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가변스팬 모핑날개를 가진 비행체의 공력특성 및 비행 제어
Aerodynamics and Flight Control of Air Vehicle with Variable Span Morphing Wing 원문보기

한국항공운항학회지 = Journal of the Korean Society for Aviation and Aeronautics, v.18 no.4, 2010년, pp.1 - 8  

배재성 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) ,  황재혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) ,  박상혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부) ,  김종혁 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the aerospace field, the study on a morphing-wing is in progress to improve flight performance and perform multi flight mission. There are many concepts of morphing-wing such as camber-change, wing-twist, variable-span, and so on. In this study, the aerodynamic characteristics and flight control ...

주제어

#가변 스팬 모핑 날개   #대칭 스팬 제어   #비대칭 스팬 제어   #슬라이딩 모드 제어  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이를 기초로 VSMW를 가진 순항 미사일의 순수 롤 운동 시스템과 풀 시스템에 대한 비행 제어를 수행하였으며, VSMW와 슬라이딩 모드 제어가 일반적인 비행제어에 비해 충분한 성능을 보임을 알 수 있다. 따라서 본 연구의 VSMW는 순항 미사일을 비롯한 비행체의 성능 향상을 위한 여러 가지 공기역학적 장점과 새로운 비행 제어 방법을 제공한다.
  • 이와 같이 VSMW의 적용으로 가능한 또 다른 장점은 bank-to-turn(BTT) 미사일의 롤 제어(roll control)를 위한 비대칭 스팬 제어(ASSC, anti-symmetric span control)라는 새로운 방법이다. 본 연구에서는 SSC 및 ASCC 에 의한 VSMW의 공기역학적 특성을 조사하였으며 VSMW을 가진 순항 미사일의 순수 롤 운동 시스템과 풀 시스템에 대한 비행 제어를 수행하였다.
  • 본 연구에서는 가변스팬 모핑날개를 가진 비행체의 비행 제어에 대한 연구를 수행하였다. 가변 스팬 날개(VSMW, variable-span morphing wing)는 날개 스팬을 대칭 혹은 반대칭으로 변화시키는 날개이다.
  • 대칭 스팬 제어(SSC)는 대칭적으로 날개 스팬을 변화 시켜 비행 성능을 향상 시키며, 반대칭 스팬 제어(ASSC)는 비행 제어를 위한 제어력, 롤링 모멘트를 얻는다. 이를 위해 본 연구에서는 VSMW의 공기역학적 특성을 조사하였다. 이로 부터 날개 스팬의 증가가 항력의 증가 및 항속거리 증가의 장점을 가지고 있음을 확인하였으며 스팬 제어에 따른 롤링 모멘트의 변화에 대해 특성을 확인하였다.

