흡입을 증가시키기 위해 적지 않은 곡률을 가질 수 있다. 제2 타입에 있어서는, 프로필의 곡률이 깨질 필요가 있고, 실제로는 과잉의 압력을 인가하는 큰 영역을 가지도록 실질적으로 편평해질 필요가 있다. 그러므로 2개의 사이드 사이의 압력 차이는 측면 힘을 최대로 하도록 최대화된다.
대칭적인 제3 타입의 표준 섹션과, 비대칭적인 제4 타입의 표준 섹션에 관해서는, 최대 두께(t)가 기류의 흐름 방향에서 현(c)의 중앙으로부터 위쪽으로 배치되고, 이러한 제3 타입의 표준 섹션과 제4 타입의 표준 섹션은 모두 테일 붐의 네거티브 양력을 최소화한다. 그럴 경우 트레일링 에지에 가까운 테일 붐의 존은 얇을 수 있고, 리딩 에지에 가까운 존은 더 두꺼우며, 그로 인해 상대적으로 작은 네거티브 양력이 나타나게 하지만, 또한 마찬가지로 매우 작을 수 있는 측면 힘이 나타나게 한다.
즉, 기류가 리딩 에지로부터 트레일링 에지 쪽으로의 테일 붐의 각 섹션 둘레에서 흐르는 상태에서, 표준 섹션의 최대 두께(t)는 기류의 흐름 방향에서 현(c)의 중앙으로부터 아래쪽으로 배치되는데 반해, 그 최대 두께(t)는 가로좌표 축(U)을 따라서 현(c)의 중앙과 트레일링 에지 사이에 있다.
마찬가지로, 표준 섹션의 최대 두께(t)는 그것이 가로좌표 축(U)을 따라서 현(c)의 중앙과 리딩 에지 사이에 있을 때 기류의 흐름 방향으로 현(c)의 중앙으로부터 위쪽으로 배치된다.
또한, "마스터 크로스 섹션(master cross-section)"이라고도 부르는 최대 두께(t)가 그것이 현(c)의 중앙으로부터 짧은 거리에 있을 때, 현(c)의 중앙에 가깝게 배치되는 것이 고려된다. 이러한 짧은 거리는, 예를 들면 테일 붐의 현(c)의 약 25%일 수 있다.
게다가, 테일 붐의 섹션을 그러한 섹션의 현(c)으로 나눈 최대 두께(t)의 비(t/c)는 그러한 테일 붐의 그러한 섹션의 상대적 두께를 그 특징으로 하고, 일반적으로 세로 방향(X)에서 회전익기의 테일 붐을 따라서 변한다. 이러한 비(t/c)는 일반적으로 회전익기의 테일 붐과 동체 사이의 접합부(junction)로부터 테일 붐의 뒤쪽 끝 쪽으로 가면서 감소한다. 이러한 비(t/c)는 그 중에서도 특히 테일 붐의 강성과 기계적 강도를 그 특징으로 한다. 이러한 비(t/c)는 또한 지면 위에서 높은 테일 붐와 같이, 회전익기의 구성에 의해서 영향을 받을 수 있는데, 이는 충분한 구조적 강도를 얻기 위해 작은 현(c)과, 따라서 큰 최대 두께(t)를 요구한다.
또한, 이러한 비(t/c)는 회전익기마다 매우 상이할 수 있다.
그러므로 테일 붐의 섹션들은 일반적으로 비(t/c)에 따라 상이하다. 따라서, 데이터베이스를 생성하는 단계 동안에 정해진 표준 섹션들은 또한 비(t/c)의 함수로서 정해질 수 있다.
각각의 표준 섹션은 바람직하게는 말단(extreme) 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)에 의해, 그리고 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)에 의해 정해진다. 이들 특징 포인트들은 예를 들면 각각의 표준 섹션의 리딩 에지에 부착될 수 있는 제2 (U,V) 기준 프레임에서 정해지고, 이 경우 가로좌표 축(U)은 리딩 에지로부터 트레일링 에지쪽으로 향해 있다. 가로좌표 축(U) 또는 세로좌표 축(V)을 따라 있는 1개의 단위(unit)는 현(c)과 같다.
제1 말단 특징 포인트(A0)는 트레일링 에지에 있고 좌표(1,0)를 가진다. 제2 말단 특징 포인트(A2)는 리딩 에지에 있고 좌표(0,0)를 가진다. 또한, 말단 특징 포인트(A1,A3)는 표준 섹션의 최대 두께(t)를 정의하고, 각각의 세로좌표인 -t(2.c)와 t(2.c)를 가지는데, 이 경우 세로좌표 축(V)을 따라 있는 단위는 현(c)이다. 이들 말단 특징 포인트(A1,A3)는 바람직하게는 동일한 가로좌표를 가진다.
말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)은 표준 섹션의 아우트라인(outline) 상에 있는데 반해, 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)는 표준 섹션의 이러한 아우트라인을 구성하기 위한 구성 포인트들이다. 그러므로 트레일링 에지와 제1 말단 포인트(A0)으로부터 시작해 가면서 표준 섹션의 아우트라인은 특징 포인트(A0,A01)에 의해 정해진 방향을 따라 중간 특징 포인트(A01) 쪽으로 진행하고, 특징 포인트(A02,A1)에 의해 정해진 방향을 따라 제2 말단 특징 포인트(A1)에 도달한다. 그 후, 제2 말단 특징 포인트(A1)로부터 시작해 가면서, 아우트라인은 특징 포인트들(A1,A11)에 의해 정해진 방향을 따르는 중간 특징 포인트(A11) 쪽으로 진행하고, 특징 포인트들(A12,A2)에 의해 정해진 방향을 따라 제3 말단 특징 포인트(A2)에 도달한다.
마찬가지로, 제3 말단 특징 포인트(A2)로부터, 표준 섹션의 아우트라인은 특징 포인트(A2,A21)에 의해 정해진 방향을 따르는 중간 특징 포인트(A21) 쪽으로 진행하고, 특징 포인트들(A22,A3)에 의해 정해진 방향을 따르는 제4 말단 특징 포인트(A3)에 도달한다. 마지막으로, 제4 말단 특징 포인트(A3)로부터 아우트라인은 특징 포인트들(A3,A31)에 의해 정해진 방향을 따르는 중간 특징 포인트(A31) 쪽으로 진행하고, 특징 포인트들(A32,A0)에 의해 정해진 방향을 따르는 제1 말단 특징 포인트(A0)에 되돌아간다.
