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문제 정의
- 최근 전 세계적으로 소형 정밀 기계 기술에 관한 연구 및 개발이 활발하게 이루어지면서 형상기억합금(Shape Memory Alloy : SMA)을 이용한 소형 액츄에이터를 이용하는 기술에 관심을 보이고 있다[3, 4]. 따라서 본 논문에서는 형상기억합금 액츄에이터를 이용한 플랩 구동 시스템에 관해 연구하였다.
제안 방법
- 본 실험에서 형상 기억합금 스프링의 인장력과 압축력의 측정이 가능한 load cell을 사용 하였다. GRAPHTEC Corporation의 GL220모델의 Data Logger 와 indicator를 load cell에 연결하여 데이터를 출력 받을 수 있게 하였다. Martensite 상태의 형상 기억합금 스프링(SMA spring)을 load cell에 양끝을 고정시킬 수 있도록 자체 제작된 장치(clamp)에 의해압축 시킨 상태로 고정하였고 형상 기억합금 스프링(SMA spring)의 온도변화는 가열(heating)시에는 직류 전원공급기(DC power supply)를 이용하여 와이어 양단에 전류를 흘려 전기적 저항효과를 이용하고, 냉각(cooling)시에는 자연적인 냉각을 실시하며 급격한 온도감소를 막기 위해 전류를 조절하였다.
- GRAPHTEC Corporation의 GL220모델의 Data Logger 와 indicator를 load cell에 연결하여 데이터를 출력 받을 수 있게 하였다. Martensite 상태의 형상 기억합금 스프링(SMA spring)을 load cell에 양끝을 고정시킬 수 있도록 자체 제작된 장치(clamp)에 의해압축 시킨 상태로 고정하였고 형상 기억합금 스프링(SMA spring)의 온도변화는 가열(heating)시에는 직류 전원공급기(DC power supply)를 이용하여 와이어 양단에 전류를 흘려 전기적 저항효과를 이용하고, 냉각(cooling)시에는 자연적인 냉각을 실시하며 급격한 온도감소를 막기 위해 전류를 조절하였다.
- 항공기 플랩을 구동시키는 방법은 여러 가지 방법이 있다. 그 중 우리는 검증이 용이하고 구현이 편리한 트림 스크류 방식을 채택하였다. Fig.
- 그림의 기구 선도의 표시된 것과 같이 플랩 구동 장치의 기구학 모델은 트림 스크류 장치에서는 6개의 링크(빗금 친 ground 포함)이다. 그러나 이것을 소형 항공기에 적용하기 위하여 조금 더 간단화하여 4개의 링크만으로 구동되는 플랩 구동 장치를 설계 하였다. 각 링크는 Fig.
- load cell을 통하여 Data logger와 indicator에 하중과의 관계 그래프와 데이터가 출력 되었다. 동일한 조건으로 총 3회에 걸쳐 반복 측정하였다. 모든 실험은 상온에서 실시되었기 때문에 와이어의 특성을 파악하는데 있어서 외부환경의 변화에 따른 미소한 영향을 줄 수 있고 일부 오차를 가져올 수 있다.
- 모델링과 해석을 통해 행정길이(stroke)를 10mm 로 하는 설계를 하였고, 실험을 통해 원래 구현하고자 하였던 플랩의 구동 성능을 평가하였다.
- 본 논문에서 제시한 이동 메커니즘을 구현하기 위해서 양방향 선형 구동기를 SMA 스프링 2 개와 복원력을 제공하는 Bias 스프링 1개를 사용하여서 구현하였다. SMA는 한 가지 형상만 기억할 수 있으므로 반복동작을 위해서 SMA 스프링과 Bias 스프링이 필요하게 된다.
- 본 논문에서는 플랩의 요구도는 아래로 20°로 변형이 일어나는 것으로 이를 최적화 하기위해 ADAMS 해석 툴을 이용해 최적화된 각도를 구하였다.
- 플랩을 작동하는 actuator의 구동력은 플랩이 받는 외부의 힘에 영향을 받는다. 본 연구에서는 플랩의 무게 및 플랩 구동부분의 마찰을 무시하였으므로 속도에 따른 압력을 통해 구동력을 구할 수 있다.
