KR102262591B1 - 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개 - Google Patents

공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무인 비행체의 날개의 상면에 소정 높이의 종방향 스트립을 횡방향을 따라 일정 간격으로 다수 형성함으로써, 특히 실속 이후의 영역에서 공력 성능을 크게 향상시킬 수 있는 무인 비행체의 날개에 관한 것으로,
날개의 상면에는 소정 높이의 종방향 스트립이 횡방향을 따라 일정 간격으로 다수 형성되고, 층류 또는 천이 영역에서는 상기 종방향 스트립의 코너에서 발생하는 코너 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 상기 날개에서 부착 유동을 유지하거나 재부착을 이루며, 난류 영역에서는 상기 종방향 스트립의 코너에서 발생하는 유동방향 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 유동 박리를 억제한다.

Description

공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개{Wings of unmanned aerial vehicle with longitudinal strips to increase aerodynamic performance}
본 발명은 무인 비행체의 날개의 상면에 소정 높이의 종방향 스트립을 횡방향을 따라 일정 간격으로 다수 형성함으로써, 특히 실속 이후의 영역에서 공력 성능을 크게 향상시킬 수 있는 무인 비행체의 날개에 관한 것이다.
무인 비행체는 유인 비행체에 비하여 많은 장점을 가지고 있다. 즉, 사람이 접근할 수 없는 위험한 환경에서 작업을 수행할 수 있고, 유인 비행체가 수행하기 어려운 지루하고 반복적인 작업을 수행할 수 있으며, 상업적 사용에서는 인건비를 감소시킬 수 있다. 6m 이하의 날개 폭과 25kg 이하의 무게를 가진 소형 무인 비행체는 다양한 임무를 수행할 수 있기 때문에 최근에 많은 관심을 받고 있다. 이런 소형 무인 비행체는 15,000에서 500,000 사이의 레이놀즈수에서 운영된다. 상기 레이놀즈수의 범위에서 층류 박리 버블(laminar separation bubble)이 날개의 표면에 형성되어 공력 성능을 저하시키므로, SD 계열의 익형이 박리 버블의 역효과를 최소화할 목적으로 개발되고 있다. 그러나, 층류 박리 버블은 심지어 SD 계열의 익형에서도 여전히 존재한다. 결과적으로 높은 받음각에서 층류 박리 버블의 파열로 인하여 실속이 발생하고, 실속은 공력 성능을 크게 감소시키므로, 낮은 레이놀즈수(Re＜500,000) 익형의 공력 성능 향상을 위하여 높은 받음각에서 유동 박리를 제어하는 것이 중요하다.
낮은 레이놀즈수 익형에서 유동 박리를 제어하기 위하여 많은 능동 및 수동 장치가 개발되고 있다. 플라즈마 작동기(plasma actuator), 음파 여자(acoustic excitation) 및 주기적 물리력(periodic forcing)과 같은 능동 장치가 유동 박리를 제어하는데 효과적이었다. 이런 능동 제어 장치는 실속 이후 또는 깊은 실속의 영역에서 작동하여 양력계수 또는 양력 대 항력비를 증가시켰다. 그러나 이런 능동 제어 장치는 전원을 요구하므로 제한된 에너지 용량을 가진 소형 무인 비행체에 적용하는데 제약이 있었다.
외부 전원을 요구하지 않는 수동 장치를 소형 비행체에 적용하는 것이 바람직할 것이다. 보텍스 발생기, 트립 와이어(trip wire), 파열 제어판(burst control plate) 및 지그재그 테이프(zigzag tape)가 낮은 레이놀즈수 익형의 공력 성능을 향상시키는 것으로 조사되었다. 그러나 보텍스 발생기는 실속 이후의 영역에서 양력 대 항력비를 증가시키는데 한계가 있었고, 트립 와이어는 실속을 적절하게 제어할 수 없었으며, 파열 제어판은 낮은 받음각에서 양력을 감소시키고 항력을 증가시켰으며, 지그재그 테이프는 실속 제어 효과가 미미한 문제점이 있었다.
