of Aeroelasticity

Historical Development of Aeroelasticity

SangJoon Shin

Department of Aerospace Engineering

Seoul National University

Contents

● 목차

- Aeroelasticity

- Static Aeroelasticity - Dynamic Aeroelasticity

- Historical Development (1903-1950’s)

- Historical Development (1960’s-2010’s)

- 16

Century and Other Civil Structures

- Modern Aircrafts

Rotorcraft and Aircraft

헬리콥터 F-35B 수직 이착륙기

Aeroelasticity

● 공력탄성학 (Aeroelasticity): 공기역학 + 탄성학(Aerodynamics + Elasticity )

Static Aeroelasticity

● 정적 공력탄성학 (Static Aeroelasticity)

- 공력하중에 의한 날개의 실제 변형 모양

( 지상 vs. 비행중 )

Drag Lift

Z -Y

Twist -X

Static Aeroelasticity

● 정적 공력탄성학

- 정상류에 의해 유도된 공력의 상호간섭 - 양력면 구조물의 탄성변형을 초래함.

> 영향: 비행성능, 조종성, 비행 안정성,

> 구조물의 돌발적인 파괴를 유발함.

- 발산 (Divergence)

- 하중분포

Static Aeroelasticity

● 발산(Divergence)

- 잠재적인 구조물의 정적 불안정성

 돌발적인 파괴를 초래함.

- 비틀림 발산 (Torsional Divergence)

Static Aeroelasticity

● 공력 분포

- 양력면은 스팬방향으로 공력 분포를 크게 변화시킴.

 비틀림 유연성에 전반적 효과 (Divergence)

- Net Effect는 명시된 α

유연 날개의 양력분포

유연한 날개의 양력분포강체 날개의 양력분포

Static Aeroelasticity

● 에일러론 역전(Reversal )/ 조종유효성

- 날개의 비틀림 유연성이 에일러론 등의 주요 비행 조종면이 의도한 목적과 전혀 반대로

- 조종사가 일반적인 방법으로 비행기를 조정할 수 없는 상태의 조종유효성 상실이

Dynamic Aeroelasticity

● 동적 공력탄성학

- 구조물 동적 거동 + 공력하중 - 플러터(Flutter)

이 불안정성은 주로 구조물의 갑작스런 파괴를 일으킴.

- 동적 반응과 과도(천이)상태

- 천음속 강하 (Transonic Dip)

보통 가장 위험한 플러터 불안정 현상 천음속 영역에 존재함.

안정

중립 (Flutter)

발산

변위(in)변위(in)(in)

Dynamic Aeroelasticity

● 전형적인 유동에 의한 진동 (동일 속도)

Dynamic Aeroelasticity

● 천음속 강하 (Transonic Dip)

- 주로 가장 위험한 플러터 불안정성이 천음속 영역에 존재함.

- 고속의 비행체는 반드시 이 영역을

- 불안정한 충격파의 운동에 의해

- 발전된 해석적 접근방법으로

Historical Development

● 라이트 형제 (Wright Brothers)

- Orville (1871. 8. 19 ~ 1948. 1. 30), Wilbur (1867. 4. 16 ~ 1912. 5. 30) - 최초로 공기보다 무거운 동력비행기를 조종하여 지속적인 비행에 성공함.

(The Wright Flyer I, 1903.12.17)

“Wright Flyer I”의 처녀비행, 1903.12.17

Orville이 조종하고 있고, Wilbur가 날개 끝에서 달리고 있다. Kill Devil 언덕

Historical Development

● 라이트 형제

- 비행시 옆놀이(롤) 조종을 위해 날개의 비틀림(Warping) 이용함. (새들의 관찰결과) - 날개의 공력탄성학적 특성 (Wright Flyer 1902)

- 단일 방향타로 방향을 조종함.

Historical Development

● 새뮤얼 랭글리 (Samuel Pierpont Langley)

- 랭글리의 동력비행기가 1903년 12월 8일 Potomac강에서 이륙했을때

Historical Development

● Fokker D-8 (1차 세계대전 중)

- 날개에 발산 (Divergence)이 생긴 사건

- “The Flying Dutchman”에 Fokker D-8에서 발생한 날개의 파괴에 대한 여러 사례가 있음.

- 비가새 (Un-braced) 고익 단엽기

- 날개는 예상되는 하중을 견딜 수 있도록 충분히 튼튼하였으나 날개에 하중이 꾸준히 가해지자,

- 길이 : 5.86 m

- 날개 폭(Span) : 8.4 m

- 최대속력 : 204km/h

Historical Development

● Handley Page O/400 폭격기 (1916년 비행 중)

- 최초로 비행기의 플러터 사례로 기록됨.

- 비행기가 꼬리날개의 심한 진동을 겪어, 승강타의 비대칭적인 상하진동과 함께

- 강한 체결 (Stiff connection)이 설계 특징이 되었고 궁극적으로 설계요구사항이 됨.

- 길이 : 19.6 m

- 날개 폭(span) : 30.48 m

- 최대속력 : 157 km/h

Historical Development

● Havilland DH-9

- 1917년에 플러터와 유사한 현상이 발생함.

- 최신기술이 적용되었는데 갑자기 공력탄성학적 문제가 발행함.

