커뮤니티
스포츠
토론장


HOME > 커뮤니티 > 밀리터리 게시판
 
작성일 : 22-11-28 21:39
[기타] F-35B 를 통해 본 덕티드팬의 능력
 글쓴이 : archwave
조회 : 3,563  



틸트 덕트기에 꽂힌 모 회원님께서 허구헌날 올리시는데, 과연 얼마나 현실성 있는 것인지 F-35B 의 수직 이착륙을 위한 리프트팬을 통해 살펴봅니다.

엔진의 추력편향노즐을 통한 추력 (양력) : 18,000 파운드 ( 8.1647 톤 )
엔진의 압축팬축에서 얻어낸 29,000 마력을 전달받은 동체 앞쪽 리프트팬에 의한 추력 (양력) : 20,000 파운드 ( 9.0718 톤 )
엔진의 압축팬에서 나오는 공기를 양날개쪽 분사구로 보낸 것에 의한 추력 (양력) : 좌/우 각각 1,950 파운드 ( 0.8845 톤 ) 씩

추력 (양력) 총합계는 41,900 파운드 ( 19.0055 톤 ) 에 달하지만, 내부연료만 채운 기체 무게 21 톤 가량에도 미치지 못 하기 때문에 수직 이륙 능력은 없는 것으로 간주되고요.

F-35B 엔진의 추력은 27,000 파운드, 애프터버너까지 켰을 경우 41,000 파운드보다 더 큰 추력이 나오는 이유는 수직 이착륙 모드에서는 연소가스 배출에 의한 추력만이 아니라 프롭팬 엔진 ( https://namu.wiki/w/%ED%94%84%EB%A1%AD%ED%8C%AC ) 과 같이 바이패스비가 매우 높은 엔진처럼 동작하기 때문입니다.

F-35B 의 리프트팬은 동축 반전 헬리콥터의 로터를 1/10 이하로 축소한 형태에 가깝습니다. 프롭팬 엔진처럼 서로 역방향으로 회전하는 팬이 달린 형태죠.
다만 프롭팬의 팬과 달리 팬의 겉이 둘러싸여 있으므로 덕티드팬의 특성 또한 갖고 있고요.

덕티드팬의 최고봉은 F-35B 의 리프트팬이라 봐도 될 듯 합니다.

---------------------

그런데 덕티드팬을 항공기에 실제로 활용하는 사례가 있습니다.
하늘 아래 새로운 것 없다는 말처럼 생각할 수 있는 모든 것은 이미 만들어져있다고 봐야 할 모양입니다.

BMW 의 오토바이 S1000RR 의 엔진 (193~212 마력 수랭 4스트로크 DOHC 직렬 4기통) 을 사용해서 덕티드팬을 돌려서 나오는 힘으로 날아다니는 2 인승 경량 스포츠비행기가 있거든요.
카본섬유로 동체를 만들어서 공허중량이 322 kg 밖에 안 됩니다. 연료 다 채우고 두 사람이 타도 0.6 톤도 안 되겠네요.

F-35B 의 리프트팬과 비슷한 것을 UL-39 ALBI 동체 안에 수평 방향으로 넣었기 때문에 외형만 보면 프로펠러 같은 것은 없고 제트엔진을 넣은 것처럼 보이죠.

200 마력 정도로 0.6 톤을 날릴 수 있는 것은 기체 무게에 비해 엄청나게 큰 날개로 양력을 얻기 때문이고,
틸트 덕트기등에서 이 정도의 효율 (마력당 3 kg) 을 보일 수 있는 것은 아닙니다.
틸트 덕트로 유인기 만든다는 소리가 안 나오는 이유입니다. 소형 무인기나 초경량 비행기에서나 가능한 얘기니까요.

날개의 도움없이 양력을 덕티드팬만으로 얻는다면 F-35B 처럼 29000 마력으로 9 톤 (마력당 0.31 kg) 정도를 커버할 수 있는 정도가 한계일 것입니다.
K-2 흑표의 엔진 출력이 1500 마력 (1119 kW) 인데, 이걸로도 466 kg 밖에 감당 못 한다는 얘기이기도 하고요

전통적(?)인 방식에서는
2차대전때 프로펠러 전투기 P-51 머스탱이 1490 마력엔진으로 5488 kg 커버. 마력당 3.68 kg
아파치 헬기가 마력당 2,616 kg
이 정도가 얻어집니다. 덕티드팬의 최고봉이라 할 F-35B 의 리프트팬을 까마득히 넘어서는 효율이죠.