위에서 언급된 대부분의 수동 제어 장치는 특정 유동방향의 위치에서 횡방향을 따라 적용되어 특정 받음각에서 항력을 감소시키거나 양력을 증가시켰다. 이런 제어 장치의 성능은 받음각에 의존하였고, 어떤 받음각에서는 부정적인 효과를 나타내었다. 이런 점에서 새로운 실속 제어 장치가 요구되었다.
대한민국 등록특허 제10-1577574호 대한민국 등록특허 제10-1618961호 대한민국 등록특허 제10-1642574호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 무인 비행체의 날개의 상면에 횡방향을 따라 일정 간격으로 소정 높이의 종방향 스트립을 다수 형성함으로써, 특히 실속 이후의 영역에서 공력 성능을 크게 향상시킬 수 있는 무인 비행체의 날개를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 실속은 효과적으로 제어하지만 낮은 받음각에서 공력 성능에 거의 영향을 주지 않는 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개를 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개는, 무인 비행체의 동체로부터 외측으로 연장된 날개에 있어서, 날개의 상면에는 소정 높이의 종방향 스트립이 횡방향을 따라 일정 간격으로 다수 형성되고, 층류 또는 천이 영역에서는 상기 종방향 스트립의 코너에서 발생하는 코너 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 상기 날개에서 부착 유동을 유지하거나 유동의 재부착을 이루며, 난류 영역에서는 상기 종방향 스트립의 모서리에서 발생하는 유동방향 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 유동 박리를 억제한다.
상기 코너 보텍스는 상기 종방향 스트립으로부터 멀어지는 횡방향으로 이동하고, 상기 종방향 스트립의 높이는 종방향 스트립이 없는 날개에서의 경계층의 두께보다 작으며, 유동의 재부착 라인은 횡방향으로 “∪”자 형상이고, 레이놀즈수가 증가함에 따라 상기 종방향 스트립의 높이는 감소하며, 상기 종방향 스트립은 날개의 하면에도 형성될 수 있다.
레이놀즈수 60,000에서 상기 종방향 스트립의 무차원 높이(h/c)는 0.005이하이고, 상기 종방향 스트립의 무차원 폭(w/c)은 0.05이하이며, 상기 종방향 스트립의 횡방향 무차원 설치 간격(s/c)은 0.05∼0.3이다.
상기 종방향 스트립의 높이는 정체점에서부터 x/c=0.6까지 일정하다가 뒷전으로 갈수록 점차 감소할 수 있고, 상기 종방향 스트립은 x/c=0.6에서부터 뒷전으로 갈수록 유동방향을 따라 중간 중간에 형성되지 않고 끊어질 수 있으며, 상기 날개의 하면에 형성되는 종방향 스트립은 상기 날개의 상면에 형성되는 종방향 스트립의 사이에 형성될 수 있다.
본 발명은 무인 비행체의 날개의 상면에 횡방향을 따라 일정 간격으로 소정 높이의 종방향 스트립을 다수 형성함으로써, 구조가 간단하고, 외부 전원이 전혀 필요없을 뿐 아니라 실속 이후의 영역에서 공력 성능을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 실속을 효과적으로 제어하지만 낮은 받음각에서 공력 성능에 거의 영향을 주지 않는 효과도 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개에 대한 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 무인 비행체의 날개에 대한 실험장치의 개략도.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 무인 비행체의 날개 주위의 유동을 측정하기 위한 PIV 측정장치의 개략도.
도 5는 레이놀즈수(Re) 60,000이고, 받음각(α) 12°일때의 양력계수 윤곽선을 나타낸 도면.
도 6은 Re=60,000과 Re=180,000에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 받음각에 따른 양력계수(CL)와 항력계수(CD)의 변화를 나타낸 그래프.