데이터베이스는 첫 번째로는 제2 (U,V) 기준 프레임에서 정해진 말단 특징 포인트들(A1,A3)의 가로좌표에 관한 범위들을 정의하는 표들을 가질 수 있다. 이들 표는 또한 각각의 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)의 특징 값에 관한 범위들을 정의한다.
이들 특징 값들은 중간 특징 포인트들(A02, A11, A22, A31)의 가로좌표일 수 있고, 제2 (U,V) 기준 프레임에서의 중간 특징 포인트들(A01, A11, A12, A32)의 세로좌표일 수 있다.
이들 특징 값들은 또한 중간 특징 포인트의 어느 한쪽에서의 2개의 말단 특징 포인트 사이의 거리에 대해서 각각의 중간 특징 포인트를 정의할 수 있다. 그 결과, 그러한 특징 값은 제2 (U,V) 기준 프레임에서 중간 특징 포인트들(A02, A11, A22, A31)의 가로좌표들을 얻기 위해 가로좌표 축을 따라서 중간 특징 포인트의 어느 한쪽에서 이들 2개의 말단 특징 포인트 사이의 거리가 곱해질 필요가 있고, 제2 (U,V) 기준 프레임에서 중간 특징 포인트들(A11, A12, A21, A32)의 세로좌표들을 얻기 위해 세로좌표 축을 따라서 중간 특징 포인트 각각의 어느 한쪽에서 2개의 말단 특징 포인트 사이의 거리가 곱해질 필요가 있다.
예를 들면, 중간 특징 포인트(A01,A02)에 관해서, 데이터베이스에서의 특징 값들은 각각 중간 특징 포인트(A01,A02)의 어느 한쪽에서 2개의 말단 특징 포인트(A0,A1) 사이의 가로좌표 축(U)과 세로좌표 축(V)을 따라서 거리들을 곱할 필요가 있다.
이들 범위는 표준 섹션의 각 타입에 관해 정해지고, 비(t/c)에 대해 정해지며, 낮은 값과 높은 값에 의해 경계가 정해진다.
제1 타입과 제3 타입의 대칭적 표준 섹션들은 메인 로터의 회전 방향과는 독립적이다. 그에 반해, 제2 타입과 제4 타입의 비대칭적 표준 섹션들은 메인 로터의 회전 방향에 따라 상이하다. 그러므로 위에서부터 볼 때 반시계 방향으로 회전하는 메인 로터에 관해 정해진 표준 섹션은 시계 방향으로 회전하는 메인 로터에 관한 동등한 표준 섹션을 정의하기 위해 세로좌표 축(V)에 대해 대칭이 되게 만들어질 필요가 있다.
예컨대 중간 특징 포인트(A01)의 가로좌표와 중간 특징 포인트(A02)의 세로좌표와 같이, 데이터베이스에 포함되지 않은 이들 특징 포인트들의 좌표는 설계자에 의해 정의될 수 있고/있거나 제작 강제사항에 의해 강제될 수 있다.
그렇지만, 데이터베이스에 포함되지 않은 이들 특징 포인트의 좌표들은 바람직하게는 각각의 말단 특징 포인트(A0, A1, A2, A3)에서 접촉(tangency) 강제사항에 의해 강제된다. 그러므로 각각의 중간 특징 포인트에 관해 분실한(missing) 좌표는 중간 특징 포인트에 인접하는 각각의 말단 특징 포인트의 동일한 좌표와 같다.
그 결과, 중간 특징 포인트(A02,A11)의 세로좌표는 말단 특징 포인트(A1)의 세로좌표와 같고, 중간 특징 포인트(A22,A31)의 세로좌표는 말단 특징 포인트(A3)의 세로좌표와 같다. 마찬가지로, 중간 특징 포인트(A01,A32)의 가로좌표는 말단 특징 포인트(A0)의 가로좌표와 같고, 중간 특징 포인트(A12,A21)의 가로좌표는 말단 특징 포인트(A2)의 가로좌표와 같다.
유리하게, 그럴 경우 표준 섹션의 아우트라인은 접선 연속적(tangent continuous)이다.
테일 붐의 각 섹션의 아우트라인은 바람직하게는 4차 베지어 곡선에 의해 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)을 함께 연결함으로써 닫히고, 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)은 각각의 베지어 곡선을 구성하기 위한 구성 포인트들이다. 그 결과, 테일 붐의 각각의 섹션의 아우트라인은 각각 첫 번째로는 말단 특징 포인트들(A0,A1), 그 다음에는 말단 특징 포인트들(A1,A2), 그 다음에는 말단 특징 포인트들(A2,A3), 그리고 마지막으로 말단 특징 포인트들(A3,A0)과 같이 쌍으로 된 말단 특징 포인트들을 상호 연결하는 4개의 베지어 곡선에 의해 정해진다.
그렇지만, 테일 붐의 각 섹션의 아우트라인은 또한 상이한 차수의 베지어 곡선 또는 실제로는 다항식 곡선과 같이 다른 타입의 곡선을 사용하는 말단 특징 포인트들을 함께 연결함으로써 형성될 수 있다.
그러므로 데이터베이스는 예를 들면 위에서부터 볼 때 반시계 방향으로 회전하는 메인 로터에 관한 표준 섹션들을 특징으로 하는 다음 표들을 포함할 수 있다. 제2 U,V 기준 프레임에서의 가로좌표는 글자 "u"에 의해 식별되고, 세로좌표는 글자 "v"에 의해 식별된다.
데이터베이스에 포함되지 않은 이들 특징 포인트의 좌표는 전술한 바와 같이, 말단 특징 포인트들(A1,A3)의 세로좌표에 관한 섹션의 최대 두께(t)와 연관된 강제사항에 의해 강제되고, 설계, 제작, 또는 실제로는 중간 특징 포인트들에 관한 접선과 연관된 강제사항에 의해 강제될 수 있다.
또한, 이들 중간 특징 포인트의 특징 값들은 다음 표들에 관한 중간 특징 포인트 각각의 어느 한쪽에서 2개의 말단 특징 포인트 사이의 거리에 대해서 정의된다.
