[논문]곤충 모방형 플래핑 날개의 공력특성에 관한 가로세로비 효과

한종섭; 장조원; 전창수

doi:10.5139/jksas.2012.40.8.662

곤충 모방형 플래핑 날개의 공력특성에 관한 가로세로비 효과
The Effect of Aspect Ratio on the Aerodynamic Characteristics of an Insect-based Flapping Wing 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.40 no.8, 2012년, pp.662 - 669

한종섭 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과) , 장조원 (한국항공대학교 항공운항학과) , 전창수 (한국항공대학교 항공우주 및 기계공학과)

초록
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생체 모방형 초소형비행체의 설계 파라미터를 해석하기 위해 플래핑 날개의 공력특성에 관한 가로세로비의 효과가 조사되었다. 실험 모델은 4절 링크로 구성되었으며, 낮은 레이놀즈수 조건을 갖는 수조 내부에서 구동되었다. 미세힘 측정용 방수 로드셀이 제작되어 아크릴로 만든 날개의 뿌리에 설치되었다. 날개 형상은 초파리의 날개 모양을 기준으로 하였다. 선택된 가로세로비는 각각 1.87, 3.74, 7.48이었으며, 레이놀즈수는 $10^4$에 고정되었다. 가로세로비 1.87과 3.74에서는 후류포획과 같은 비정상효과를 나타내는 뚜렷한 양력 피크가 스트로크 초기에 관찰되었다. 그러나 가로세로비 7.48의 경우 상기 비정상 효과는 관찰되지 않았다. 이러한 물리적 특징은 후행회전인 경우에서도 동일하게 관찰되었다. 이와 같은 결과는 MAV 설계에 적용할 수 있는 곤충 모방형태의 플래핑 날개인 경우 높은 가로세로비의 날개가 향상된 공력성능을 제공한다는 것을 의미한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The effect of aspect ratio (AR) on the aerodynamic characteristics of a flapping wing was examined to analyze the design parameters of an insect-based MAV. The experimental model constructed with 4-bar linkages was operated in a water tank with the condition of a low Reynolds number. A water-proof micro-force load cell was fabricated and installed at the root of the wing which is made of a plexiglas. The wing shapes were based on the planform of a fruit fly wing. The ARs selected were 1.87, 3.74 and 7.48 and the Reynolds number was fixed at $10^4$. For AR=1.87 and 3.74, distinct lift peaks which indicate unsteady effects such as 'wake-capture' were observed at the moment of the start of the wing-stroke. However, for AR=7.48, no unsteady effects were observed. These phenomena were also observed in the delayed rotation case. The results indicate that a larger AR provides better aerodynamic performance for the insect-based flapping wing which can be applied in MAV designs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 생체모방형의 MAV 설계를 위한 최적파라미터 추정을 위해 초파리(fruit fly)의 날개를 기초로 MAV의 비행영역에 해당하는 레이놀즈수 영역에서 가로세로비에 따른 공력을 선행회전(advanced rotation)과 후행회전(delayed rotation)으로 구분하여 측정하고 그 효과를 조사하였다.
본 연구에서는 4절 링크 모델을 이용해 곤충 모방 플래핑 날개의 가로세로비가 공력특성에 미치는 영향을 조사하였다.
중력과 부력은 벡터장(vector field)이므로 날개의 자세에 대한 테어 측정(tare measurement)을 통해 쉽게 제거할 수 있지만, 관성력은 쉽게 제거하기 어렵다. 본 연구에서는 모델의 각위치와 날개의 중량, 도심(centroid) 등을 알고 있으므로 이를 통해 관성력을 계산하였다. 이렇게 계산된 관성력을 압력계수로 환산하면 모든 경우에서 10^-5의 범위로, 무시 가능한 수준을 보였다.

가설 설정

따라서 이러한 외부요인은 불확실도(uncertainty) 해석 대상에 포함하지 않았다. DAQ 시스템에서 나타나는 전원노이즈 등은 하드웨어 저역필터를 통해 해결하였으며, 절삭오차(cut-off error), 화이트노이즈 등은 랜덤 오차로 가정하였다. 결론적으로 본 연구의 공력측정에서 나타난 최대 불확실도는 95%의 신뢰수준(confidence)에서 4.