도 7은 Re=60,000과 Re=180,000에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 항력계수에 따른 양력계수의 변화를 나타낸 그래프.
도 8은 Re=60,000과 α=9°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 날개 표면 유동 가시화를 나타낸 도면.
도 9는 Re=60,000과 α=11°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 날개 표면 유동 가시화를 나타낸 도면.
도 10은 Re=60,000과 α=12°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 날개 표면 유동 가시화를 나타낸 도면.
도 11은 Re=60,000과 α=12°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 평균 유동방향 속도의 윤곽선과 속도 벡터를 나타낸 도면.
도 12는 Re=60,000과 α=12°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 날개 표면 압력 분포를 나타낸 그래프.
도 13은 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 앞전 근처인 x/c=0.033에서의 속도 벡터를 나타낸 도면.
도 14는 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우의 순간 속도 벡터를 나타낸 도면.
도 15는 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 x/c=0.033, 0.05, 0.067 및 0.1에서의 평균 속도장으로부터 얻어진 코너 보텍스의 중심 위치를 나타낸 도면.
도 16은 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 z/c=0, -0.02, -0.045 및 -0.07에서의 레이놀즈 전단 응력 윤곽선을 나타낸 도면.
도 17은 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 재부착 후인 x/c=0.133, 0.2 및 0.267에서의 평균 유동방향 와도 윤곽선을 나타낸 도면.
도 18은 실속이 발생하는 받음각에서 종방향 스트립에 의하여 공력 성능이 향상되는 메카니즘을 나타낸 개략도.
도 19는 날개의 상면에 형성되는 종방향 스트립의 길이에 다른 양력계수와 항력계수의 변화를 나타낸 그래프.
본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개에 대한 개략도이다.
본 발명에 따른 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개는, 무인 비행체의 동체로부터 외측으로 연장된 날개에 있어서, 날개의 상면에는 소정 높이의 종방향 스트립(10)이 횡방향을 따라 일정 간격으로 다수 형성되고, 앞전(leading edge) 근처의 층류 영역에서는 종방향 스트립(10)의 코너에서 발생하는 코너 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 유동 박리를 억제하며, 천이 영역에서는 종방향 스트립(10)의 코너에서 발생하는 코너 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 상기 날개에서 부착 유동을 유지하거나 재부착을 이루고, 후류인 난류 영역에서는 종방향 스트립(10)의 모서리에서 발생하는 유동방향 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 유동 박리를 억제하여 상기 날개에서 주로 부착 유동을 유지할 수 있다.
이때, 날개는 익형(airfoil) SD7003이고, 익형 길이(c; chord length)는 300㎜이며, 익형의 폭(b)은 600㎜이다. 종방향 스트립의 높이, 폭, 간격 및 길이는 각각 h, w, s 및 l로 나타낸다.
상기 코너 보텍스는 종방향 스트립(10)으로부터 멀어지는 횡방향으로 이동하고, 종방향 스트립(10)의 높이는 종방향 스트립이 없는 날개에서의 경계층의 두께보다 작으며, 레이놀즈수가 증가함에 따라 종방향 스트립(10)의 높이는 감소한다.