오스프리(V-22) 가 수직이륙할 경우 마력당 1.75 kg
단거리이륙의 경우 마력당 2.03 kg

---------------------

여기까지만 보면 SF 영화에 나오는 양 날개 가운데 각각 덕티드팬 넣은 전투기들이 종횡무진할 수 있을 것 같은데,
위에 말한 추력 (양력) 은 어디까지나 지표면에서나 얻을 수 있는 수치입니다.

양력과 실속속도 계산 ( https://m.blog.naver.com/kirc/221231005690 ) -- 에서 알 수 있듯이

추력(양력) 은 날개면적과 비례하고 공기밀도와 비례하며 속도의 제곱에 비례합니다.

팬의 경우 팬의 테두리 부분의 회전 속도 한계가 있습니다.
F-35B 의 리프트팬이나 헬리콥터 로터 끝, 프로펠러 전투기의 프로펠러 끝은 거의 음속에 가까운 속도로 움직이죠.

헬리콥터 로터의 경우는 소형 헬기라도 초당 10 회전 ( 600 RPM ) 이면 벌써 그 끝은 음속입니다.
날개의 안 쪽은 한참 느린데 끝 쪽은 음속 ? 설계/제어하기 골치아픈 것은 둘째치고 효율도 팍팍 떨어집니다. 심지어 실속까지 일어남.

따라서 팬이든 프로펠러든 어떤 종류든 결국 추력(양력)이 공기밀도와 비례한다는 얘기고요.

해발 5400 미터만 올라가도 공기밀도가 절반으로 떨어집니다. 추력(양력) 이 절반이 된다는 얘기.
꼬꼬마 대공미사일을 피하려 해도 이 정도는 올라가야 하고, 2 차대전때 쓰던 대공포 포탄도 이 정도 고도는 쉽게 도달했습니다.

일반적인 항공기는 엔진이 동작할 수만 있다면 속도를 높여서 날개에 의한 양력을 증가시킬 수 있기 때문에 고도를 높일 수 있지만,
헬리콥터등 로터/팬으로 양력을 얻는 경우 공기밀도의 제약을 100 % 받기 때문에 최대 상승 고도 한계가 정해집니다.

---------------------

아바타에 나오는 스콜피언 건십도 중력이 약하고 공기밀도가 높은 행성이라서 실용적이라는 전제가 깔려있죠.

틸트 덕트기가 나름 장점이 많아보이는데도 실제로 나오는 물건이 없는 것은 다 이유가 있는겁니다.

조만간 민간용으로 경량 유인 틸트 덕트기가 나올 수도 있어 보이긴 한데,
실제로 나온다면 그 때 가서 조심스럽게 군용으로도 가능할까 생각해볼만 하죠.
군용 유인기는 민간용 경량기에 비해 훨씬 무게가 나갈 것이고,
무장을 다는 것이 아니라 그냥 정찰기 수준으로는 가능할지도 모르겠습니다만, 그런 용도면 그냥 무인기만 쓰고 말 일이겠고요.
출처 : 해외 네티즌 반응 - 가생이닷컴https://www.gasengi.com


가생이닷컴 운영원칙
알림:공격적인 댓글이나 욕설, 인종차별적인 글, 무분별한 특정국가 비난글등 절대 삼가 바랍니다.
ravana 22-11-28 21:56
   
이런 귀찮은 설명을 하시느라 고생 하셨습니다.. 저도 많이 배웠습니다
하지만.. 그 분의 집착을 해소하기에는.. 어떨지.. 비관적인 마음입니다 ㅋㅋ
     
정의기사 22-11-29 05:49
   
조선 양반식  그 넘에  안되~ 안되~  타령.  풉.
          