데이터베이스는 테일 붐의 측면 힘을 최대화하고 대칭적인 제1 타입의 표준 섹션들에 관한 다음 표 1을 포함한다.
t/c value uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% low 0.55 0.6 0.1 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.1 -0.6
high 0.95 0.95 0.25 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.25 -0.95
60% low 0.55 0.6 0.1 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.1 -0.6
high 0.95 0.95 0.25 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.25 -0.95
70% low 0.55 0.6 0.08 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.08 -0.6
high 0.95 0.95 0.4 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.4 -0.95
80% low 0.55 0.6 0.1 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.1 -0.6
high 0.95 0.95 0.25 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.25 -0.95
90% - 130% low 0.55 0.6 0.1 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.1 -0.6
high 0.99 0.95 0.25 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.25 -0.95
데이터베이스는 테일 붐의 측면 힘을 최대화하고 비대칭적인 제2 타입의 표준 섹션들에 관한 다음 표 2를 포함한다.
t/c value uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% low 0.45 0.08 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.25 -0.1
high 0.75 0.25 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.45 -0.3
60% low 0.45 0.08 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.6 -0.1
high 0.75 0.25 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.95 -0.3
70% low 0.45 0.08 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.6 -0.1
high 0.75 0.25 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.95 -0.3
80% low 0.45 0.08 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.6 -0.1
high 0.75 0.25 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.95 -0.3
90% - 130% low 0.5 0.1 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.6 -0.1
high 0.99 0.6 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.95 -0.3
데이터베이스는 테일 붐의 네거티브 양력을 최소화하고 대칭적인 제3 타입의 표준 섹션들에 관한 다음 표 3을 포함한다.
t/c value uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% low 0.2 0.5 0.1 0.2 0.1 -0.1 0.2 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.4 0.4 -0.4 0.4 0.4 -0.9
60% low 0.2 0.5 0.1 0.3 0.1 -0.1 0.3 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.7 0.4 -0.4 0.7 0.4 -0.9
70% low 0.2 0.5 0.1 0.3 0.1 -0.1 0.3 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.7 0.4 -0.4 0.7 0.4 -0.9
80% low 0.2 0.5 0.1 0.4 0.1 -0.1 0.4 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.7 0.4 -0.4 0.7 0.4 -0.9
90% - 130% low 0.2 0.5 0.1 0.7 0.1 -0.1 0.7 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.95 0.4 -0.4 0.95 0.4 -0.9
마지막으로, 데이터베이스는 테일 붐의 네거티브 양력을 최소화하고 비대칭적인 제4 타입의 표준 섹션들에 관한 다음 표 4를 포함한다.
value uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
low 0.2 0.1 0.55 0.1 0.65 -0.65 0.1 0.65 -0.1
high 0.5 0.3 0.85 0.4 0.9 -0.9 0.25 0.9 -0.3
이러한 제4 타입의 표준 섹션에 관해서는, 이들 값이 비(t/c)와는 무관하다.
또한, 각각의 표준 섹션에 관한 측면 힘 또는 실제로는 네거티브 양력을 최적화하는 역할을 하는 바람직한 값들이 표준 섹션의 각각의 타입에 관한 이들 표로부터 도출될 수 있다.
그러므로 대칭적인, 제1 타입의 표준 섹션들에 관해서는 바람직한 값들이 다음과 같다:
t/c uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% 0.75 0.8 0.15 0.8 0.15 -0.15 0.8 0.15 -0.8
60% 0.77 0.8 0.15 0.8 0.15 -0.15 0.8 0.15 -0.8
70% 0.85 0.8 0.15 0.8 0.15 -0.15 0.8 0.15 -0.8
80% 0.85 0.8 0.15 0.8 0.15 -0.15 0.8 0.15 -0.8
90% - 130% 0.85 0.8 0.15 0.8 0.15 -0.15 0.8 0.15 -0.8
비대칭적인 제2 타입의 표준 섹션들에 관해서는 바람직한 값들이 다음과 같다:
t/c uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% 0.65 0.15 0.85 0.15 0.8 -0.8 0.15 0.35 -0.2
60% 0.6 0.15 0.85 0.15 0.8 -0.8 0.15 0.8 -0.2
70% 0.6 0.15 0.85 0.15 0.8 -0.8 0.15 0.8 -0.2
80% 0.6 0.15 0.85 0.15 0.8 -0.8 0.15 0.8 -0.2
90% - 130% 0.9 0.4 0.85 0.15 0.8 -0.8 0.15 0.8 -0.2
대칭적인 제3 타입의 표준 섹션들에 관해서는 바람직한 값들이 다음과 같다:
t/c uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% 0.3 0.7 0.2 0.3 0.25 -0.25 0.3 0.2 -0.7
60% 0.3 0.7 0.2 0.5 0.25 -0.25 0.5 0.2 -0.7
70% 0.3 0.7 0.2 0.5 0.25 -0.25 0.5 0.2 -0.7
80% 0.3 0.7 0.2 0.55 0.25 -0.25 0.55 0.2 -0.7
90% - 130% 0.3 0.7 0.2 0.8 0.25 -0.25 0.8 0.2 -0.7
마지막으로, 비대칭적인 제4 타입의 표준 섹션들에 관해서는 바람직한 값들이 다음과 같다:
uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
0.35 0.15 0.7 0.2 0.8 -0.8 0.2 0.8 -0.15
테일 붐의 섹션들을 최적화하는 이러한 방법 동안에, 그러한 테일 붐의 기대한 공기역학적 특징과 구조적 특징을 확립하는 단계가 수행된다.
기대한 공기역학적 특징은 특히, 테일 붐 위를 흐르는 메인 로터로부터의 기류에 의해, 그리고 회전익기와 그것의 주된 임무의 목적의 함수로서 발생된 측면 힘 및/또는 네거티브 양력의 면에서 회전익기의 필요를 정의한다. 예를 들면, 다수의 수직 클라이밍 비행을 수행해야 하는 회전익기에 관한 필요는 특히 네거티브 양력을 최소화하는 것에 있다. 마찬가지로, 다수의 호버링과 측면 비행을 수행해야 하는 회전익기에 관한 필요는 측면 힘을 최대화하기 위한 것이다.
기대한 구조적 특징들은 특히 단단함과 기계적 강도의 면에서, 그리고 또한 테일 붐의 설치 면에서, 그리고 특히 회전익기의 동체와 지면에 대한 그것의 위치 면에서 회전익기에 관한 필요를 정의한다. 그러므로 이들 기대한 구조적 특징은 테일 붐에 관한 치수 범위들과 기계적 강도 구조적 범위들을 정의하고, 테일 붐과, 그러한 테일 붐의 상이한 세로 섹션들에 관한 상대적 두께(t/c)에 관한 일반적인 치수들을 결정하는 것을 가능하게 한다.
마지막으로, 테일 붐의 섹션들을 최적화하는 이러한 방법 동안에, 테일 붐의 섹션들을 정의하는 단계가 수행된다. 섹션들은 이들 섹션을 최적화하기 위해, 데이터베이스에서의 표준 섹션들과, 테일 붐의 기대한 공기역학적 특징 및 구조적 특징의 함수로서 정의된다.