또한, 종방향 스트립의 높이는 유동방향을 따라 일정하거나 변할 수 있으며, 종방향 스트립의 높이는 앞전 또는 정체점(stagnation point)에서부터 x축 거리를 익형 길이(c)로 나눈 값인 x/c=0.6까지 일정하다가 뒷전(trailing edge)으로 갈수록 점차 감소할 수 있고, 종방향 스트립은 x축 거리를 익형 길이(c)로 나눈 값인 x/c=0.6에서부터 뒷전으로 갈수록 유동방향을 따라 중간 중간에 형성되지 않고 끊어질 수 있으며, 날개의 상면에 형성되는 종방향 스트립은 앞전을 지나서 날개의 하면에도 형성될 수 있으며, 날개의 하면에 형성되는 종방향 스트립은 날개의 상면에 형성되는 종방향 스트립의 사이에 형성될 수 있고, 날개의 하면에 형성되는 종방향 스트립의 높이는 앞전 또는 정체점을 지나면서 날개의 상면에서 유동방향을 따라 점차 감소하여 0이 될 수 있으며, 날개의 상면에 형성되는 종방향 스트립의 높이는 앞전 또는 정체점을 지나면서 날개의 하면에서 유동방향을 따라 점차 감소하여 0이 될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 무인 비행체의 날개에 대한 2차원 실험장치의 개략도이고, 도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 무인 비행체의 날개 주위의 유동을 측정하기 위한 PIV 측정장치의 개략도이다.
실험장치는 밀폐형 윈드 터널로서, 높이가 900㎜이고, 폭이 900㎜이고, x, y 및 z는 각각 유동방향(종방향), 수직방향 및 횡방향을 나타낸다. 레이놀즈수(Reynolds number)는 유동속도(U), 익형 길이(c) 및 동점성계수(kinematic viscosity)로 정의되고, 본 발명에서 레이놀즈수(Re)는 60,000과 180,000이다.
날개 주위의 속도장(velocity field)과 와도장(vorticity field)을 얻기 위하여 디지털 PIV(Particle image velocimetry)를 사용한다.
도 5는 레이놀즈수(Re) 60,000이고, 받음각(α) 12°일때의 양력계수 윤곽선을 나타낸 것이다.
종방향 스트립의 형상을 최적화하기 위하여 RSM(Response surface method)을 사용하고, 최대 양력계수(CL; lift coefficient)는 약 1.11로서, 종방향 스트립이 형성되지 않은 경우의 양력계수(CL)인 0.74보다 50％ 증가한다. 이때, 최적 종방향 스트립의 형상은 h/c≒0.003, w/c≒0.03 및 s/c≒0.15이다. 레이놀즈수와 받음각에 따라서 종방향 스트립의 형상은 변화될 수 있다. 이때, w/c는 h/c의 8∼12인 것이 바람직하다.
레이놀즈수가 60,000에서 종방향 스트립의 무차원 높이(h/c)는 0.005이하이고, 종방향 스트립의 무차원 폭(w/c)는 0.06이하이며, 종방향 스트립의 횡방향 무차원 설치 간격(s/c)는 0.05∼0.3인 것이 바람직하다. 이때, h/c＞0.005이거나 w/c＞0.06이면 항력계수가 증가하여 공력 성능이 나빠지며, s/c＜0.05이면 코너 보텍스의 생성, 성장 및/또는 진행을 위한 공간이 확보되지 않고, s/c＞0.3이면 코너 보텍스가 영향을 줄 수 없는 공간이 너무 커져서 재부착이 발생하지 않고 공력 성능이 나빠진다.
도 6은 Re=60,000과 Re=180,000에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 받음각에 따른 양력계수(CL)와 항력계수(CD)의 변화를 나타낸 그래프이고, 도 7은 Re=60,000과 Re=180,000에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 항력계수에 따른 양력계수의 변화를 나타낸 그래프이다.
종방향 스트립이 형성되지 않은 경우에 받음각(α) 3°에서 양력계수의 기울기의 불연속이 발생하는데, 이는 층류 박리 버블(laminar separation bubble)로 인한 것이며, 층류 박리 버블의 파열(laminar separation bubble burst)로 인한 실속(stall)이 α≒11°(Re=60,000의 경우) 및 α≒12.5°(Re=180,000의 경우)에서 발생하는 것을 확인할 수 있다.
그러나 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 받음각(α) 12°에서 양력계수는 31％ 증가하고, 항력계수는 52％ 감소하며, 실속도 지연됨을 알 수 있다. 즉, 종방향 스트립에 의하여 유동 박리의 특징이 중요하게 변화되는 것이다.