가설 설정

  • 하나의 와류는 스팬(span)을 따라 강도가 변하는 순환(circulation) Γ(y)를 가지고 있다. Prandtl과 Tietjens [9]는 스팬방향의 흐름이 크지 않다는 가정 하에 날개의 각 부분을 독립적인 2차원 요소로 가정하였다.
  • 본 장에서는 VSMW를 가진 장거리 순항 미사일(cruise missile)의 비행제어를 수행하였다. VSMW의 두개의 전개 날개(moving wing)는 함께 움직인다고 가정하여 두 질량의 중앙에 놓인 집중된 질량으로 모델링되었다. 강체 동체의 질량 중심은 정규직교한(orthonormal) 관성 좌표계 FI = (i,j,k)에 놓여 있다.
  • 롤 성능을 비교 하기위해 VSMW에 대해 uδw를 0.1로 가정하였다.
  • 일반적인 롤 제어를 위한 조종날개의 제어 uδa를 10도로 가정하였고, 시간 상수 ε을 0.1로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
모핑 날개의 개념인 캠보의 변화와 날개 비틀림은 무엇을 의미하는 것인가? 모핑 날개의 개념으로는 캠버 변화(camber change)[2,3], 날개 비틀림(wing twist)[4], 그리고, 날개 스팬 변화 (wing span change)[5,6]등이 있다. 캠버의 변화는 적응 에어포일(adaptive airfoil)과 같이 불연속적인 제어면 없이 원하는 양력을 얻기 위해 캠버의 형상을 변화시키는 것이며, 날개의 비틀림은 최소의 항력과 최대의 공력특성을 얻기 위해 비틀림 각을 변화시키는 것이다. 날개의 후퇴각 변화(wing sweep change)와 날개 스팬 변화는 다양한 비행 조건에 대해 날개 형상을 변형하는 것으로 가변 후퇴익은 F-14, F-111, B-1과 같은 군용 항공기에 성공적으로 적용되었다.
크루즈 미사일의 가변 스팬 모핑 날개에서 날개 스팬을 증가시키면 어떠한 변화가 일어나는가? 1에 나타낸 크루즈 미사일(cruise missile)의 가변 스팬 모핑 날개(VSMW, Variable-Span Morphing Wing)는 다양한 비행조건에서 항력을 감소시키기 위해 날개 스팬(wing span)을 변화시키도록 고안되었다. 날개 스팬의 증가로 인해 가로세로비(aspect ratio)와 날개 면적(wing area)이 증가하고, 이에 따라 같은 양력에 대해 스팬 방향의 양력 분포는 감소하게 된다. 그 결과, 모핑 날개의 항력은 감소하게 되고, 항공기의 항속거리는 증가하게 된다. 이는 VSMW의 대칭 스핀 제어(SSC, Symetric Span Control)의 중요한 장점이다.
모핑 날개의 개념으로 무엇이 있는가? 최근 10여 년간 항공우주분야에서는 비행체의 다중 비행 임무 수행이나 비행 성능의 향상을 위해 모핑 날개(morphing wing)의 개념에 대한 많은 연구가 진행되어 오고 있다[1]. 모핑 날개의 개념으로는 캠버 변화(camber change)[2,3], 날개 비틀림(wing twist)[4], 그리고, 날개 스팬 변화 (wing span change)[5,6]등이 있다. 캠버의 변화는 적응 에어포일(adaptive airfoil)과 같이 불연속적인 제어면 없이 원하는 양력을 얻기 위해 캠버의 형상을 변화시키는 것이며, 날개의 비틀림은 최소의 항력과 최대의 공력특성을 얻기 위해 비틀림 각을 변화시키는 것이다.
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참고문헌 (11)

  1. Bowman, J., Sanders, B., and Weisshaar, T., "Evaluating the Impact of Morphing Technologies on Aircraft Performance," AIAA Paper 2002-1631, April 2002. 

  2. Gern, F. H., Inman, D. J., and Kapania, R. K., "Structural and Aeroelastic Modeling of General Planform Wings with Morphing Airfoils," AIAA Journal, Vol. 40, No. 4, 2002, pp. 628-637. 

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  3. Sanders, B., Eastep, F.E., and Foster, E., "Aerodynamic and Aeroelastic Characteristics of Wings with Conformal Control Surfaces for Morphing Aircraft," Journal of Aircraft, Vol. 40, No. 1, 2003, pp. 94-99. 

    상세보기 crossref

  4. Amprikidis, M., and Cooper J. E., "Development of Smart Spars for Active Aeroelastic Structures," AIAA Paper 2003-1799, April 2003. 

  5. Blondeau, J., Richeson, J., and Pines, D. J., "Design, Development and Testing of a Morphing Aspect Ratio Wing Using an Inflatable Telescopic Spar," AIAA Paper 2003-1718, April 2003. 

  6. Bae, J.S., Seigler, T.M., and Inman, D. J., "Aerodynamic and Static Aeroelastic Characteristics of a Variable-Span Morphing Wing," Journal of Aircraft, Vol. 42, No. 2, March-April, 2005. pp. 528-533. 

    상세보기 crossref

  7. Seigler, T.M., Dynamics and Control of Morphing Aircraft, Ph.D. Dissertation, Virginia Tech, Blacksburg, VA, Aug. 2005. 

  8. Bertin, J. J. and Smith, M.L., Aerodynamics for Engineers, Chapter 7, Prentice Hall, 1998. 

  9. Katz, J. and Plotkin, A., Low-Speed Aerodynamics, McGraw-Hill, 1991. 

  10. Prandtl, L., and Tietjen, O.G., Applied Hydro and Aeromechanics, Dover Publications, New York, 1957. 

  11. Anderson, J. D., J., Introduction to Flight, McGraw-Hill, New York, 1985, pp. 298-303. 

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