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2008.05.07 05:02

Gyrocopter

ExI
조회 수 26805 추천 수 0 댓글 6
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오랜만이에요^^;
소환입니다.

오늘 소개해 드릴(?) 항공기는 gyrocopter의 한 형태인 cater aviation 에서 개발한 cartercopter입니다.


회전익

전형적인 회전익 항공기는 크게 3가지로 분류 됩니다.

autogyro, gyrocopter, helicopter 이렇게 3가지 인데요.

autogyro랑 helicopter는 모두 익숙 하실거구 gyrocopter에 대해 설명 해 드리겠습니다.


 

autogyro 

 gyrocopter

 helicopter

 로터축에 동력

 X

 O 

 수직이륙

 X

 O

 호버링

 X

 O

 anti toque

 X 

X

 O




Autogyro


autogyro는 로터허브축에 동력이 없으며 자유롭게 돌고, 다가오는 바람에 의해 블래이드는 자유롭게 회전하여 양력(보통 TRUST라고 합니다.)을 생성 합니다.
로터축에 동력이 없으므로 수직이륙, 호버링등은 불가능 합니다. 전진 속도를 위한 추력장치가 필요 합니다.


Helicopter



helicopter는 모두 알다시피 허브축에 동력이 있어 로터를 돌리며, 로터를 돌릴시 생기는 toque를 제거 하기 위해 anti toque를 위한 방법이 필요 합니다.
수직이륙과 호버링 역시 가능하죠.

Gyrocopter



gurocopter는 지상에서는 동력을 이용하여  로터를 회전하고(pre-rotating) 일정 RPM이 되었을때 로터의 동력을 끊습니다.
로터는 관성력에 의해 회전 중일때 블래이드 피치각을 주어 양력을 발생, 수직으로 이륙(보통 Jump Take off라고 합니다.) 합니다.
이륙후 추력 장치에 의해 항공기는 전진하고 로터는 autoguro와 같은 방식으로 비행을 합니다. 지상에서 pre-rotating중일때는 랜딩기어와 지면의 마찰이 anti toque를 담당합니다.

이렇게 autogyro와 helicopter의 어정쩡한 형태랄수도 있고 장점만 가진걸수도 있는 항공기가 gyrocopter입니다.

아래는 cater aviation의 CarterGyro Demonstrator/Trainer 기의 하이라이트 동영상 입니다.


(바쁘시더라고 40초 이후부터 꼭 보시길 바랍니다. gyrocopter의 특성이 잘 나와 있습니다.)


CATERCOPTER

autogyro는 이-착륙 거리가 짧지만 수직 이륙은 불가능 합니다. helicopter는 전진비행시 로터의 회전에 의해 REVERS flow현상과 전진깃에서는 날개끝이 음속에 가까워지는 형상 때문에 고속 전진 비행이 어렵습니다.

좀더 쉬운 설명을 위해 먼저 MU에 대해 알아 봅시다.

mu ratio는 항공기의 전진비행속도와 블래이드 깃끝의 회전 속도의 비 입니다.
아래 그림을 보면 이해가 쉬울겁니다.


V-tip은 로터 끝부분의 속도 이며 V-a는 항공기의 속도 입니다.

그림에서 로터가 3시 방향에 왔을때 로터 회전 속도와 항공기의 속도가 합쳐진것이 로터 총 속도가 되면
9시 방향에서는 항공기의 로터의 회전 속도에서 날개의 회전 속도를 뺀것이 로터의 합 속도가 됩니다.

결국  helicopter가 전진하면 전진할수록 3시 방향쪽은 양력이 많아지고 9시 방향은 양력이 줄어 들다 결국 양력을 발생 시키지 못하는 reverse flow영역이 생기게 됩니다.
그리고 0시에서 6시를 이른 선을 기점으로 좌우의 양력은 틀려지고 이는 항공기의 불안정성을 가져 오게 됩니다. 그리고 전진 속도가 빨라지면 3시방향쪽에서 날개끝은 음속에 이르게 되 항력과 진동등을 유발 합니다.


