수직 이착륙 무인기용 소형 덕티드팬의 공력성능 및 후류특성에 관한 실험적 연구

Experimental Study on Aerodynamic Performance and Wake Characteristics of the Small Ducted Fan for VTOL UAV

소형무인기의 틸팅방식 추진장치로 소형덕티드팬을 적용하였을 때 나타나는 공력특성을 분석하기 위해 직경 104mm 전기추진 덕티드팬의 공력특성을 풍동시험을 통해 살펴보았다. 소형무인기 운영조건에서 나타나는 현상을 살펴보기 위해 OPPAV 축소시제기의 제자리비행, 전진비행 및 천이비행 조건을 시험조건으로 채택하였으며, 6분력 발란스를 사용하여 덕티드팬의 추력 및 측력, 토크를 측정하였다. 비행체 주날개 및 꼬리날개에 영향을 미칠 수 있는 팬 후류를 파악하기 위해 5공 프로브를 사용하여 덕트 후방 250mm 단면의 3차원 속도벡터를 측정하였다. 제자리비행 및 전진비행 조건에서 덕티드팬의 추력 및 토크 특성을 파악하였으며, OPPAV 축소시제기에 적용하기 위한 조건을 도출하였다. 천이비행 조건에서 틸트각 40° 이하에서는 각도가 변하여도 추력이 유지되는 특성을 보이고 있으며 그 이후 각에서는 점차 증가하는 경향이 나타났다. 측력은 틸트각 75°까지 지속적으로 증가하는 경향이 나타났다. 제자리비행 및 전진비행 조건에서 60m/s 수준의 축방향 속도성분과 12m/s 수준의 원주방향 속도성분이 측정되었다. 틸트각이 증가함에 따라 축방향 속도 최대값 위치가 회전중심선을 벗어나는 경향이 나타나고 있으며, 단면 와류 중심도 유사한 위치로 이동하는 경향이 나타나고 있다.

Wind tunnel test for a small scale electric ducted fan with a 104mm diameter was conducted to analyze the aerodynamic characteristics when it was used as a propulsion system of tilt-propeller UAV. Experimental conditions were derived from flight conditions of a sub-scaled OPPAV. Forces and moments of the ducted fan model were measured by a 6-axis balance and 3-dimensional wake vectors which could induce an aerodynamic influence in the vehicle were measured by 5-hole probes. Thrust and torque on hover and cruise conditions were measured and analyzed to drive out the operating conditions when it was applied in the sub-scaled OPPAV. On transition conditions, thrust keep its value with tilt angle variation below 40° and increase after that. But, sideforce increase constantly until 75°. The maximum axial velocity in the wake on hover and cruise conditions was around 60m/s and tangential velocity was around 12m/s. The position of the maximum axial velocity and vortex center move off the fan rotation center line as the tilt angle increases.