제안 방법

실험모델은 초파리의 날개를 약 250배 확대한 크기로 날개를 반복해 움직인다. 4절 링크의 특성상 날개회전타이밍(the timing of the wing rotation)은 조절할 수 없으므로, 본 연구에서는 선행회전과 후행회전으로 한정하였다. 구동모터는 예측된 필요토크의 약 10배 출력이 가능한 스테핑 모터(Mdrive17, Schneider Electric Motion)를 적용하였다.
각 게이지는 신호 증폭기(strain amplifier)내부의 서킷과 연결하여 휘트스톤 브리지로 구성되었으며, 온도에 의한 교정함수 변화를 최소화하기위해 최저전압인 2V의 전압을 인가하고 하드웨어 저역필터를 통해 신호를 수집하였다. 모델의 날갯짓 주파수는 최대 0.
또한, 레이놀즈수를 제외한 무차원수들은 가로세로비와 전진비(advance ratio)의 함수로 나타난다는 것을 증명하였다. 더불어 LEV(Leading Edge Vortex, 앞전와류)는 세 가지의 무차원수가 조화롭게 절충함으로써 유지된다고 보고하였으며, 생물학적 비행체 날개가 Ro = 3의 가로세로비를 갖고 있음을 다수의 자료를 인용해 실증하였다.[9] 이를 분석하면, 곤충 날갯짓에서 주요한 무차원수는 레이놀즈수와 가로세로비라고 결론지을 수 있다.
74를 갖는다. 또한 가로세로비 효과를 확인하기 위해 날개의 시위방향을 확대하여 각각 1.87(0.5배) 및 7.48(2배)에 해당하는 날개를 제작하였다. 각 날개는 동일한 스팬길이를 갖고 있으므로, 가로세로비에 대응해 날갯짓 주파수를 맞추어야 한다.
구동모터는 예측된 필요토크의 약 10배 출력이 가능한 스테핑 모터(Mdrive17, Schneider Electric Motion)를 적용하였다. 또한, 구동모터는 등각속도로 회전하도록 입력한 뒤 4절 링크의 폐루프 벡터해석을 통해 날개위치(angular position)를 계산하였다.
3에 제시한 바와 같이 방수용 스트레인게이지(LE11-350Z, HBM)를 부착하여 각각의 위치에서 측정되는 굽힘 모멘트를 측정할 수 있는 로드셀을 자체적으로 설계·제작하였다. 로드셀 표면에는 RTV실리콘을 도포하여 추가적인 누전가능성을 차단하고 알루미늄의 응답성(responsibility)을 유지하였다.
모델은 126°의 스트로크 크기와 ± 44°의 받음각을 갖도록 제작되었으며, 날개를 부착하는 크랭크에 따라 선행회전과 후행회전을 유도하였다.
모델의 날갯짓 주파수는 최대 0.35Hz로 구동되므로 저역필터는 10Hz로 고정하여 저역필터에 의한 신호의 지연·감쇠가 나타나지 않도록 처리하였다.
신호 수집은 SSH(Simultaneous Sampling and Holding)를 지원하는 DAQ 보드 (PCI-6143, NI)를 적용하였으며, 모든 경우에서 주기당 144개의 데이터가 획득되도록 샘플링 주파수를 조절하였다. 모든 실험은 200회 이상 반복하여 측정되었으며, 스트로크 초기에 나타나는 후류효과[12]를 피하기 위해 10회 이상의 스트로크 후에 측정을 수행하였다.
본 연구에서는 Fig. 3에 제시한 바와 같이 방수용 스트레인게이지(LE11-350Z, HBM)를 부착하여 각각의 위치에서 측정되는 굽힘 모멘트를 측정할 수 있는 로드셀을 자체적으로 설계·제작하였다.
따라서 MAV의 설계요구중량이 결정되면, 레이놀즈수 영역은 간단히 결정된다. 본 연구에서는 MAV의 설계요구사항을 바탕으로 계산하여 레이놀즈수를 104으로 고정하였다. 이러한 레이놀즈수는 초파리 비행의 약 100배에 해당하는 수준이다.
각 날개는 동일한 스팬길이를 갖고 있으므로, 가로세로비에 대응해 날갯짓 주파수를 맞추어야 한다. 본 연구에서는 각각의 가로세로비 1.87, 3.74, 7,48에서 날갯짓 주파수 0.09, 0.17, 0.35Hz를 갖도록 구동모터를 조절함으로써 일정한 레이놀즈수를 갖도록 조치하였다.
[10]은 4절 링크를 통한 곤충 날갯짓 모사모델 설계방법을 보고한 바 있다. 본 연구에서는 상기문헌을 참고하여 4절 링크 모델을 제작하였다. 실험모델은 초파리의 날개를 약 250배 확대한 크기로 날개를 반복해 움직인다.
낮은 레이놀즈수 환경을 충족하기 위해 모델은 수조 내부에서 움직이며 스테핑모터는 모델 상부에 장착하고 웜기어와 샤프트를 통해 모델을 구동하였다. 신호 수집은 SSH(Simultaneous Sampling and Holding)를 지원하는 DAQ 보드 (PCI-6143, NI)를 적용하였으며, 모든 경우에서 주기당 144개의 데이터가 획득되도록 샘플링 주파수를 조절하였다. 모든 실험은 200회 이상 반복하여 측정되었으며, 스트로크 초기에 나타나는 후류효과[12]를 피하기 위해 10회 이상의 스트로크 후에 측정을 수행하였다.
제작된 로드셀의 선형 교정곡선(calibration curve)을 얻어내기 위한 방법으로 총 네 번에 걸친 정상상태의 반복실험을 수행하였다. 모든 경우에서 기울기는 전압기준 소수점 둘째자리까지 일치되어 나타나는 것을 확인하였다.