Diagram of Rotor Flow Direction for μ < 1



Diagram of Rotor Flow Direction for μ = 1


Diagram of Rotor Flow Direction for μ > 1
Diagram of Rotor Flow Direction for μ > 1

이것이 회전익 항공기에서 중요한 mu ratio와 mu ratio에 따른 특성 입니다.

MU에 대해 알아 봤습니다.


일단 먼저 결론을 말해 catercopter는 고속에서 MU ratio를 줄이며(즉 고속 비행기 가능한)  gyrocopter의 특성을 가지는 비행기 입니다. 
그럼 catercopter의 특징을 각 부분별로 알아 보겠습니다.

catercopter의 특징



외형적 특징은 2-blade를 가지고 있으며 동체에는 일반적인 항공기 보다 작은 편인 날개를 가지고 있습니다. 시야 확보등의 이유로 PUSH TYPE propulsion형태 입니다.

비행적 특징은 gyrocopter와 같으 jump take-off가 가능하며,  저속비행시 autogyro형태로 비행하고 속도가 높아 짐에따라 로터보다는 날개가 양력을 생성합니다.

TAKE OFF
- Blade 피치각을 0으로 하고 빠른 속도로 Blade 를 회전
- Blade 에 동력 차단후 collective control로 피치각을 줌
- 로터의 관성력으로 로터는 회전하며 항공기는 떠오름
- 프로펠러로 추력을 주며 피치각을 줄임
- 지상에서 랜딩기어의 마찰로 토크 상쇄

CRISING
- 145 km/h 이상이 되면 날개에서 대부분의 양력 발생
- Blade의 피치각을 줄여 Blade 의 양력과 항력 감소
- Blade 의 원심력이 Blade 의 플래핑을 이길정도의 속도로 회전(즉 고속이 될수록 최소한의 속도로만 블래이드는 돌고 이는 고속에서 mu를 낮게 만들어 줍니다.)
- 고속비행시 Retreating blade stall에 빠지지 않음 (고속 비행 가능,800 km/h, helicopter의 초고속력과 많은 차이가 납니다! )

LANDING
저속에서는 autorotation으로 랜딩
Hover는 불가(Anti torque X)

Technologies (Blade)
catercopter는 High mu에서 flutter/divergence 방지를 위해 블래이드에 많이 기술들이 들어 갔습니다.
Blade에 비틈각을 주고(보통 helicopter도 그렇지요)  Blade tip 앞에 무게증가로 CG를 Blade앞쪽으로 이동하고 Blade tip 뒤를 연장하여 AC점을 뒤로 이하여 결과적으로 앞으로 숙여질려는 moment를 발생합니다. 이로인해 적은 unstable pitching moment 발생합니다. 그리고 블래이드에 무게를 증가시쳐 원심력을 증가시켰습니다.
이는 이륙을 위해 pre-rotating을 하고 나서 동력을 끝었을때 좀더 많은 에너지를 유지하고 고속에서 비행중에는 위에서 말했드시 플래핑을 이길 정도의 원심력을 유지할때 블래이드의 회전 속도를 낮춥니다.



Technologies (Wing)
날개는 고속일때만 효과적인 형상과 면적을 가집니다.(저속일때에는 블래이드가 양력을 담당하기 때문이죠)
이착륙시 Blade가 양력을 담당하므로 날개의 크기는 일반 항공기에 비해 작게 설계되어 있어 무개 경감과 형상 항력을 줄이고  같은 이유로 고양력 장치도 불필요합니다.(무게의 경량과 구조의 단순함)
 ailerons 장착되어 있습니다.

Technologies (Tilting the mast )

로터가 주 양력 원 일시 항공기의 Pitch up과 Pitch down을 위해 rotor center of lift 을 CG에서 앞이나 뒤로 이동하는 역할을 하고 날개가 주 양력 원 일시 로터RPM 조절을 담당 합니다.(autorotation 상태일때)


 


이상 cater aviation 에서 개발한 cartercopter에 대해 봤습니다.
X-plane에서도 개발 되어 초기 많은 관심을 받았던 항공기
autogyro에서 발전된 gyrocopter에서 한단계 더 발전된 cartercopter
 Jump take-off와 autorotation을 이용하면 이 착률시에도 많은 공간을 필요로 하지 않을 것이며 고속 비행역시 보장되고 엔진에 문제가 생긴 상태일때도 오토로테이션을 이용하여 안전한 착륙도 가능한 이 항공기의 개념은 미래의 개인 항공기 항공 산업에 큰 매리트가 있다고 생각 합니다.

catercopter의 홈페이지에 좀더 많은 자료와 사진등이 있습니다.
특히 catercopter의 특허권은 항공기를 공부 한는데 많은 도움거라 생각 합니다.

