HYPR 프로젝트를 통한 차세대 초음속 및 고속 수송기용 엔진의 핵심 기술 개발 성과와 소음 저감 연구 doc_id CNTS-00049141479_1

최근 미간수송기 개발의 동향으로서는 리조날기의 제트화, 에어버스 A380 개발에서 발견할 수 있는 점의 초대형화· 대량수송 흐름에 더하여 보잉이 계획중인 250석기를 중핵으로 한 중형기 소닉 크루저 개발, 이른바 고속화의 흐름이 있다. 미국에서는 1970년대부터 계속적으로 실시되어 온 초음속기 개발 프로젝트의 흐름을 참작하여, 1990년대에는 HSPR 프로젝트가 21세기 당초의 차기 초음속여객기의 상용운항을 지향하여 진행되어 왔지만 보잉사의 사내 재정사정의 영향등에 본 프로젝트(1998년)는 돌연 중지되어 버렸다. 단지 그 후에도 기체의 내열재료의 내구성 검토 등 개발작업은 계속되고 또한 엔진측의 연구개발작업도 UEET(UltraEfficient Engine Technology)프로젝트라고 하는, 보다 일반적인 분야를 망라한 형태의 프로젝트중에서 초음속기 엔진에 적용 가능한 기술의 개발이 계속하여 진행되고 있다. 순항속도 마하 0.95∼0.98이라고 하는 소닉크루저의 개발은 스피드에 대한 요청의 존재를 강하게 의식하고 있는 것으로 생각되며 차세대 초음속 수송기개발의 기체운항을 예상시킨 것이라고 생각할 수 있다. HYPR 프로젝트는 구 통상산업성 (현재, 경제 산업성) 공업기술원 산업과학 기술연구 개발제도에 근거하여 신 에너지 · 산업기술 종합개발기구와의 사이에서 국내 엔진 메이커 3사로 구성되는 HYPR조합(현재, ESPR조합으로 개칭), 및 해외에서도 미국 UTC사, GE사, 영구 RR사, 프랑스 Snecma사 각각 계약을 체결하여 각 사의 유리한 분야, 보유한 설비 등을 최대한으로 활용하면서 공업기술원의 지도하에 일체가 되어 연구 추진이 도모되었다. 국립연구소에서도 항공우주기술연구소, 기계기술연구소, 오사카 공업기술연구소, 계량 연구소(모두 1989년 당시의 명칭)와 더불어 특히 기초적 · 선진분야의 연구, 대형특수시험설비, 수치풍동등을 활용하여 민간기업과 보조를 맞추어 연구가 진행되었다. SST/HST용 엔진의 특징의 하나는 비유력이 큰 것에 있다. 이를 위해 HYPR 프로젝트에서는 목표 터빈 입구 온도를 1,700℃라고 설정한 각종 요소연구가 전개되었다. 1,700℃의 고온 가스에 드러난 고압 터빈의 기술 확립이 열쇠를 쥐고 있다. 터빈익의 냉각설계에 관해서는 모델 날개를 이용한 기초시험을 신중하게 쌓아 올려져 개량이 더해졌다. 날개면에 펼쳐진 필름 냉각구멍은 Diffuser형으로 면적이 변화하는 타입을 채용하고 , 뒤쪽에는 단형 형상, 복부면에는 정방형 구멍형상을 채용하여 냉각성능의 대폭적인 개선을 실현하였다. 날개 각부의 온도 예측에도 CFD 기술을 적용하고, 엔진 실증에 우선 만전의 준비를 다하였다. 이러한 요소기술개발의 성과를 근거로, VCE의 코아가 되는 고압부분의 기술 실증을 목적으로 하여 HTCE 엔진이 설계 · 시작되고, 자사 미즈호 공장에서 운전시험이 실시되었다. 마하 3의 실기온도 조건을 모의하기 위해서 입구 가열장치가 설치되어 약 335℃에 유입공기가 가열되고, 터빈 인구온도 1,700℃의 상태에서 15분간 연속 운전을 시행하였다. HYPR 프로젝트의 10년 연구개발에서는 방대한 기술적인 성과가 얻어지고 있지만 여기에서는 지면의 제한도 있고, 주로 자사(IHI)가 담당한 분야에 따라 주요성과를 소개하겠다. 마하 3까지 작동하는 VCE 압축기는 입구 온도가 300℃을 넘어 수정 회전 수를 낮게 억제하는 것이 기계설계에서 요구되고, 저속고부하의 압축기 설계가 필요하게 된다. 또한, VCE을 실현하기 위해서는 serge margin 을 크게 확보하는 것이 필요해진다. 