- 본 연구에서는 형상기억합금을 사용하여 stroke를 발생시키는 SMA actuator를 제작하였고 플랩 구동 에어포일 제작에 SMA actuator를 이용함으로써 기존에 사용된 모터를 이용한 플랩의 구동 방식과 다른 SMA의 온도 변화에 따른 형상기억효과를 이용해 플랩을 구동 시킬 수 있었다. 또한 4절 링크를 플랩 구동 장치에 적용함으로써 플랩 구동시 날개 면적을 5% 증가 시킬 수 있었고 약 15° 의 플랩 각도 변화를 통하여 양력계수를 증가 시킬 수 있었고 비행에 필용한 충분한 양력을 얻을 수 있었다.
- 실험에 사용되는 날개의 에어포일은 11%의 두께를 가지고 제작의 편의를 위해 JOUKOWSKI변환을 통해 대칭형으로 설계하였다[5]. 만약에 z원의 중심μ를 원점의 오른쪽으로 조금 이동시키고 a를 c1보다 조금 크게 하여 변환시킬 경우 대칭형의 에어포일을 얻을 수 있다.
- 실험을 통해 결정된 수치들을 이용하여 제작된 액추에이터를 플랩 구동부 와 결합시켜 전류를 공급한 후 결과를 관찰하였다.
- 실험을 통해 형상 기억 합금 스프링의 정확한 스프링 상수를 알 수 있었다. 액추에이터에 사용될 Bias 스프링의 상수 값은 병렬로 연결된 두 개의 SMA 스프링의 low temperature 스프링 상수 값과 같아야 하므로 KB = 2KL에 의해 bias spring의 스프링상수 K값을 결정 하였다. Fig.
- 에어포일 날개 공력해석을 통해서 플랩에 필요한 힘을 도출하여 액츄에이터를 설계하였다. 액츄에이터는 SMA spring을 이용하여서 설계와 제작하였으며 플랩구동 메카니즘을 연구하여 액츄에이터를 이용한 플랩 구동을 실현하였다. 이때 사용된 날개는 SMA 액츄에이터 성능실험을 위한 것으로 제작의 편의를 위해 대칭형 에어포일을 사용하였다.
- 또한 같은 길이의 SMA spring은 SMA wire에 비해 높은 변형 량을 나타낸다. 에어포일 날개 공력해석을 통해서 플랩에 필요한 힘을 도출하여 액츄에이터를 설계하였다. 액츄에이터는 SMA spring을 이용하여서 설계와 제작하였으며 플랩구동 메카니즘을 연구하여 액츄에이터를 이용한 플랩 구동을 실현하였다.
- 작동기로 사용하고자 하는 SMA를 시중에서 판매하고 있는 니티놀 스프링을 구입하였기 때문에 적확한 K값을 구하기 위하여 시간에 따른 하중의 변화를 측정하고 high temperature와 low temperature 에서의 측정값을 통해 정확한 스프링 상수(force per unit length)값을 구하고 이에 따른 bias spring의 스프링 상수(force per unit length)값을 결정하였다.
- 형상 기억 합금 스프링의 fully extended length와 실험초기 길이 값을 통해 Δx의 값을 결정하고 high temperature와 low temperature의 스프링 상수(force per unit length)값을 도출하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서 형상 기억합금 스프링의 인장력과 압축력의 측정이 가능한 load cell을 사용 하였다. GRAPHTEC Corporation의 GL220모델의 Data Logger 와 indicator를 load cell에 연결하여 데이터를 출력 받을 수 있게 하였다.
- 1은 위의 이론을 바탕으로 최대두께가 전체 시위선의 11%가 되도록 설계된 대칭형 에어포일을 보여준다. 본 연구에서 사용한 에어포일은 Fig.1을 기준으로 전체 chord line 30cm, 전체 chord길이의 20%에 해당하는 6cm 플랩을 가지게 된다.
- 액츄에이터는 SMA spring을 이용하여서 설계와 제작하였으며 플랩구동 메카니즘을 연구하여 액츄에이터를 이용한 플랩 구동을 실현하였다. 이때 사용된 날개는 SMA 액츄에이터 성능실험을 위한 것으로 제작의 편의를 위해 대칭형 에어포일을 사용하였다.