archwave 22-11-29 06:17
   
[ 조선 양반식  그 넘에  안되~ 안되~  타령.  풉. ] ---- 대체 어디에 조선 양반은 무조건 안 된다 하더란 얘기가 있던가요 ? 저 아래 글/댓글부터 계속 조선인, 조선 양반 타령하시는데 국적이 어디신지 의문스러울 지경입니다.
푹찍 22-11-28 22:41
   
밀게는 이런걸 배척하면 안됨 ㅋ
archwave 22-11-29 00:22
   
다음 내용을 위 글에 추가했습니다.
-----------------
전통적(?)인 방식에서는
2차대전때 프로펠러 전투기 P-51 머스탱이 1490 마력엔진으로 5488 kg 커버. 마력당 3.68 kg
아파치 헬기가 마력당 2,616 kg
이 정도가 얻어집니다. 덕티드팬의 최고봉이라 할 F-35B 의 리프트팬을 까마득히 넘어서는 효율이죠.

오스프리(V-22) 가 수직이륙할 경우 마력당 1.75 kg
단거리이륙의 경우 마력당 2.03 kg
구원파밥줘 22-11-29 02:34
   
글 잘 보았습니다.
그런데 의문이 드는게
헬기 동체 위에 날개를 달면 추력이 더 생기는 건가요?
또 헬기 동체 위에 달려 있는 그 날개를 그대로 동체 옆에 달면 추력이 더 떨어지는 건가요?
     
archwave 22-11-29 03:04
   
추력이나 양력이나 본질적으로 같은 성격인데, 항공기의 진행 방향으로 작용하는 힘은 그냥 추력이라 하고 항공기의 윗면으로 수직방향 추력은 양력이라고 하는 것이 일반적이라 보고요.

말씀하신 추력은 양력의 의미인 것으로 보고 말하겠습니다.

일단 헬기의 로터에 의해 아래로 내려오는 바람이 헬기에 달린 날개에 영향을 주기 때문에 날개의 위치에 따라 날개가 발생하는 양력도 변화할 수밖에 없겠죠. 아무래도 동체 위보다는 아래쪽 ( 옆쪽 ) 에 다는 편이 그런 영향을 줄일 수 있고 양력 발생에도 유리할 것으로 봅니다.

다만 동체 아래쪽 ( 옆쪽 ) 에 달 경우 탑승한 사람들의 동선에 방해가 될 수 있기에 헬기의 목적에 따라 선택할 문제로 봅니다.

그리고 날개는 기본적으로 맞바람에 의해 양력을 발생하는 것이고, 헬기가 호버링하는 등 정지 상태에서는 양력이 생기지 않을 것이고요.
     
archwave 22-11-29 03:56
   
아무래도 위 얘기가 아닌거 같네요.

일반적인 헬리콥터처럼 동체 위에 로터가 달린 것과
오스프리나 틸트 덕트기처럼 동체 양쪽에 로터가 하나씩 있는 것 사이 비교 같군요.

둘 사이에 양력 차이는 없다고 봐도 되겠지만,
로터의 직경이 클수록 효율적이 될 수 있습니다.
또한 로터 축에는 기체의 무게가 전부 다 걸리기 때문에 동체 위에 하나가 있는 것이 기체의 중량 대비 강도 면에서 좋겠고요.

다만 대형 헬기의 경우 로터 직경이 너무 크면 동축 반전이 아닌 이상 로터 회전의 반작용이 너무 커지고 로터축에 걸리는 무게도 너무 커지기 때문에 동체의 앞 뒤에 로터 하나씩 하는 편이 좋겠고요.
     
구름위하늘 22-11-29 11:03
   
아니요 추력 (또는 양력)의 차이는 없습니다.

선택의 문제이기는 하지만,
회전익기가 뜰 수 있으려면 회전 날개의 크기가 매우 커야  합니다.

동체 옆에 달려면 그 큰 2개의 회전날개를 양쪽에 넣는 방식이여야 하는데,
비행 안정성 때문에 회전날개가 동체에서 어느 정도 떨어져야 하고,
거기에 2개의 날개를 부착해야 하니 비행체가 옆으로 크게 넓어져야 합니다.