Cutaway of CarterCopter

Illustration by Karl Loveridge, (801) 731-9078

  1. Total wing area 77 ft.sq., 32 ft. span. Wing sections outboard of tail booms are removable. Width of aircraft with wings removed is 8 1/2 ft.
  2. Combination flap and aileron.
  3. 20 gal. fuel in each outer wing section. 50 gal. fuel in center wing section. 40 gal. fuel in fuselage under baggage.
  4. Large tail volume for excellent directional stability and safety considerations under certain flight conditions. 100% of horizontal stabilizer is movable in airplane mode.
  5. Large baggage compartment.
  6. Pressurized cabin - 10 psi differential.
  7. Nose landing gear retracts into fuselage.
  8. Wide stance air over hydraulic main gear retracts into tail booms. 18 inch vertical travel to absorb 20 ft/sec sink.
  9. 33.5 ft. diameter bearingless carbon rotor with twistable spar. 28 square feet area. 6 inch chord at tip. 15 inch chord at root. 55 lbs. depleted uranium in each blade tip. Ultra high inertia rotor allows aircraft on take off to clear 50 ft obstacle 100 feet away at gross weight.
  10. V6 NASCAR racing engine. Compound turbo. 600 hp for short duration from 0-30,000 ft., 300 hp at 45,000 ft., 145 hp at 60,000 ft., 71 hp at 75,000 ft. Weight without radiator, turbos, turbo coolers and coolant is 265 lbs.
  11. Streamline rotor spinner covers rotor head mechanism.
  12. 94 inch diameter bearingless carbon prop. 21 inch chord at root at 25% radius, 8 inch chord at 75% radius. Weight including pitch change mechanism is less than 30 lbs. Prop shown in high speed cruise.
  13. Centerline of thrust is through aircraft average center of gravity for safety considerations under certain flight conditions.
  14. Seamless molded structural exterior.
  15. Cooling air entrance and variable area exit.
  16. Rotor drive pulley and shaft move in the fore and aft direction about the u-joint in the rotor head to tighten or loosen the belt. Guard prevents belt from touching pulley in auto rotating mode.
  17. Tail booms extend below the tip of prop so a wheels up landing is possible w/o prop damage.







출처:http://www.cartercopters.com
         http://www.airliners.com
         http://www.youtube.com














?
  • profile
    카이리 2008.05.07 06:04
    오오오 다시 시작되었다!!
    내 후배의 작심삼일 연재!!
  • ?
    bluedove 2008.05.07 07:37

    작심삼일 연재... ^^

    뭐... 5년째 연재 마무리 안짓고 있는 사람도 있는걸요(팬텀 식별법 마무리가....ㅋㅋ -> 예상외로 여러 곳에서 돌아다니더군요... )

  • ?
    ExI 2008.05.07 07:59

    ㅎㅎ 4.0 나오면 돌아 와요(으응?)

  • ?
    Tramps 2008.05.08 21:41

    상선의 SAR임무 보조용으로 쓰일 수도 있을 것 같은데...... 가능성이 있으려나요.
    (잘만하면 특정 톤수 이상 선박에 법정 비품이 될 수도;;)

  • ?
    Yuri 2008.05.09 00:24
    한국처럼 국토가 좁은 곳에선 상당히 유리한 기종인데 보급이 잘 안되네요.
    한국에선 이착륙 및 주기 장소도 중요하지만 그보단 비행할수 있는 자유에 많은 제약이 있기 때문이겠죠.
  • profile
    카이리 2008.05.17 08:29

     말 그대로 장점만 놓고보면 한없이 좋아보이지만...

     제가 보기에는 쓰잘때기 없이 하늘에서 공간만 차지하는 느낌을 주는게 오토자이로하고 자이로콥터...(아주 지긋지긋합니다 -_-) 


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