대상 데이터

4절 링크의 특성상 날개회전타이밍(the timing of the wing rotation)은 조절할 수 없으므로, 본 연구에서는 선행회전과 후행회전으로 한정하였다. 구동모터는 예측된 필요토크의 약 10배 출력이 가능한 스테핑 모터(Mdrive17, Schneider Electric Motion)를 적용하였다. 또한, 구동모터는 등각속도로 회전하도록 입력한 뒤 4절 링크의 폐루프 벡터해석을 통해 날개위치(angular position)를 계산하였다.
본 연구에서는 상기문헌을 참고하여 4절 링크 모델을 제작하였다. 실험모델은 초파리의 날개를 약 250배 확대한 크기로 날개를 반복해 움직인다. 4절 링크의 특성상 날개회전타이밍(the timing of the wing rotation)은 조절할 수 없으므로, 본 연구에서는 선행회전과 후행회전으로 한정하였다.

성능/효과

DAQ 시스템에서 나타나는 전원노이즈 등은 하드웨어 저역필터를 통해 해결하였으며, 절삭오차(cut-off error), 화이트노이즈 등은 랜덤 오차로 가정하였다. 결론적으로 본 연구의 공력측정에서 나타난 최대 불확실도는 95%의 신뢰수준(confidence)에서 4.87%였다.
현재까지 보고된 데이터를 기반으로, 대부분의 공학자들은 수동회전방식이 고양력 발생에 불리한 방식이라고 예측한 것이 사실이었다. 그러나 본 연구를 통해 충분한 가로세로비가 확보된다면 후행회전에서도 우수한 공력특성을 가질 수 있음을 알 수 있었다.
날개회전 타이밍에 관계없이 가로세로비가 작은 날개는 유동장의 비정상도가 증가해 후류포획 메커니즘이 나타나는 것을 알 수 있었으나, 가로세로비가 큰 경우는 준정상 해석 결과와 유사한 양상을 나타낸다는 것을 확인하였다. 이것은 가로세로비가 클수록 후류와 비정상 효과에서 벗어난다는 것을 의미한다.
따라서 제한된 설계요구조건에서는 날개면적이 줄어든다는 의미가 되고, 그렇지 않으면 더욱 높은 날갯짓 주파수를 인가하여 MAV의 중량을 이겨낼 수 있는 양력을 유도하여야 한다. 따라서 설계요구 중량과 날갯짓 주파수, 최대크기, 날개면적 등을 고려한 최적의 가로세로비를 찾아내는 것이 곤충 모방형 MAV의 공력성능을 증대할 수 있는 방안으로 풀이된다.
그들은 유동장의 점성력과 평균 날개끝속도(mean wing tip velocity)의 비로 표현되는 레이놀즈수(Re), 유동장의 비정상도(unsteadiness)를 나타내는 각 가속도수(C_ang, angular acceleration number) 및 구심 가속도수(C_cen, centripetal acceleration number), 코리올리 힘과 관성력의 비를 의미하는 로스비수(Ro, Rossby number) 등으로 플래핑 날개의 유동장을 기술할 수 있다고 설명하였다. 또한, 레이놀즈수를 제외한 무차원수들은 가로세로비와 전진비(advance ratio)의 함수로 나타난다는 것을 증명하였다. 더불어 LEV(Leading Edge Vortex, 앞전와류)는 세 가지의 무차원수가 조화롭게 절충함으로써 유지된다고 보고하였으며, 생물학적 비행체 날개가 Ro = 3의 가로세로비를 갖고 있음을 다수의 자료를 인용해 실증하였다.