또한, 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 받음각(α) 14°에서 양력계수는 12％ 증가하고, 항력계수는 40％ 감소하며, 실속의 특징도 크게 변화됨을 확인할 수 있다. 넓은 실속 영역(broad stall region)에서의 항력계수가 종방향 스트립이 형성되지 않은 경우보다 커지긴 하지만, 양력 대 항력비가 최적 종방향 스트립에 의해서 중요하게 증가된다.
넓은 실속 영역과 달리 실속 발생 전의 영역에서 종방향 스트립은 양력계수와 항력계수에 거의 변화를 주지 않는 것을 볼 수 있다. 종방향 스트립의 높이가 종방향 스트립이 없는 날개에서의 경계층의 두께보다 작기 때문에 종방향 스트립이 실속 발생 전의 영역에서의 유동을 크게 변화시키지 않는 것이다.
도 7에서 큰 받음각의 경우에 공력 성능이 종방향 스트립에 의하여 크게 향상되는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 Re=60,000과 α=9°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 날개 표면 유동 가시화를 나타낸 도면이다. 이때, 붉은 점선은 재부착(reattachment) 위치를 나타낸 것이다.
도 8은 종방향 스트립이 형성되지 않은 경우에 앞전(leading edge) 박리가 발생하여 x/c≒0.3에서 재부착됨을 보여준다. 결과적으로 층류 박리 버블이 앞전 근처에서 생성되고, 난류 천이(turbulent transition)가 발생하며, 복잡한 표면 유동 특성을 지닌 난류 경계층이 재부착이후에 형성된다.
반면, 종방향 스트립이 형성된 경우에 x/c≒0.2에서 재부착이 이루어지고, 종방향 스트립 위에서는 앞전 박리가 발생하지 않는 부착 유동이 유지된다. 종방향 스트립이 형성되지 않는 경우에 날개 위의 재부착 라인은 직선에 가까우나, 종방향 스트립이 형성된 경우에 재부착 라인은 “∪”자 형상을 나타낸다.
도 9는 Re=60,000과 α=11°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 날개 표면 유동 가시화를 나타낸 도면이다. 이때, 붉은 점선은 재부착(reattachment) 위치를 나타낸 것이다.
종방향 스트립이 형성되지 않은 경우에 앞전(leading edge) 박리가 발생한 후, x/c≒0.2에서 재부착된다. 반면, 종방향 스트립이 형성된 경우에 x/c≒0.1에서 재부착이 이루어진다.
도 10은 Re=60,000과 α=12°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 날개 표면 유동 가시화를 나타낸 도면이다. 이때, 붉은 점선은 재부착(reattachment) 위치를 나타낸 것이다.
종방향 스트립이 형성되지 않은 경우에는 날개 전체에 박리가 발생한다. 반면, 종방향 스트립이 형성된 경우에 날개 위에서 재부착이 발생하고, 종방향 스트립 위에서는 부착 유동이 유지된다. 결과적으로 도 6에서 확인할 수 있는 바와 같이 돌연 실속(abrupt stall)이 사라지고, 공력 성능이 중요하게 향상된다.
도 11은 Re=60,000과 α=12°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 평균 유동방향 속도의 윤곽선과 속도 벡터를 나타낸 도면이다. 도 11a는 종방향 스트립이 형성되지 않은 경우이고, 도 11b는 종방향 스트립이 형성된 경우(z/c=0)이며, 도 11c는 종방향 스트립이 형성된 경우(z/c=-0.045)이다. 이때, 도 11a와 도 11c에서 두꺼운 검정색 라인은 평균 속도 0인 경우이고, 검정색과 회색 부분은 익형과 스트립의 그림자로 인해 속도 측정이 되지 않은 영역이다.
