24.43 소음 저감을 위한 로터 배치 최적화

1. 배치 최적화의 공력 음향학적 의의

멀티로터의 로터 배치는 개별 로터의 소음 특성뿐 아니라 다수 로터 간의 간섭 소음과 방사 패턴에 영향을 준다. 로터 배치 최적화는 블레이드 기하의 개별 설계 외에 시스템 수준에서의 소음 저감을 달성하는 접근이다. 주요 배치 매개변수는 로터 수, 상대 위치, 회전 방향, 회전 속도의 조합이다.

2. 로터 위치의 영향

로터의 상대 위치는 다음의 소음 특성에 영향을 준다. 첫째, 로터 간 팁 와류 상호작용에 의한 BVI 소음. 둘째, 후류 간섭에 의한 난류 소음. 셋째, 다수 로터의 음파 중첩에 의한 간섭 패턴. 넷째, 기체 중심부 재순환 유동. 일반적으로 로터 간격이 충분히 크면 상호 간섭 소음이 감소하지만, 기체 크기 증가의 트레이드오프가 있다.

3. 회전 방향의 조합

로터의 회전 방향은 반작용 토크 상쇄와 공력 간섭에 영향을 준다. 대표적 배치는 다음과 같다. 첫째, 교대 회전(alternating rotation): 인접 로터가 반대 방향으로 회전. 둘째, 동일 회전: 모든 로터가 같은 방향으로 회전(틸트 로터로 보정). 셋째, 대칭 배치(symmetric pairing): 반대 위치 로터가 반대 방향. 각 조합은 소음과 공력에 다른 영향을 준다.

4. 비동기 회전

멀티로터의 각 로터가 미세하게 다른 회전 속도로 운용되는 비동기 회전(asynchronous rotation)은 다음의 소음 특성을 가진다. 첫째, BPF 주변에 여러 톤 성분 분산. 둘째, 맥놀이 주파수(beat frequency) 발생. 셋째, 전체 음향 에너지가 좁은 주파수에 집중되지 않음. 넷째, 톤 성격 완화로 청감적 인상 개선. 일부 연구에서는 의도적 비동기 회전이 소음 저감 방법으로 탐색되고 있다.

5. 위상 제어

다수 로터의 회전 위상을 제어하여 소음 파의 상호 간섭을 이용하는 접근이 있다. 주요 방법은 다음과 같다. 첫째, 특정 방향으로의 상쇄 간섭을 위한 위상 조정. 둘째, 소음 방사 방향성의 능동 제어. 셋째, 지상 관측점에서의 소음 최소화 위상. 이러한 접근은 이론적으로 제안되고 있으며, 실용 구현은 정밀한 회전 제어 기술이 필요하다.

6. 배치 기하의 대칭성

기체 배치의 대칭성은 소음 특성에 영향을 준다. 원주 상 균등 배치된 헥사로터와 옥토로터는 주변으로 비교적 균일한 소음 방사를 제공한다. 비대칭 배치는 특정 방향으로 소음이 집중되는 결과를 유발한다. 소음 특성을 고려한 대칭 배치는 지상 관측자에게 균일한 소음 환경을 제공한다.

7. 로터 간격과 소음

로터 간격과 소음의 관계는 다음과 같다.

이 표는 로터 간격과 상호 간섭 소음의 일반적 경향을 요약한 것이다. 소음 저감을 위해서는 충분한 간격이 유리하나, 기체 크기의 제약이 있다.

8. 분산 배치

분산전기추진(DEP) 구성은 다수의 소형 로터를 넓게 분산 배치한 것이다. 이 구성의 소음 이점은 다음과 같다. 첫째, 개별 로터 직경이 작아 팁 속도 감소. 둘째, 총 블레이드 수 증가로 BPF 주파수 상향. 셋째, 로터 간 간격 증가로 상호 간섭 감소. 넷째, 소음 원천의 공간적 분산으로 방사 패턴 완화. NASA의 GL-10 Greased Lightning, Joby S4 등이 이 접근을 채택하고 있다.

9. 수직 및 경사 배치

로터 축이 기체 수직 방향에 대해 기울어진 경사 배치는 소음 지향성에 영향을 준다. 기울어진 축으로 인해 지상 방향으로의 소음 성분이 재분배된다. 이러한 배치는 도심항공교통 기체에서 저소음 비행 자세 설계에 활용될 수 있다.

10. 기체 동체와의 상호작용

로터와 기체 동체 사이의 거리와 기하학적 관계는 상호작용 소음에 영향을 준다. 주요 고려 사항은 다음과 같다. 첫째, 동체 표면에서의 후류 반사 최소화. 둘째, 탑재 장비와 후류의 공기역학적 간섭 감소. 셋째, 동체 형상이 음향 차폐 효과 제공. 넷째, 로터 후류와 다른 구조물의 상호작용 방지.

11. 최적화 기법

소음 저감을 위한 로터 배치 최적화는 다음의 기법이 활용된다. 첫째, 매개변수 탐색(parametric sweep). 둘째, 유전 알고리즘 등의 진화 알고리즘. 셋째, 기울기 기반 최적화. 넷째, 표면 반응 방법(response surface method). 다섯째, 기계 학습 기반 최적화. 이러한 기법들이 다양한 배치 후보 중에서 최적을 탐색한다.

12. 검증 절차

배치 최적화 결과의 검증은 다음의 절차로 수행된다. 첫째, CFD-CAA 결합 해석으로 다양한 배치 평가. 둘째, 풍동 및 무반향실에서의 실측. 셋째, 야외 비행 시험. 넷째, 청감적 평가와 규제 준수 확인. 다섯째, 공력 성능과의 트레이드오프 평가. 이러한 검증은 설계의 실효성을 확인한다.

13. 실용 사례

저소음 배치 최적화의 실용 사례는 다음과 같다.

이 표는 저소음 배치 최적화의 실용 사례를 요약한 것이다. 각 기체는 임무와 성능 요구에 맞는 배치를 채택하고 있다.

14. 로봇공학적 의의

로터 배치 최적화는 자율 비행 로봇의 다음 측면에 기여한다. 첫째, 시스템 수준의 소음 저감. 둘째, 도심 운용의 사회적 수용성. 셋째, 다양한 임무 요구의 대응. 넷째, 기체 설계의 종합적 최적화. 다섯째, 차세대 기체 형식의 탐색. 이러한 의의는 로터 배치가 자율 비행 로봇 설계의 중요한 변수임을 보여 준다.

15. 출처

• Moore, M. D. “Misconceptions of Electric Aircraft and Their Emerging Aviation Market.” AIAA SciTech Forum, AIAA Paper 2014-0535, 2014.
• Brentner, K. S., and Farassat, F. “Modeling Aerodynamically Generated Sound of Helicopter Rotors.” Progress in Aerospace Sciences, vol. 39, 2003.
• Leishman, J. G. Principles of Helicopter Aerodynamics, 2nd ed. Cambridge University Press, 2006.
• Zawodny, N. S., and Boyd, D. D. “Investigation of Rotor-Airframe Interaction Noise Associated with Small-Scale Rotary-Wing Unmanned Aircraft Systems.” Journal of the American Helicopter Society, vol. 65, no. 1, 2020.
• Hubbard, H. H. (ed.). Aeroacoustics of Flight Vehicles: Theory and Practice, Volumes 1–2. NASA Reference Publication 1258, 1991.

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