또한, 이러한 표준 섹션들은 테일 붐 둘레의 기류의 흐름을 수정하기에 적합하고, 따라서 테일 붐 상에 나타나는 공기역학적 힘들을 수정하기에 적합한, 전향 장치 또는 핀(fin)과 같은 임의의 공기역학적 부속물을 포함하지 않는다는 점을 알아야 한다.
그렇지만, 그러한 부속물은 측면 힘을 증가시키고/증가시키거나 네거티브 양력을 더 크게 감소시키기 위해, 테일 붐 섹션들을 최적화하기 위해 본 발명의 방법을 사용하여 정의된 테일 붐 상에 배치될 수 있다.
게다가, 보조 로터가 테일 붐의 끝에 있을 때에는, 그러한 보조 로터용 드라이브 샤프트가 테일 붐 안쪽에 배치된다. 구체적으로, 대부분의 일반적으로 사용된 테일 붐들과는 다르게, 테일 붐의 상부에서는 드라이브 샤프트용 보호 캡(cap)이 전혀 요구되지 않는다. 이와 같이 드라이브 샤프트용 보호 캡이 존재하지 않는 것은 테일 붐에 관한 양호한 공기역학적 성능을 증대시킨다.
본 발명은 또한 적어도 하나의 메인 로터를 가지는 회전익기용 테일 붐을 제공하는데, 이러한 테일 붐은 회전익기의 전후방향 평면을 따라서 세로 방향(X)으로 연장한다. 이러한 테일 붐은 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 현(c)에 의해 그리고 그러한 현(c)에 수직이 되게 측정된 최대 두께(t)에 의해 세로 방향(X)에 수직인 평면들에서 정의된 연속되는 섹션들로 구성된다.
테일 붐의 섹션들은 테일 붐에 관한 섹션들을 최적화하는 전술한 방법을 사용하여 정의된다. 그러므로 테일 붐의 이들 섹션은 미리 정해진 데이터베이스를 사용하여, 그리고 그러한 테일 붐의 기대한 공기역학적 특징과 구조적 특징의 함수로서 정의된다. 그러한 데이터베이스는 4가지 타입의 표준 섹션에서의 테일 붐에 관한 표준 섹션들을 특징으로 하고, 기대한 공기역학적 특징 및 구조적 특징은 치수 범위들과 기계적 강도 구조적 범위들을 정의하며, 테일 붐 위를 흐르는 메인 로터의 기류에 의해 발생된 네거티브 양력 및/또는 측면 힘 면에서의 필요의 수량을 나타낸다.
테일 붐 외에, 본 발명은 또한 복수의 블레이드가 제공된 적어도 하나의 메인 로터를 운반하는 동체를 가지는 회전익기를 제공한다. 이러한 동체는 회전익기의 전후방향 평면을 따라서 세로 방향(X)으로 연장하는 테일 붐에 의해 연장된다. 그럴 경우 이러한 테일 붐은 전술한 바와 같은 테일 붐이다.
본 발명과 본 발명의 장점은 예시를 통해 주어지는 예들의 이어지는 설명의 상황으로부터, 그리고 첨부 도면을 참조하여 더 상세하게 드러난다.
도 1과 도 2는 회전익기의 2개의 평면도.
도 3은 테일 붐 둘레의 기류의 흐름을 보여주는 도면.
도 4는 테일 붐 섹션들을 최적화하는 방법을 보여주는 요약도.
도 5는 테일 붐 섹션의 일 예를 보여주는 도면.
2개 이상의 도면에 존재하는 요소들은 그것들 각각에 동일한 참조 번호가 주어진다.
도 1과 도 2에서, 회전익기(1)는 위에서 본 것처럼 도시된다. 회전익기(1)는 동체(2), 테일 붐(10), 메인 로터(3), 및 안티-토크 보조 로터(4)를 포함한다.
메인 직사각형 (X,Y,Z) 기준 프레임이 회전익기(1)와 연관된다. 세로 방향(X)은 회전익기(1)의 앞에서부터 회전익기(1)의 뒤쪽으로 연장하고, 가로 방향(Y)은 세로 방향(X)에 수직이게 좌측에서부터 우측으로 연장한다. 높이 방향(Z)은 위쪽으로 연장하고, 세로 방향(X)과 가로 방향(Y)에 수직이다.
세로 방향(X)은 회전익기(1)의 롤(roll) 축이고, 가로 방향(Y)은 피칭(pitching) 축이며, 높이 방향(Z)은 요(yaw) 축이다.
메인 로터(3)는 동체 위에 있고, 실질적으로 수직인, 즉 높이 방향(Z)에 실질적으로 평행한 회전 축을 가진다. 메인 로터(3)에는 회전익기(1)의 파워 플랜트에 의해 회전 구동된 4개의 메인 블레이드(31)가 제공되고, 그것은 회전익기(1)에 추진력과 또한 양력을 제공하는 역할을 한다.
테일 붐(10)은 동체(2)에 연결되고, 동체(2)로부터 세로 방향(X)으로 연장하며 회전익기(1)의 뒤쪽으로 연장한다.
보조 로터(4)는 테일 붐(10)의 자유 단부(end)에 있고 그것의 회전 축은 가로 방향(Y)에 평행한, 실질적으로 수평이다. 보조 로터(4)는 또한 회전익기(1)의 파워 플랜트에 의해 회전 구동된다.
도 1에서, 메인 로터(3)는 시계 방향으로 회전하고 반시계 방향으로 작용하는 로터 토크(CR)가 메인 로터(3)의 회전 축 주위에서 동체(2)에 인가된다. 로터 토크(CR)의 균형을 맞추기 위해, 보조 로터(4)는 동체(2)의 좌측을 향한 가로 힘(Facp)을 발생시키고, 이로 인해 로터 토크(CR)와는 반대되는 메인 토크를 생성한다.
또한, 테일 붐(10)에는 시계 방향으로 회전하는 메인 로터(3)에 의해 발생된 기류가 휙 지나가고, 따라서 동체(2)의 좌측을 향한 측면 공기역학적 힘(FL)을 발생시키며, 이로 인해 메인 토크에 추가되는 토크를 생성한다.
도 2에서는, 메인 로터(3)가 반시계 방향으로 회전하고, 시계 방향으로 배향된 로터 토크(CR)가 메인 로터(3)의 회전 축 주위에서 동체(2)에 인가된다. 이러한 로터 토크(CR)의 균형을 맞추기 위해, 보조 로터(4)는 동체(2)의 우측으로 향한 가로 힘(Facp)을 발생시키고, 이로 인해 로터 토크(CR)와 반대되는 메인 로터를 생성한다.