종방향 스트립이 형성되지 않은 경우에 유동이 앞전부터 완전히 박리된다. 종방향 스트립이 형성된 경우에 스트립 위에서는 완전히 부착 유동을 나타내고, 스트립 사이의 유동은 앞전에서 박리되어 x/c≒0.1에서 재부착된다. 이는 도 10의 날개 표면 유동 가시화를 나타낸 도면과 일치하는 결과이다.
도 12는 Re=60,000과 α=12°에서 최적 종방향 스트립이 형성된 경우와 형성되지 않은 경우의 날개 표면 압력 분포를 나타낸 그래프이다.
날개 상면에서의 압력 계수는 종방향 스트립에 의해 중요하게 변화된다. 종방향 스트립이 형성된 경우에 앞전 근처의 압력계수(CP) 크기는 -3으로 종방향 스트립이 형성되지 않은 경우의 압력계수(CP≒-1) 크기보다 훨씬 크다. 종방향 스트립이 형성된 경우에 스트립 사이의 압력계수는 앞전 바로 근처를 제외하고 박리 영역(x/c≤0.085)에서 거의 일정하고, 하류에서 회복되는 것을 확인할 수 있다. 반면, 스트립 위에서의 압력계수(-CP)의 최고점은 완전한 부착 유동으로 인하여 약간 하류로 이동하고, 압력은 하류에서 회복된다.
도 13은 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 앞전 근처인 x/c=0.033에서의 속도 벡터를 나타낸 도면이다. 도 13a는 평균 속도장을 나타낸 것이고, 도 13b는 순간 속도장을 나타낸 것이다.
종방향 스트립의 각 코너에는 종방향 스트립의 높이에 상당하는 지름을 가진 코너 보텍스가 생성된다. 상기 코너 보텍스의 강도가 평균 속도장에서는 감소함에도 불구하고, 평균 및 순간 속도장에서 상기 코너 보텍스를 분명히 확인할 수 있다. 코너 보텍스는 종방향 스트립의 코너 가까이에서 세류(downwash) 운동을 유도하고, 추가적인 모멘텀을 공급하여 재부착을 발생시킨다(도 10 및 도 13b 참조). 또한, 상기 코너 보텍스는 코너에서 시작하여 유동이 하류로 진행함에 따라 종방향 스트립으로부터 멀어지는 횡방향으로 이동한다.
도 14는 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우의 순간 속도 벡터를 나타낸 도면이다. 도 14a는 x/c=0.05에서의 순간 속도 벡터를 나타낸 것이고, 도 14b는 x/c=0.067에서의 순간 속도 벡터를 나타낸 것이며, 도 14c는 x/c=0.1에서의 순간 속도 벡터를 나타낸 것이다. 이때, 검정색과 회색 부분은 익형과 스트립의 그림자로 인해 속도 측정이 되지 않은 영역이고, 노란색 화살표는 종방향 스트립의 코너로부터 코너 보텍스의 중심의 위치를 나타낸 것이다.
종방향 스트립 사이의 날개 표면 근처의 횡방향 속도의 방향은 횡방향 압력 구배와 일치한다(도 12 참조).
도 15는 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 x/c=0.033, 0.05, 0.067 및 0.1에서의 평균 속도장으로부터 얻어진 코너 보텍스의 중심 위치를 나타낸 도면이다. 이때, 검정색 점은 코너 보텍스의 중심 위치를 나타내고, 붉은색 화살표는 코너 보텍스의 회전 방향을 나타낸다.
