T2DF - 1 트윈-틸트덕트팬 비행체 구상

10여년 전, 틸트로터를 만들고자하는 열망에 이것저것 구상을 해본 적이 있다.

관련하여 여러 파츠를 모았지만, 지식과 금전적 측면에서 부족한 점이 많아 생각에서 멈추었다.

구상한 내용을 정리하려고 한다.

 

T2DF 는 대충 Twin-Tilt Duct-Fan 의 줄인 말이다.

 

트윈-틸트 덕트 팬 비행체 연구 동기

 

비행 개념

• 트윈 틸트로터
• 덕트 팬 + 추력 편향 제어(TVC, Thrust Vector Control)

틸트로터의 방식에 외부로 노출되어 FOD의 위험이 있는 로터가 아닌 가드가 있는 덕트팬을 이용할 경우, 어떤 식으로 비행 메커니즘을 만들어야할 것인가에 대해 고민했었다.

이때 F-35에서 본 추력 편향 제어와 해당 기체는 기체의 연료탱크 간 연료 이송을 통해 무게중심을 옮겨서 비행 특성을 조절한다는 글을 어디서 본 적이 있다.

틸트로터의 구조적 문제점인 추력 축 상에 무게중심이 필연적으로 위치할 수 없기 때문에, 피치 축의 가제어성을 위해 다음의 메커니즘이 들어가 있다.

• 틸트로터(V-22) : Cyclic Pitch Control을 통해 로터 디스크 면의 불균형적인 추력을 만들어서 피치 축을 제어

그러면 헬기와 같은 메커니즘을 사용하지 않는다면 다음의 메커니즘을 구상해볼 수 있다.

• Cyclic Pitch Control을 하지 않을 경우, 추력 편향 제어를 통해서 피칭 모멘트 발생
• 기체 내의 무게중심을 옮겨서 피칭 모멘트를 발생(전동 기체의 경우, 기체 내의 고중량 물체인 배터리 위치를 옮겨서)

해보기 좋은 것은 덕트팬에 TVC 였다.

그래서 구상한 내용을 정리한다.

 

 

1. Ducted Fan + TVC 제어 메커니즘 

구동기 정리

비행체의 제어 메커니즘을 위한 구동기는 다음과 같다.

• 덕트 틸팅 각도
• 추력 편향 각도

이를 조합해서 제어해보도록 한다.

 

VTOL 모드 - 종축 제어 메커니즘

다음과 같이 기체에 덕트팬이 달려있다고 한다면,

 

아래와 같이 로터의 틸팅 각도와 추력 편향 노즐의 각도를 직하방으로 유지함으로써

• 호버링하기 위한 추력을 유지하고
• 모멘트암을 이용하여 추력 축을 무게 중심에 있도록 조절한다. (1~3)
• 흡기로 인한 x축 힘(Fa)이 생긴다면 추력 방향을 직하방이 아닌 가속도 반대 방향으로 옮겨주면 되겠다. (4)

 

호버링 상태에서 피치 축의 제어 메커니즘

 

VTOL 모드 - 횡축 제어 메커니즘

횡축은 좌우 로터의 추력 불균형으로 제어해야 한다.

그러나 종축 제어 메커니즘에 양 쪽 추력을 동시에 사용하고 있기 때문에 다소 복잡하다.

이러한 경우엔 높은 추력을 내는 로터는 로터의 틸팅 각과 추력 편향 각을 줄이고, 낮은 추력을 내는 로터는 로터의 틸팅 각과 추력 편향 각을 높이는 방법으로 제어하면 해결할 수 있다.

 

고정익 모드

로터를 전방으로 기울이고 비행하면 된다. 다중 추력 비행체와 다를게 없다.

 

천이 구간

로터의 틸팅 각도와 추력 편향 각도를 조절하면, 호버링 추력을 유지하면서 전방 가속도를 만들어낼 수 있다.

로터의 틸팅 각도를 기울여주면 전방 가속도가 생성될 것이다.

일정 틸팅 각도 이상은 호버링을 하기 위한 추력이 더이상 나오지 않을텐데 그 전에 충분히 양력이 발생하는 전진속도가 만들어져야한다.

개인적인 생각으로는 천이 시에는 여객기가 플랩을 사용하듯이 높은 받음각(실속 받음각 즈음)을 만들기 위한 피치 제어를 하면서 천이되어야할 것이다.

 

 

 

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