게다가, 테일 붐(10)에는 반시계 방향으로 회전하는 메인 로터(3)에 의해 발생된 기류가 휙 지나가고, 따라서 동체(2)의 우측을 향한 측면 공기역학적 힘(FL)을 발생시키며, 이로 인해 메인 토크에 대해 추가적인 토크를 생성한다.
도 3은 테일 붐(10) 둘레에서의 기류의 흐름을 보여주는 도면이다. 도 3에서, 테일 붐(10)의 섹션은 회전익기(1)의 세로 방향(X)에 수직인 평면에서 회전익기(1)의 뒤쪽으로부터 보여진다. 이러한 기류는 도 1에 도시된 것처럼 호버링 비행 동안에 또는 회전익기(1)의 저속 전진 비행 동안에 시계 방향으로 회전하는 메인 로터(3)에 의해 발생된다. 이러한 기류는 메인 로터(3)를 향하게 위치한 리딩 에지(11)로부터 트레일링 에지(12) 쪽으로 테일 붐(10)을 휙 지나간다.
이러한 기류는 순수하게 수직인 방향으로 테일 붐(10)을 휩쓸고 지나가지 않고, 메인 로터(3)의 시계 방향 회전의 효과의 결과로서 우측에서부터 좌측으로 경사지는 방향으로 휩쓸고 지나가는 것을 볼 수 있다. 따라서, 테일 붐(10)의 우측과 좌측을 휩쓸고 지나가는 기류들은 동일하지 않다.
이들 기류 사이의 차이와, 테일 붐(10)의 섹션의 모양은 나타나는 측면 공기역학적 힘(FL)에 기여하는데, 이러한 힘은 가로 방향(Y)에서의 수평 힘이다. 또한, 네거티브 양력(FD)이라고 부르는, 아래쪽으로 향한 수직 공기역학적 힘이 또한 테일 붐(10)의 트레일링 에지에서 나타난다.
유리하게, 그리고 도 1과 도 2에 도시된 것처럼, 측면 힘(FL)은 보조 로터(4)에 의해 발생된 메인 토크에 더해지는 토크를 생성하고, 로터 토크(CR)의 균형을 맞추는데 기여한다. 따라서, 기계적 파워에 관한 보조 로터(2)의 필요는 감소되고, 그로 인해 회전익기(1)의 파워 플랜트가 메인 로터(3)의 회전 구동을 위한 추가적인 기계적 파워를 전달하는 가능하게 한다.
그렇지만, 테일 붐(10)의 섹션들의 모양과 기류의 배향에 따라서, 측면 힘(FL)이 보조 로터(4)가 발생시킨 메인 토크와 반대되는 토크를 생성할 수 있다. 따라서, 보조 로터(2)는 기계적 파워에 관한 증가된 필요를 가지고, 그로 인해 회전익기(1)의 성능에 불리한 영향을 미친다.
그에 반해, 항상 아래쪽으로 향하는 네거티브 양력(FD)은 항상 메인 로터(3)가 발생시킨 양력에 반대된다. 그러므로 이러한 네거티브 양력(FD)은 항상 회전익기(1)의 성능에 불리한 영향을 미친다.
도 5는 네거티브 양력(FD)을 최소로 하기 위해 최적화되고 대칭적인 섹션의 표준 타입에 대응하는 테일 붐(10)의 섹션의 예를 보여준다. 이러한 섹션은 테일 붐의 섹션들을 최적화하는 방법에 의해 정의되고, 이러한 방법은 도 4에 도시된 것처럼 요약된다.
도 5에서는 제2 (U,V) 기준 프레임이 테일 붐(10)의 섹션의 리딩 에지(11)와 연관되고 세로 방향(X)에 수직인 평면에 있다. 가로좌표 축(U)은 테일 붐(10)의 섹션의 현(c)의 방향에 의해 정의되고, 리딩 에지(11)로부터 높이 방향(Z)에 평행한 트레일링 에지(12)까지 연장한다. 세로좌표 축(V)은 테일 붐(10)의 섹션의 최대 두께(t)에 의해 정의되고, 가로 방향(Y)에 평행하다. 가로좌표 축(U)을 따라 그리고 세로좌표 축(V)을 따라 존재하는 하나의 단위는 현(c)과 같다.
테일 붐의 섹션들을 최적화하는 방법은 테일 붐의 "표준" 섹션들을 특징으로 하는 데이터베이스를 생성하는 단계(101)를 포함한다. 이러한 데이터베이스는 연구들과 수치 시뮬레이션의 결과로서 확립되었고, 그 후 시험(testing)에 의해 확인되었다.
이러한 데이터베이스는 테일 붐(10)에 관한 4가지 타입의 표준 섹션, 즉 모두 측면 힘(FL)을 최대로 하는, 대칭적인 제1 타입의 표준 섹션들과 비대칭적인 제2 타입의 표준 섹션들, 그리고 모두 네거티브 양력(FD)을 최소로 하는, 대칭적인 제3 타입의 표준 섹션들과 비대칭적인 제4 타입의 표준 섹션들을 포함한다.
각각의 표준 섹션은 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)에 의해, 그리고 제2 (U,V) 기준 프레임에서 정의된 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)에 의해 정의된다. 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)은 표준 섹션의 아우트라인에 위치하고, 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)은 그러한 아우트라인을 구성하기 위한 포인트들이다. 테일 붐(10)의 각 섹션의 아우트라인은 도 5에 도시된 것처럼, 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)의 쌍들을 함께 각각 연결하는 4차 베지어 곡선에 의해 정의된다.
그러므로 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)은 각각의 베지어 곡선을 위한 구성 포인트들로서, 첫 번째로는 아우트라인의 모양을 정의하고, 두 번째로는 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3) 각각에서의 아우트라인의 접선을 정의한다. 예를 들면, 그러한 섹션의 모양은 각각의 중간 특징 포인트가 부착되는 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)로부터 더 멀리 있거나 더 가깝게 있는지에 따라서 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3) 각각에서 다소 길게 되어있다. 테일 붐의 각각의 섹션의 아우트라인은 또한 다른 타입의 다항식 곡선에 의해 말단 특징 포인트들을 함께 연결함으로써 형성될 수 있다.