코너 보텍스가 x/c≤0.05까지 종방향 스트립의 코너 바로 가까이에 위치하고, 코너 보텍스가 하류로 이동하는 동안에 코너 보텍스는 종방향 스트립 사이의 중앙을 향해서 이동한다. 상기 코너 보텍스는 코너 가까이에 추가적인 모멘텀을 공급하여 재부착이 코너로부터 시작하여 코너로부터 멀어지는 방향으로 이동한다. 코너 보텍스의 이와 같은 이동은 횡방향 압력 구배와 일치한다. 즉, 0.0167≤x/c≤0.05에서 z/c=-0.04에서의 압력이 z/c=0에서의 압력보다 더 크므로 ∂P/∂z＜0이고, 코너 보텍스를 코너 가까이에 머물게 한다(도 12 참조). 반면 0.05≤x/c≤0.133에서 ∂P/∂z＞0이므로 코너 보텍스를 코너로부터 밀어낸다. 코너 보텍스의 이와 같은 이동과 함께 재부착도 코너로부터 시작하여 종방향 스크립 사이의 중앙으로 이동한다.
도 16은 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 z/c=0, -0.02, -0.045 및 -0.07에서의 레이놀즈 전단 응력(Reynolds shear stress) 윤곽선을 나타낸 도면이다. 층류에서 난류로의 천이를 결정하는 기준은
Figure 112019078666131-pat00001
≥0.001이다.
z/c=0(종방향 스트립의 표면)에서 완전 부착 유동이고, 천이는 x/c=0.05근처에서 발생한다. z/c=-0.02(종방향 스트립의 코너 근처)에서도 천이는 x/c=0.05근처에서 발생하고, 종방향 스트립의 코너로부터 횡방향 거리가 증가함에 따라 천이는 하류에서 발생한다. z/c=-0.07(종방향 스트립 사이의 중앙 근처)에서 재부착은 x/c=0.1근처에서 발생하고, 천이는 재부착의 약간 상류(x/c≒0.09)에서 발생한다. 즉, 재부착은 박리되는 전단층을 따라 층류에서 난류로의 천이에 의한 추가적인 모멘텀의 공급으로 발생한다.
도 17은 Re=60,000, α=12°및 최적 종방향 스트립이 형성된 경우에 재부착 후인 x/c=0.133, 0.2 및 0.267에서의 평균 유동방향 와도 윤곽선을 나타낸 도면이다.
유동방향 보텍스가 종방향 스트립의 모서리에서 연속적으로 발생하고, 상기 유동방향 보텍스는 익형의 표면에 추가적인 모멘텀을 공급하여 부착 유동을 유지시킨다.
도 18은 실속이 발생하는 받음각에서 종방향 스트립에 의하여 공력 성능이 향상되는 메카니즘을 나타낸 개략도이다.
종방향 스트립이 형성되지 않는 경우에 α=12°에서 앞전부터 전체적인 박리가 발생한다. 그러나 종방향 스트립이 형성되는 경우에 스트립의 코너로부터 코너 보텍스가 발생하고, 스트립의 표면 근처에서 세류 운동을 유도하여 부착 유동을 발생시킨다. 코너 보텍스가 하류로 진행할 때에 코너 보텍스는 종방향 스트립으로부터 멀어지는 횡방향으로 이동하여 더 넓은 영역에서 세류 운동을 유도하고, 박리된 전단층을 따라 난류로의 진화에 의한 추가적인 섞임(mixing)과 함께 x/c=0.1 근처의 모든 횡방향 영역에서 유동을 재부착시킨다. 재부착 후에 종방향 스트립은 스트립의 모서리에서 유동방향 보텍스를 유도하고, 익형의 표면에 추가적인 모멘텀을 공급하여 부착 유동을 유지시킨다.
지금까지는 도 1과 같이 유동방향으로 형성되는 종방향 스트립(10)의 길이가 l/c=0.97인 경우를 고려하였다.
도 19는 날개의 상면에 형성되는 종방향 스트립의 길이에 다른 양력계수와 항력계수의 변화를 나타낸 그래프이다. 이때, 날개의 하면에 형성되는 종방향 스트립의 길이는 l/c=0.97이고, 날개의 상면에 형성되는 종방향 스트립의 길이는 l/c=0, 0.033, 0.1, 0.67 및 0.97이다.