비행체의 폭은 길이에 비해서 문제가 되는 경우가 많습니다. (격납고 출입 등 )
또 다른 문제는 양쪽 회전날개 방식은 수평방향의 조정성이 떨어진다고 합니다. (항모 이착륙에 문제가 더 많이 발생)

일반 헬기에서는 이외의 다양한 회전날개 배치 방법이 가능한데,
틸트로터 방식에서는 양쪽 회전 날개 방식이 거의 유일한 방법이니 이런 단점을 안고서
틸트로터 만의 장점을 살려야 합니다.
Republic 22-11-29 03:45
   
다들 축구때문에 우울한데..
혼자 또..
     
archwave 22-11-29 04:03
   
축구 하기 전에 글 썼고, 끝나고 나서 댓글 달았습니다.
우울한건 우울한거고 글 쓴거 A/S (?) 는 별개의 문제.

저도 기분 착 가라앉았고, Republic 님도 우울하신 모양이군요.
     
archwave 22-11-29 04:09
   
그건 그렇고, 제가 "다른 국가에는 다 져도 일본만 이기면 된다." 라고 하던 세대라 그런지 가나에 졌다는 것에는 무감각(?)한데, 일본은 1 승 1 패인데 한국은 1 무 1 패인 것이 더 씁쓸하네요.
정의기사 22-11-29 05:47
   
F35랑    동체로 막혀  양력 방해 되지 않는  양날개  팬 덕트랑  비교하는건 어불 성설이고요.

덕트 팬에  연료탱크를 옮기는 것 만큼  무게는 똑같습니다.
오히려  동체에 가로막혀  방해 되지 않는  덕트 팬 효율이  30~ 60% 좋은  걸로  KARI 연구원이 말했습니다.

님은  직접 실증 제작 연구 해보시고  다른 데이타만 가져오는지 의문입니다.


링크도  덕트 팬  비행기도 아니고.


무엇보다.  덕트 팬  장점은..  이젝션 가능 헬기  생존성입니다.  덕트 팬 보호 안전성이고요. 
양력도 ,  틸트덕트 덕으로 전진속도  더 증가하고.

이제  남은 건  돈 투자해서  개발만 하면 됩니다.

조선 양반 식 무조건  안된다  ~  타령 하면 안되고.

하면 됩니다.

먼저 무인기부터 개발하고~ 
국방부도  추진한다고 하는거 보니깐.
     
archwave 22-11-29 06:16
   
틸트 덕트 유인기 개발한다는 소식이나
적어도 5 톤 이상의 틸트 덕트 무인기 개발한다는 소식이라도 들고 와서 얘기하세요.

F-35B 의 리프트팬도 엄연히 덕티드팬입니다. 또한 방해 따위 받는 것 없죠.
오히려 외부 기류의 영향을 심하게 받을 수밖에 없는 틸트 덕트기의 팬보다 유리한 조건입니다.
다만 직경이 작아서 효율이 나쁠 수밖에 없는데, 틸트 덕트기가 실용성 가질려면 F-35B 의 리프트팬 수준은 아니라도 직경이 작아야 하고요.

틸트 덕트기의 팬이 커진다면 그냥 오스프리 같은 틸트 로터기나 별 차이없는 물건이 됩니다.
덕트 달아서 효율이 좋아진다면 왜 오스프리에 덕트를 달 생각을 안 할까요 ?
항공모함에 탑재하는 것이야 적재 공간 때문에 로터를 접어야 한다지만,
항공모함에 탑재 안 하는 것도 덕트 달 생각을 안 하죠.

덕트 팬에 연료 탱크 옮긴다고요 ? 대체 얼마나 큰 덕트 팬을 만들기에 유의미할 정도의 연료 탱크가 들어갈 것 같은가요 ? 꼬꼬마 무인기라서 애초에 연료 소모 적으니 그것도 말 되는거죠.
위에 제가 말한대로 5 톤 이상급 되면 이건 농담밖에 안 되는겁니다.

틸트 덕트기니 뭐니 하지만 본질적으로 오스프리나 차이날 것도 없습니다.
테두리 두르고 (효율이 더 나빠지는 방향인) 로터 직경 줄였다는 것뿐이죠.
[ 양력도 ,  틸트덕트 덕으로 전진속도  더 증가하고. ] --- 오스프리 같은 틸트 로터기도 이건 마찬가지.