데이터베이스는 첫 번째로는 말단 특징 포인트들(A0,A3)의 가로좌표들에 관해, 그리고 두 번째로는 각각의 타입의 표준 섹션에 관해 중간 특징 포인트들(A01, A11, A12, A32)과 동일한 세로좌표들을 가지는 중간 특징 포인트들(A02, A11, A22, A31)의 가로좌표들의 특징 값들에 관한 범위들을 정의하는 다음 표들을 포함한다.
말단 특징 포인트들(A1,A3)의 가로좌표들은 제2 (U,V) 기준 프레임에서 직접 정의된다. 중간 특징 포인트들의 특징 값들은 중간 특징 포인트 각각의 어느 한쪽에서 각각 2개의 말단 특징 포인트 사이의 거리에 대해서 정의된다.
이들 범위와, 따라서 이들 표준 섹션은 섹션의 현(c)에 의해 나누어진 테일 붐(10)의 섹션의 최대 두께(t)의 비(t/c)의 함수이다. 이러한 비(t/c)는 테일 붐의 이러한 섹션의 상대적 두께를 그 특징으로 하고, 일반적으로 회전익기(1)의 세로 방향(X)에서 테일 붐(10)을 따라 변한다.
아래 표 9는 대칭적이고 테일 붐의 측면 힘(FL)을 최대로 하는 제1 타입의 표준 섹션들에 관한 것이다:
t/c value uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% low 0.55 0.6 0.1 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.1 -0.6
high 0.95 0.95 0.25 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.25 -0.95
60% low 0.55 0.6 0.1 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.1 -0.6
high 0.95 0.95 0.25 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.25 -0.95
70% low 0.55 0.6 0.08 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.08 -0.6
high 0.95 0.95 0.4 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.4 -0.95
80% low 0.55 0.6 0.1 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.1 -0.6
high 0.95 0.95 0.25 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.25 -0.95
90% - 130% low 0.55 0.6 0.1 0.6 0.08 -0.08 0.6 0.1 -0.6
high 0.99 0.95 0.25 0.95 0.25 -0.25 0.95 0.25 -0.95
아래 표 10은 비대칭적이고 테일 붐의 측면 힘(FL)을 최대로 하는 제2 타입의 표준 섹션들에 관한 것이다:
t/c value uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% low 0.45 0.08 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.25 -0.1
high 0.75 0.25 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.45 -0.3
60% low 0.45 0.08 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.6 -0.1
high 0.75 0.25 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.95 -0.3
70% low 0.45 0.08 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.6 -0.1
high 0.75 0.25 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.95 -0.3
80% low 0.45 0.08 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.6 -0.1
high 0.75 0.25 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.95 -0.3
90% - 130% low 0.5 0.1 0.6 0.08 0.6 -0.6 0.08 0.6 -0.1
high 0.99 0.6 0.95 0.25 0.95 -0.95 0.25 0.95 -0.3
아래 표 11은 대칭적이고 테일 붐의 네거티브 양력(FD)을 최소로 하는 제3 타입의 표준 섹션들에 관한 것으로, 그러한 섹션의 예는 도 5에 도시되어 있다:
t/c value uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
50% low 0.2 0.5 0.1 0.2 0.1 -0.1 0.2 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.4 0.4 -0.4 0.4 0.4 -0.9
60% low 0.2 0.5 0.1 0.3 0.1 -0.1 0.3 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.7 0.4 -0.4 0.7 0.4 -0.9
70% low 0.2 0.5 0.1 0.3 0.1 -0.1 0.3 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.7 0.4 -0.4 0.7 0.4 -0.9
80% low 0.2 0.5 0.1 0.4 0.1 -0.1 0.4 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.7 0.4 -0.4 0.7 0.4 -0.9
90% - 130% low 0.2 0.5 0.1 0.7 0.1 -0.1 0.7 0.1 -0.5
high 0.5 0.9 0.4 0.95 0.4 -0.4 0.95 0.4 -0.9
마지막으로, 표 12는 비대칭적이고 테일 붐의 네거티브 양력(FD)을 최소로 하는 제4 타입의 표준 섹션들에 관한 것이다:
value uA1,uA3 vA01 uA02 uA11 vA12 vA21 uA22 uA31 vA32
low 0.2 0.1 0.55 0.1 0.65 -0.65 0.1 0.65 -0.1
high 0.5 0.3 0.85 0.4 0.9 -0.9 0.25 0.9 -0.3
이러한 제4 타입의 표준 섹션들에 관한 이들 값은 비(t/c)와는 무관하다.
또한, 제1 타입과 제3 타입의 대칭적 표준 섹션들은 메인 로터(3)의 회전의 방향과는 무관하다. 이에 반해, 제2 타입과 제4 타입의 비대칭적 표준 섹션들은 메인 로터(3)의 회전 방향에 따라서 상이하다. 그러므로 시계 방향으로 회전하는 메인 로터(3)에 관한 동등한 비대칭적 섹션을 정의하기 위해서는, 평면도에서 반시계 방향으로 회전하는 메인 로터(3)에 관해 정의된 비대칭적 표준 섹션은 가로좌표 축(U)에 대해 대칭적이 되게 만들어질 필요가 있다.
데이터베이스의 이들 표는 도 1에서 시계 방향으로 회전하는 메인 로터(3)에 관한 값들을 제공한다.
표들에서 공급되지 않은 가로좌표와 세로좌표는 설계자에 의해 정의되고, 또한 제작 강제사항 또는 접선 강제사항에 의해 강제될 수 있다.
특히, 도 5에 도시된 것처럼, 좌표(1,0)를 갖는 트레일링 에지(12)에는 제1 말단 특징 포인트(A0)가 있다. 좌표(0,0)를 갖는 리딩 에지(11)에는 제2 말단 특징 포인트(A2)가 있다. 또한, 표준 섹션의 최대 두께(t)를 형성하는 말단 특징 포인트들(A1,A3)은 각각의 좌표인 -t/(2.c)와 t/(2.c)를 가진다. 이들 말단 특징 포인트(A1,A3)는 동일한 가로좌표를 가진다.
또한, 도 5에 도시된 테일 붐 섹션에 관해서는 이들 표에 의해 공급되지 않은 가로좌표와 세로좌표는, 표준 섹션이 접선 연속적이 되도록, 각각의 말단 특징 포인트(A0, A1, A2, A3)에서의 접선 강제사항에 의해 강제된다. 중간 특징 포인트들(A02,A11)의 세로좌표들은 그것들이 연관되는 말단 특징 포인트(A1)의 세로좌표들과 같은데 반해, 중간 특징 포인트들(A22,A31)의 세로좌표들은 그것들이 부착되는 말단 특징 포인트(A3)의 세로좌표와 같다. 마찬가지로, 중간 특징 포인트들(A01,A32)의 가로좌표들은 말단 특징 포인트(A0)의 가로좌표들과 같고, 중간 특징 포인트들(A12,A21)의 가로좌표들은 말단 특징 포인트(A2)의 가로좌표와 같다.