날개의 하면에만 종방향 스트립이 형성된 경우(l/c=0)는 종방향 스트립이 형성되지 않은 경우의 양력계수 및 항력계수와 모든 받음각에서 거의 차이가 없다. 이는 날개의 하면에만 형성된 종방향 스트립은 의미있는 역할을 하지 못하는 것을 나타낸다. 실속 전의 영역에서도 양력계수와 항력계수는 스트립에 의하여 변화하지 않으나, 받음각 α=3°에서 스트립의 길이가 l/c≥0.67인 경우에 양력계수의 불연속이 사라진다. 이는 l/c≥0.67인 스트립이 층류 박리 버블(laminar sepeation bubble)을 제어할 수 있음을 나타내고, 낮은 받음각에서 층류 박리 버블은 x/c≒0.5에서 형성되므로, l/c≤0.5인 스트립은 층류 박리 버블을 제어할 수 없다. 스트립의 길이는 l/c＞0.5이어야 하고, l/c≥0.67인 것이 바람직하다.
실속 후의 영역에서는 종방향 스트립의 길이가 증가함에 따라 양력계수는 증가하고, 실속은 지연되며, 넓은 실속의 범위가 더 넓어진다. 스트립의 길이가 l/c=0.033와 같이 너무 짧은 경우에 실속 이후의 영역에서 양력계수가 중요하게 증가함에도 불구하고 실속 지연은 거의 발생하지 않는다. 스트립이 형성되는 경우의 항력계수는 11°＜α≤13°에서 스트립이 형성되지 않는 경우의 항력계수보다 더 작아지고, α＞13°에서 더 커진다. 스트립의 길이가 날개의 길이에 가까워짐에 따라 실속 이후의 영역에서의 공력 성능(양력 대 항력비)은 중요하게 향상된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 종방향 스트립 h: 종방향 스트립의 높이
w: 종방향 스트립의 폭 s: 종방향 스트립의 간격
l: 종방향 스트립의 길이 c: 날개의 길이

Claims (9)

  1. 무인 비행체의 동체로부터 외측으로 연장된 날개에 있어서,
    날개의 상면에는 소정 높이의 종방향 스트립이 횡방향을 따라 일정 간격으로 다수 형성되고,
    층류 또는 천이 영역에서는 상기 종방향 스트립의 코너에서 발생하는 코너 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 상기 날개에서 부착 유동을 유지하거나 유동의 재부착을 이루며,
    난류 영역에서는 상기 종방향 스트립의 모서리에서 발생하는 유동방향 보텍스가 상기 날개 표면에 모멘텀을 공급하여 유동 박리를 억제하고,
    레이놀즈수 60,000에서
    상기 종방향 스트립의 무차원 높이(h/c)는 0.005이하이고,
    상기 종방향 스트립의 무차원 폭(w/c)은 0.06이하이며,
    상기 종방향 스트립의 횡방향 무차원 설치 간격(s/c)은 0.05∼0.3인 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
    는 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코너 보텍스는 상기 종방향 스트립으로부터 멀어지는 횡방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유동의 재부착 라인은 횡방향으로 “∪”자 형상인 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    레이놀즈수가 증가함에 따라 상기 종방향 스트립의 높이는 감소하는 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
  5. 삭제
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 종방향 스트립의 높이는 정체점에서부터 x축 거리를 익형 길이(c)로 나눈 값인 x/c=0.6까지 일정하다가 뒷전으로 갈수록 점차 감소하는 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 종방향 스트립은 x축 거리를 익형 길이(c)로 나눈 값인 x/c=0.6에서부터 뒷전으로 갈수록 유동방향을 따라 중간 중간에 형성되지 않고 끊어진 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 종방향 스트립은 날개의 하면에도 형성되는 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 날개의 하면에 형성되는 종방향 스트립은 상기 날개의 상면에 형성되는 종방향 스트립의 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 공력 성능 향상을 위한 종방향 스트립이 형성된 무인 비행체의 날개.
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