설계에는 수치유체 해석(CFD) 방법을 활용하여, 혁신적인 3차원 점성을 유체 시뮬레이션 기술에 의해 2차 흐름을 억제하는 Bow -Stacking 3차원익이 개발되었다. 종래 설계 방법에 비해서, 익단부의 2차 흐름이 억제되어 있고, Politropic 효율91%, 또한 serge margin도 25% 이상 확보가 테두리 시험에서 나오는 것이 확인되었다. CFD 분야는 IT분야의 급속한 진보에 있어 오늘날 세계적으로 주목되고 있는 분야이고 , 특히 일본이 기술적 우위성을 나타내는 잠재력이 큰 영역이다. HYPR 프로젝트의 압축기개발 · 설계 기술개발의 진전은 아음속 엔진 개발의 분야에도 폭 넓게 파급되어 각종 프로젝트의 일본 지위향상에 공헌하고 있다. 세라믹 기복합재의 tail coin도 시작(試作) · 장착되어, HTCE 엔진배기온도 1,260℃ 환경에서 그 건전성이 실증되었다. 엔진은 운전 후 검사를 위해 분해되고 부품상태의 확인을 시행하였지만, 하등의 문제가 될 손상 · 변색은 인정되지 못했다. 운전 중에 계측된 터빈익, 터빈 디스크의 각부 온도도 예측치와 잘 일치하고 있다는 것이 확인되어 일련의 초고온 터빈의 혁신적인 설계기술의 건전성을 실증하였다. HTCE 엔진에 더불어, VCE와 CCE가 기술실증을 위해서 설계 · 시작· 엔진 운전에 제공되었다. 자사는 담당부위와 더불어, 시작 엔진 전체의 통합의 정리를 담당하였다 후자 두개의 시작 엔진에 관해서는 기능 확인시험을 미즈호 공장에서 실시한 후 GE사의 고공성능시험설비를 이용하여 VCE에서는 터보팬, 램 제트의 사이클 전환기능의 확인이 각각 실기 고공 조건하에서 실시되어, 설계의도대로 작동이 확인되었다. 이러한 엔진 통합의 실적을 쌓는 것으로 엔진 배치 분야의 기술력에 관해서도 큰 진전이 의도된 것이었다고 생각된다. 저음규제의 세계적인 흐름에 따라 간단히 접한다면, 아음속기에 관해서는 오랜 기간 토의되어 온 규제치 강화에 따라 올해는 처음으로 ICAO회합에서 합의되었다. 내용으로서는 이륙, 사이드라인, 어프로치 각각의 평가 모드의 소음치 총계가 종래(이른바 Chapter3규제)에서 10dB 삭감, 트레이드는 인정하지않고, 더욱이 적어도 두개의 평가 모드의 합계가 2dB을 상회하는 것으로 요구되어 2006년 이후 신기체에 적용된다. 초음속 수송기에 관해서 규제치의 의론은 특히 이루어지지 않았지만, 환경면에서 규제강화의 흐름을 가르치면, 「아음속기와 같음」이라는 견해가 타당하다고 생각될 수 있다. ESPR 프로젝트 개시 시에 설정한 목표치는 이번 규제강화에는 충분하게 대응 가능한 레벨로 생각하고 있지만, 보다 한층 소음대책 적용의 장기적 필요성에 관해서는 이후 조사 · 검토가 필요하다고 생각된다. 배기 제트 소음의 저감에 관해서는 mixer ejector의 mixer 혼합의 효율화를 실험적, 해석적으로 최적화하고, 더욱이 흡음재의 설계도 발생원 소음특성에 대해서 최적화를 생각하여, 기계적 특성으로서도 내구성의 우수한 재료의 설계에 포함되어 있다. 작년도말에 실시한 테두리 시험에 HYPR 프로젝트 시점에서 1.5Db의 삭감 효과가 확인되어, 더욱더 개량을 위한 개조형태의 효과파악에 관해서도 기초시험 데이터가 얻어졌다. 또한 혁신적인 CFD 기술로서 LES(Large Eddy Simulation) 방법을 채용한 흐름장 해석기술의 검토도 진행하고 있고 현상의 보다 정확한 예측에 의해 저소음화를 지향하고 있다. 팬 동익과 출구 안내익과의 간섭이 소음원이 되는 팬 소음의 저감에 관해서는 CFD 해석방법을 구사하여 성능을 손상하는 것 없이 소음을 저감하는 것을 겨냥하여, lean Sweep형 출구안내익의 설계기술의 확립을 목표로 검토가 진행되고 있다. 올해 실시 예정의 가장자리 실험에서 효과확인이 기대되고 있다.