또한 도 5에서는 제3 타입의 대칭인 표준 섹션들에 관해서, 기류의 흐름 방향에서 현(c)의 중앙으로부터 최대 두께(t)가 배치되는 것을 볼 수 있다. 마찬가지로, 제4 타입의 비대칭인 표준 섹션들에 관해서, 기류의 흐름 방향에서 현(c)의 중앙으로부터 위쪽으로 최대 두께(t)가 마찬가지로 배치된다.
이에 반해, 제1 타입의 대칭인 표준 섹션들과, 제2 타입의 비대칭인 표준 섹션들에 관해서는, 테일 붐(10)의 섹션의 최대 두께(t)가 메인 로터(3)로부터의 기류의 흐름 방향에서 현(c)의 중앙으로부터 아래쪽에 배치된다. 또한, 제2 타입의 비대칭인 표준 섹션들에 관해서는 현(c)의 중앙 근처에서 섹션의 최대 두께(t)가 배치된다.
그 결과로서, 테일 붐의 섹션들을 최적화하는 방법은 일정한 섹션들에 관한 테일 붐(10)의 상대적인 두께와 테일 붐(10)의 일반적인 치수들과 함께, 테일 붐(10) 위를 흐르는, 메인 로터(3)로부터의 기류에 의해 발생된 것과 같은 네거티브 양력(FD)과 측면 힘(FL)의 면에서 특히 회전익기(1)의 필요들을 정의하는 테일 붐(10)에서 기대한 공기역학적 특징과 구조적 특징을 확립하는 단계(102)를 포함한다.
테일 붐(10)의 이러한 기대한 공기역학적 특징들은, 주로 회전익기(1)가 수행할 임무의 타입들에 의해 정의된다. 그러므로 만약 회전익기(1)가 다수의 수직 클라이밍 비행을 수행하게 된다면, 테일 붐(10)의 기대한 공기역학적 특징들은 분명히 네거티브 양력(FD)을 최소화한다. 대부분의 다른 경우들에서는, 기대한 공기역학적 특징들은 측면 힘(FL)을 최대로 하기 위한 것이다.
또한, 테일 붐(10)의 구조적 특징들은 각각 첫 번째로는 회전익기(1)의 구조와 테일 붐(10)을 연결하는 것과, 두 번째로는 테일 붐(10)의 강성과 기계적 강도를 특징으로 하는 테일 붐(10)에 관한 치수 범위들과 기계적 강도 구조적 범위들을 정의한다.
마지막으로, 테일 붐에 관한 섹션들을 최적화하는 방법은 테일 붐(10)의 섹션들을 정의하는 단계(103)를 포함한다. 섹션들은 데이터베이스에서 표준 섹션들, 테일 붐(10)의 기대한 공기역학적 특징 및 구조적 특징, 및 일반적으로 각 섹션의 비(t/c)의 함수로서 정의된다.
게다가, 대칭적이거나 그 밖에 비대칭적인 섹션들을 가지는 테일 붐(10) 사이에서 선택하는 것은 구조상 표준에 따라 달라질 수 있다. 대칭인 섹션들을 가지는 테일 붐은 구성하는 것이 간단하고 그것의 무게를 제한하는 역할을 하는데 반해, 메인 로터(3)로부터의 기류에 대해 대칭적인 거동을 보인다.
이에 반해, 비대칭적인 섹션들을 가지는 테일 붐(10)은 일반적으로 구조상 복잡성을 나타내고, 회전익기(1)는 이러한 비대칭성의 함수로서 비선형적인 전반적 거동을 가진다. 그렇지만, 본 발명의 방법의 데이터베이스로부터 표준 섹션들의 결과로서 그리고 특히 측면 힘(FL)이 증가되는 결과로서 얻어진 공기역학적 개선점들은 그러한 구조상 복잡성과 그것에 수반하는 무게를 보상하는 것을 가능하게 할 수 있다.
물론, 본 발명은 그것의 구현시 다양한 변형을 받을 수 있다. 비록 일부 실시예들이 설명되었지만, 모든 가능한 실시예를 빠짐없이 제시하는 것은 생각할 수 없다는 것을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 따라서 설명된 임의의 수단을 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 균등한 수단으로 교체하는 것을 당연히 고려할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 회전익기(1)용 테일 붐(10)의 섹션들을 최적화하는 방법으로서,
    상기 회전익기(1)는 적어도 하나의 메인 로터(3)와 세로 방향(X)에서 연장하는 테일 붐(10)을 가지고,
    상기 섹션 각각은 섹션의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 현(c)에 의해, 그리고 상기 현(c)에 수직이 되게 측정된 최대 두께(t)에 의해, 상기 세로 방향(X)에 수직인 평면에서 정의되어 있으며, 상기 방법은
    - 테일 붐에 관한 섹션 프로필들에 대해 연구, 디지털 시뮬레이션, 및/또는 테스트를 수행하는 단계(100);
    - 테일 붐(10)에 관한 표준 섹션들을 특징으로 하고, 상기 테일 붐(10)에 관한 4가지 타입의 표준 섹션, 즉 대칭이고 상기 테일 붐(10)의 측면 힘(FL)을 최대로 하는 제1 타입의 표준 섹션, 비대칭이고 상기 측면 힘(FL)을 최대로 하는 제2 타입의 표준 섹션, 대칭이고 상기 테일 붐(10)의 네거티브 양력(FD)을 최소로 하는 제3 타입의 표준 섹션, 및 비대칭이고 상기 네거티브 양력(FD)을 최소로 하는 제4 타입의 표준 섹션을 가지는 데이터베이스를 생성하는 단계(101);
    - 상기 테일 붐(10) 위를 흐르는 상기 메인 로터(3)로부터의 기류에 의해 발생된 측면 힘(FL)과 네거티브 양력(FD) 측면에서 상기 테일 붐(10)의 기대한(looked-for) 공기역학적 특징과 구조적 특징을 확립하는 단계(102); 및
    - 상기 네거티브 양력(FD)을 최소로 하는 것 및/또는 상기 테일 붐(10)의 측면 힘(FL)을 최대로 하는 것에 우선 순위를 주기 위해, 표준 섹션들과, 상기 테일 붐(10)에 관해 기대한 공기역학적 특징과 구조적 특징의 함수로서 상기 테일 붐(10)의 섹션들을 정의하는 단계(103)를 포함하고,