이것의 문제점이 무엇인지 인식하지 못하였고 관련된 기록도 없었음.

- 길이 : 9.27 m

- 날개 폭 : 19.92 m

- 최대속력 : 182 km/h

Historical Development

● Gloster Grebe 와 Gloster Gamecock (1924)

- Gloster Grebe (1923- 2인승 비행기)

- Gloster Gamecock (1924 – 1인승 비행기)

- 날개-에일러론 플러터 : 윗 날개를 지지하기 위해 바깥 방향으로 V자형의 지지대를 추가하게됨.

- 날개 : 구조는 나무로 제작, 직물로 표면을 덮음.

- 최대속력 : 249 km/h (155mph)

Historical Development

● 이론적인 진보의 시기

- 1930년대 Frazer 와 Duncan

- 공력 미계수의 주파수영역 해석방법 등장 - 일반적인 비정상 운동이론의 시작

- ‘행렬’로 알려진 순수수학의 이용

* Bristol Bagshot (1927, 전투기, 최대속력 : 201 km/h)

- 에일러론 반전 : 날개의 비틀림 유연성이 가로(롤)조종의 비효율성을 발생시킴.

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

• 드 하빌랜드 Puss Moth

– 1932년, 영국, 날개의 진동, 조종면 (에일러론) 의 진동 발생 (플러터 현상)

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

• Boulton Paul Sidestrands

– 1933년, 영국, 러더에 부착된 서어보 탭에서 플러터 현상 발생

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

• Boulton Paul Overstrands

– 1933년, 영국, 러더에 부착된 서어보 탭에서 플러터 현상 발생

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

• Aileron Reversal 현상의 발견

– 1935년, 영국, Spitfire 전투기 시제품, 조종면의 효력 상실

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

• 꼬리날개 플러터 현상의 발견

– 1940년, 영국, Typhoon 전투기, 고속에서 꼬리날개 완전 상실. 이후 꼬리날개에 외부 보강재를 부착함.

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

• 프로펠러 Whirl 플러터 현상의 발견

– 1938년, 미국, 날개에 장착된 엔진 및 프로펠러의 마운트가 그 유연성으로 인해 일정 비행속도가 되면 격렬한 세차운동

현상을 보임.

– 록히드 Electra 터보프롭 수송기: 1967년, 2대 추락, 프로펠러 Whirl 플러터 현상이 그 원인임.

– 틸트 로터 항공기: 벨 XV-3, NASA XV-15, 벨-보잉 V-22 오스프리 등에서 최대속도에 대한 제한 인자로 등장함.

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

• 터보제트기에서의 공력탄성학적 불안정 (천음속 플러터)

– P-80 “Shooting Star”: 에일러론 “Buzz,” 에일러론의

운동과 날개 면에 발생한 충격파의 이동에 의한 떨림 현상 발생함.

Historical Development (1903 ~ 1950’s)

• 터보제트기에서의 공력탄성학적 설계

– B-47 “Stratojet”: 날개의 후퇴각 고려 및 공력탄성학적 테일러링 (재단)의 개념을 도입함.

Historical Development (1960’s ~ 2010’s)

• CFD를 이용한 사전 설계이용

– 컴퓨터를 이용하여 항공기의 운행시 구조적인 현상을 미리 파악하여 설계.

Modern Aircraft and its Structures

Modern Aircraft and its Structures

Modern Aircraft and its Structures

F-22

Modern Aircraft and its Structures

F-35

• 항공기 공력탄성학적 불안정 현상

– 정적 현상 – 동적 현상

– 난기류에 대한 응답 특성

– 고정익 항공기 – 회전익 항공기

– 터빈 엔진 블레이드

– 수력, 화력, 풍력 발전기

Aeroelastic Failures (2)

• 풍차

– 네덜란드

: 스파의 위치를 공기력의 중심인

¼ 시위에 위치시킴으로써 발생하는 공력탄성학적 문제를 해결하였다.

Aeroelasticity in 16 ^th Century

• Tacoma Narrows 교

– 미국

: 바람의 작용에 의해 비틀림 불안정이 심화되어 파괴에 이름.

Civil Structures

• V-22 오스프리

• 수직이착륙 또는 단거리 이착륙 능력을 가진 항공기임. (틸트로터 항공기)

• 전통적인 헬리콥터의 임무를 수행하면서도, 보다 먼 작전거리와 터보프롭 비행기의 빠른 속도를 가지도록 개발됨.

V-22 Osprey

• QTR (Quad TiltRotor)

• 4개의 틸트로터를 가진 항공기

• 다양한 임무수행과 큰 장비 수송이 가능할 것으로 보임

• 현재 Bell과 Boeing에서 개발 중

Quad TiltRotor Project

Boeing 787 Dreamliner

• 보잉 787

• 보잉사의 중형 쌍발 광동체 여객기

• 파생형에 따라 290명에서 330명까지 탑승할 수 있음.

• 높은 연료효율, 보잉의 항공기 중 최초로 기체의 대부분에 탄소복합재료 사용함.

• 객석수: 최대 330석

Airbus A380

• 에어버스 380

• 유럽연합의 에어버스가 제작하는 2층 구조의 초대형 항공기(세계에서 가장 큰 여객기)

• 최고속도: 약 시속 900km/h

• 객석수: 최대 853석