성능/효과
- 전류를 공급한 시점부터 급격하게 하중에 증가하며 17~19s사이 가장 현저하게 증가였다. 20s에 하중은 8N을 가리키며 이후 변곡점을 지나 20s부터 100s초 걸쳐 완만하게 증가한 후 9~10N의 하중을 유지하는 것을 알 수 있었다. 형상 기억 합금 스프링의 fully extended length와 실험초기 길이 값을 통해 Δx의 값을 결정하고 high temperature와 low temperature의 스프링 상수(force per unit length)값을 도출하였다.
- 날개 구동 실험 결과 플랩의 약 5° 가 부족한 15 °의 각도 변화와 10mm보다 짧은 6mm의 Stroke 변화를 얻을 수 있었다. 몇 번의 구동 실험 결과 링크와 링크 사이에 그리고 Push pull rod link 와 액추에이터 가이드라인 사이에 측정이 필요한 마찰력이 발견되었다.
- 본 연구에서는 형상기억합금을 사용하여 stroke를 발생시키는 SMA actuator를 제작하였고 플랩 구동 에어포일 제작에 SMA actuator를 이용함으로써 기존에 사용된 모터를 이용한 플랩의 구동 방식과 다른 SMA의 온도 변화에 따른 형상기억효과를 이용해 플랩을 구동 시킬 수 있었다. 또한 4절 링크를 플랩 구동 장치에 적용함으로써 플랩 구동시 날개 면적을 5% 증가 시킬 수 있었고 약 15° 의 플랩 각도 변화를 통하여 양력계수를 증가 시킬 수 있었고 비행에 필용한 충분한 양력을 얻을 수 있었다. 형상기억합금을 이용하는 경우 본 actuator에서 적용한 것과 같이 구조가 매우 간단하고 온도 및 응력에 의해 큰 힘을 얻을 수 있는 actuator의 설계가 가능함으로 적합한 설계가 이루어진다면 소형 무인기 제작 시에 적용함으로써 효율적이고 좀 더 소형화와 경량화 할 수 있는 가능성을 보였다.
- 날개 구동 실험 결과 플랩의 약 5° 가 부족한 15 °의 각도 변화와 10mm보다 짧은 6mm의 Stroke 변화를 얻을 수 있었다. 몇 번의 구동 실험 결과 링크와 링크 사이에 그리고 Push pull rod link 와 액추에이터 가이드라인 사이에 측정이 필요한 마찰력이 발견되었다. 이는 액추에이터 자체의 마찰력과 링크의 마찰력이 스프링의 출력을 상쇄시켰다고 예상할 수 있으며 또한 액추에이터 설계시 정확한 K 값을 설정하지 못한 것이 필요한 출력을 얻지 못하게한 원인 이라고 생각된다.
- 실험을 통해 형상 기억 합금 스프링의 정확한 스프링 상수를 알 수 있었다. 액추에이터에 사용될 Bias 스프링의 상수 값은 병렬로 연결된 두 개의 SMA 스프링의 low temperature 스프링 상수 값과 같아야 하므로 KB = 2KL에 의해 bias spring의 스프링상수 K값을 결정 하였다.
- 9에 나타난 결과에서 0s에서는 형상 기억 합금 스프링 자체의 탄성력인 2N을 나타낸다. 전류를 공급한 시점부터 급격하게 하중에 증가하며 17~19s사이 가장 현저하게 증가였다. 20s에 하중은 8N을 가리키며 이후 변곡점을 지나 20s부터 100s초 걸쳐 완만하게 증가한 후 9~10N의 하중을 유지하는 것을 알 수 있었다.
- 또한 4절 링크를 플랩 구동 장치에 적용함으로써 플랩 구동시 날개 면적을 5% 증가 시킬 수 있었고 약 15° 의 플랩 각도 변화를 통하여 양력계수를 증가 시킬 수 있었고 비행에 필용한 충분한 양력을 얻을 수 있었다. 형상기억합금을 이용하는 경우 본 actuator에서 적용한 것과 같이 구조가 매우 간단하고 온도 및 응력에 의해 큰 힘을 얻을 수 있는 actuator의 설계가 가능함으로 적합한 설계가 이루어진다면 소형 무인기 제작 시에 적용함으로써 효율적이고 좀 더 소형화와 경량화 할 수 있는 가능성을 보였다.
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