    상기 표준 섹션 각각은 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)에 의해, 그리고 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)에 의해 정의되고, 상기 특징 포인트들은 각 표준 섹션에 부착된 제2 (U,V) 기준 프레임에서 정의되며, 현(c)과 최대 두께(t)의 방향들에 의해 정의되고, 가로좌표 축(U)을 따라서 또는 세로좌표 축(V)을 따라 존재하는 하나의 단위(unit)는 현(c)과 같으며, 상기 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3)은 표준 섹션의 아우트라인(outline)에 속하고, A0는 트레일링 에지에 있고 좌표(1,0)를 가지며, A2는 리딩 에지에 있고 좌표(0,0)를 가지고, 말단 특징 포인트들(A1,A3)은 최대 두께(t)를 형성하고 각각의 좌표인 -t(2.c)와 t(2.c)를 가지며, 상기 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)은 각각의 말단 특징 포인트(A0, A1, A2, A3)에서 섹션의 아우트라인의 방향을 정의하는 역할을 하는 표준 섹션의 아우트라인을 구성하기 위한 구성 포인트들인, 최적화 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 표준 섹션들은 표준 섹션 각각의 최대 두께(t)를 상기 표준 섹션의 현(c)으로 나눈 비(t/c)의 함수로서 정의되는, 최적화 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    대칭이고 상기 테일 붐(10)의 측면 힘(FL)을 최대로 하는 제1 타입의 표준 섹션에 관해서는, 표준 섹션의 최대 두께(t)가 메인 로터(3)로부터의 기류의 흐름 방향에서 상기 표준 섹션의 현(c)의 중앙으로부터 아래쪽에 배치되고, 비대칭이고 상기 측면 힘(FL)을 최대로 하는 제2 타입의 표준 섹션에 관해서는, 상기 현(c)의 중앙으로부터 아래쪽에 그리고 상기 현(c)의 중앙 부근에 최대 두께(t)가 배치되며, 대칭인 제3 타입의 표준 섹션과, 비대칭이고 네거티브 양력(FD)을 최소로 하는 제4 타입의 표준 섹션에 관해서는 상기 현(c)의 중앙으로부터 위쪽에 최대 두께(t)가 배치되는, 최적화 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 데이터베이스는 제1 타입의 대칭인 표준 섹션들에 관한 특징 포인트들에 관한 범위들을 정의하는 다음 제1 표
    제1 표:
    Figure 112018002599165-pat00001

    를 포함하고, 상기 데이터베이스는 위에서부터 볼 때 반시계 방향으로 회전하는 메인 로터(3)에 관한 제2 타입의 비대칭 표준 섹션들에 관한 특징 포인트들에 관한 범위를 정의하는 다음 제2 표
    제2 표:
    Figure 112018002599165-pat00002

    를 포함하며, 상기 데이터베이스는 제3 타입의 대칭인 표준 섹션들에 관한 특징 포인트들에 관한 범위들을 정의하는 다음 제3 표
    제3 표:
    Figure 112018002599165-pat00003

    를 포함하고, 상기 데이터베이스는 위에서부터 볼 때 반시계 방향으로 회전하는 메인 로터(3)에 관한 제4 타입의 비대칭 표준 섹션들에 관한 특징 포인트들에 관한 범위를 정의하는 다음 제4 표
    제4 표:
    Figure 112018002599165-pat00004

    를 포함하는, 최적화 방법.
  5. 제4 항에 있어서,
    중간 특징 포인트(A02,A11)의 세로좌표는 말단 특징 포인트(A1)의 세로좌표와 같고, 중간 특징 포인트(A22,A31)의 세로좌표는 말단 특징 포인트(A3)의 세로좌표와 같으며, 중간 특징 포인트(A01,A32)의 가로좌표는 말단 특징 포인트(A0)의 가로좌표와 같고, 중간 특징 포인트(A12,A21)의 가로좌표는 말단 특징 포인트(A2)의 가로좌표와 같은, 최적화 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 테일 붐(10)의 섹션 각각은 말단 특징 포인트들(A0, A1, A2, A3, A0)을 함께 쌍으로 연결하는 4차 베지어(Bezier) 곡선에 의해 형성되고, 중간 특징 포인트들(A01, A02, A11, A12, A21, A22, A31, A32)을 사용하여 구성되는, 최적화 방법.
  7. 적어도 하나의 메인 로터(3)를 가지는 회전익기(1)용 테일 붐(10)으로서,
    상기 테일 붐(10)은 세로 방향(X)으로 연장하고, 상기 섹션의 리딩 에지와 트레일링 에지 사이의 현(c)에 의해 그리고 상기 현(c)에 수직이 되게 측정된 최대 두께(t)에 의해, 상기 세로 방향(X)에 수직인 평면들에서 정의된 연속되는 섹션들로 구성되며, 상기 테일 붐(10)의 섹션들은 테일 붐(10)의 섹션들을 최적화하기 위해 제1 항에 따른 방법을 사용하여 정의되고, 상기 테일 붐(10)의 섹션들은 미리 정의된 데이터베이스를 사용하여 상기 테일 붐(10)의 기대한 공기역학적 특징과 구조적 특징의 함수로서 정의되며, 상기 데이터베이스는 상기 테일 붐(10)의 표준 섹션들을 그 특징으로 하고, 상기 테일 붐(10)의 기대한 공기역학적 특징과 구조적 특징은 상기 테일 붐(10) 위를 흐르는 상기 메인 로터(3)로부터의 기류에 의해 발생된 측면 힘(FL)과 네거티브 양력(FD)의 양을 정하는, 회전익기용 테일 붐.
  8. 동체(2)와 적어도 하나의 메인 로터(3)를 포함하는 회전익기(1)로서,
    상기 메인 로터(3)는 복수의 블레이드(31)를 가지고, 상기 동체(2)는 세로 방향(X)으로 연장하는 테일 붐(10)에 의해 연장되며,
    상기 테일 붐(10)은 제7 항에 따른 테일 붐인, 회전익기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR19980060683A (ko) * 1996-12-31 1998-10-07 이대원 회전익 항공기의 테일붐 및 그 제작방법
JP2009045976A (ja) * 2007-08-16 2009-03-05 Mitsubishi Heavy Ind Ltd テールブーム
KR20170113329A (ko) * 2016-04-01 2017-10-12 에어버스 헬리콥터스 도이칠란트 게엠베하 동체 및 복합 테일 붐을 갖는 헬리콥터

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