옛날 2 차대전때 프로펠러 전투기들의 기술 성숙도는 대단했죠.
그 전투기들의 프로펠러에 왜 덕트를 달지 않았을까요 ? 덕트를 단다 해서 성능이 좋아진다는 보증이 있는 것이 아닙니다.

몇 % 추력 향상했다느니 뭐니에 단단히 낚이신 모양인데, 비교대상이 뭔지도 생각해보셔야 할 겁니다. 예전 덕티드팬에 비해 향상시켰다는 얘기이거나 쿼크콥터 대비 얘기일거고, 예전 덕티드팬이 어땠나 자료 없으면 몇 % 추력 향상은 참고할 자료가 안 되는거죠.

이젝션 가능 어쩌고 하는데, F-35B 의 리프트팬 수준으로 ( 효율 나빠지는 방향인 ) 직경 줄이기하지 않는 이상 이젝션 가능하다 해서 헬기가 로터 날리고 이젝션 하는 것에 비해 생존성 면에서 더 유리해질 것도 없습니다.

[ 조선 양반 식 무조건  안된다  ~  타령 하면 안되고. ] ---- 대체 어디에 조선 양반은 무조건 안 된다 하더란 얘기가 있던가요 ? 저 아래 글/댓글부터 계속 조선인, 조선 양반 타령하시는데 국적이 어디신지 의문스러울 지경입니다.
     
구름위하늘 22-11-29 11:24
   
F-35B의 리프트팬은 동체에 막혀있지 않습니다.

F-35B의 수직이착륙 영상이나 관련 이미지를 보면 항상 동체의 리프트팬 커버을 올리고,
수직 이동을 하는 모습을 볼 수 있습니다.

F-35B를 잘못 알고 계신 것 같네요.

참고자료 : https://www.icas.org/media/pdf/ICAS%20Congress%20General%20Lectures/2016/2016%20Innovation%20award%20LiftSystemTalk.pdf

10페이지를 보면 LiftFan 과 3BSM(벡터 메인 엔진)으로 수직 방향의 양력을 얻는 것을 볼 수 있습니다.
2가지의 조합으로 양력을 얻는 것이라 틸드로터와는 분명이 다르지만,
F-35B의 회전익인 리프트팬이 동체에 가로막혔다는 표현은 틀린 것 입니다.

재미(?)있는 점은 벡터 메인엔진에서 얻는 연소가스의 힘보다
리프트팬으로 뿜어져나오는 풍력이 더 쎄다는 것입니다.
각각 18,000lb vs 20,000lb

이외에 양쪽 수평을 잡기 위한 2개의 Roll Post가 있는데,  1950lb 의 힘을 가진다고 합니다.
archwave 22-11-29 06:36
   
[ 덕트 프로펠러 장점 ] 으로 구글링해보니 첫번째로 이게 뜨네요.

https://brunch.co.kr/@dronestarting/652
위 페이지 글을 보면 어쩐지 업체의 홍보 느낌조차 나는데요.
장점을 설명하는 글임에도 불구하고 다음과 같은 문구들이 있습니다.

사용하던 드론에 덕트를 만들어 설치한다면 늘어난 무게 때문에 배터리와 모터를 뜨겁게 혹사해야 합니다.
덕트는 드론의 전진 비행을 방해합니다.
고도를 바꿔가며 회전하는 비행에는 덕트의 영향으로 그다지 안정적이지 못 합니다.
요란한 비행을 포기하면 덕트는 올바른 선택인가 봅니다.
archwave 22-11-29 06:47
   
프로펠러/팬에 덕트를 설치할 경우 장점으로 날개 끝에서 생기는 와류 (tip vortex) 를 방지할 수 있다는 것을 드는데요.
이건 덕트를 안 써도 해결할 방법이 있습니다.

고정익이나 회전익이나 둘 다 날개가 맞바람을 맞으면서 양력을 발생한다는 점에서는 같은데요.

고정익 항공기에서 날개끝 와류 (wingtip vortex) 를 막기 위해 윙렛을 쓰죠.
( https://namu.wiki/w/%EC%9C%99%EB%A0%9B )

위 페이지 주석 1 번을 보면 [ 날개의 전체적인 형상이 타원형일 경우 tip vortex 가 이론적으로 완전히 억제된다 ] 는 말이 있습니다. 2차대전때 프로펠러 전투기 명작이었던 스핏파이어 전투기의 날개가 바로 이런 형상이었죠.

즉 이 말은 프로펠러/팬의 날개 끝 부분도 타원형으로 만들면 tip vortex 가 사라진다는 얘기입니다.

그리고 역시 위 페이지에 보면 [ 전투기나 곡예비행기들은 (윙렛을) 보통 사용하지 않는다. 급기동시에는 윙렛이 오히려 공기저항을 더 만들어내는 역할을 하기 때문. ] 이라는 말이 있습니다.

윙렛이나 덕트를 쓰는 것이 아니라, 스핏파이어의 날개 형상처럼 프로펠러/팬의 날개 끝 형상을 타원형으로 만드는 것이 답이란 얘기이기도 합니다.

프로펠러 전투기부터 시작해서 프로펠러/팬을 쓰는 고정익기, 헬기 등등 수많은 항공기에서 덕트를 왜 쓰지 않을까에 대한 답이기도 합니다. 덕트를 안 써도 덕트를 써서 나오는 장점은 다른 방법으로 얻어낼 수 있기 때문입니다. 딱 하나 사람이 프로펠러 근처에 갔다가 다칠 가능성을 줄여주는 장점만이 덕트의 고유 장점으로 남는 셈입니다.

드론 같은 초소형 기체에서 프로펠러/팬의 날개 형상 최적화보다는 덕트 설치쪽이 더 나을 수도 있다는 뜻일 뿐입니다. 물론 기동성과 효율을 포기해야 하겠지만요.
ㅣㅏㅏ 22-11-29 06:56
   
걍 어그로에요. 이렇게 양질의 반박글이 아깝죠. 좋은글 잘 봤습니다.
archwave 22-11-29 07:00
   
아마 컴퓨터에도 친숙할 사람일테니, PC 의 CPU 쿨러를 예로 들어 말해볼께요.

일반적인 쿨링 팬들은 판 날개 주위를 프레암아 감싸고 있습니다. 케이스 같은 곳에 고정하기 위해서라도 그런게 필요하죠.
덕티드 팬이라 볼 수도 있습니다. ( 본격적인 덕티드팬은 아니란 얘기 )

그런데 인텔의 정품 CPU 쿨러를 보면 팬 날개 주위에 그런게 없고 개방 상태입니다. 덕트나 테두리가 아예 없죠.
대신 날개 형태를 자세히 보면 일반적인 쿨링팬 날개와는 조금 달라서 위 댓글에 말한대로 타원형에 가깝습니다.
날개 형상에 의해 tip vortex 를 없앴다는 얘기입니다.

---- 이제 결론(?)을 말할께요. ----

틸트 덕트기를 만든 이유는 별거 없습니다. 그냥 그 구조 그대로 틸트 로터기를 만드는 편이 성능면에서는 오히려 좋았을테지만, 드론 회수 안정성을 위한겁니다. 지상에 착지할 때 팬 날개 파손 가능성 때문에 팬 날개를 보호하는 테두리를 단 것이고 이왕 단 김에 팬 날개 형상 최적화를 하지 않고도 tip vortex 를 제거할 수 있게 테두리가 덕트 역할하게 만든거죠.

[ KARI 에서 만들었다는 틸트 덕트기 = 틸트 로터기 ] 이렇게 봐도 별 무리 없습니다.
     
구름위하늘 22-11-29 11:35
   
저 분(?) 컴퓨터에 친숙한 분이 아닐 것 입니다.
PC 사용자이겠지만, PC의 원리나 CPU 쿨러 등은 별로 관심이 없는 분으로 보입니다.

간단한 회전익과 고정익의 매카니즘에 대한 이해도 없는 분이라서 이공계가 아닐 가능성이 높습니다. CPU 쿨러가 뭐하는 것인지 모를 가능성이 높으니, 이런 좋은 설명이 낭비될 것 같습니다.
ㅎㅎㅎ
벽돌 22-11-29 15:36
   
새벽에 우울한김에 글썻다가 현타와서 지웠는데.. 또..