제작된 로드셀의 선형 교정곡선(calibration curve)을 얻어내기 위한 방법으로 총 네 번에 걸친 정상상태의 반복실험을 수행하였다. 모든 경우에서 기울기는 전압기준 소수점 둘째자리까지 일치되어 나타나는 것을 확인하였다.
본 모델은 제자리 비행을 기준으로 움직이므로 날개회전타이밍에 관계없이 다운스트로크와 업스트로크가 동일한 움직임을 보이는 것을 알수 있다. 이에 따라 다운스트로크와 업스트로크에서 나타나는 공력특성은 동일한 추이를 보였다.
48의 후행회전에서는 후류의 영향에서 벗어남으로써 선행회전에 비해서도 높은 양력과 양항비를 생성함을 알 수 있었다. 상기의 결과는 비록 본 연구범위에 한정되지만, 가로세로비가 클수록 양력이 높고 효율이 뛰어다는 것을 의미한다. 따라서 곤충모방형의 MAV를 제작하기 위해서는 가로세로 비를 늘리는 방안을 모색할 필요가 있다는 것을 알아내었다.
이러한 내용을 정리하면, 본 연구에서는 선행 회전의 경우 가로세로비가 증가함에 따라 비정상 효과가 감소되는 결과를 얻었다. Lentink and Dickinson[9]의 정의에 따라 구심 가속도수 및 로스비수는 가로세로비에 정비례한다.
이것은 가로세로비가 클수록 후류와 비정상 효과에서 벗어난다는 것을 의미한다. 특히 가로세로비 7.48의 후행회전에서는 후류의 영향에서 벗어남으로써 선행회전에 비해서도 높은 양력과 양항비를 생성함을 알 수 있었다. 상기의 결과는 비록 본 연구범위에 한정되지만, 가로세로비가 클수록 양력이 높고 효율이 뛰어다는 것을 의미한다.

후속연구

가로세로비가 크다는 것은 동일한 스팬길이를 기준으로 날개의 면적이 좁거나, 동일한 면적을 위해 스팬길이가 길어야 한다는 것을 의미한다. 따라서 앞으로 개발될 MAV의 개념설계에서는 상기 관계를 조율하여 큰 가로세로비를 갖는 날개를 설계하는 것을 고려할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초소형비행체의 단점은 무엇인가?	미국의 DARPA(Defence Advanced Research Projects Agency)는 1997년 관련된 연구를 시작하면서 중량 100g, 전장 15cm 이하의 설계요구사항을 제시한 바 있다[1]. MAV는 전체길이가 작고 중량이 낮아 비행영역의 레이놀즈수가 현저히 낮고, 이로 인해 공력성능이 제한되는 문제가 있다. 다수의 연구자들은 이러한 제약을 벗어나 높은 공력성능을 확보하는 방안으로 생물학적 비행체(biological flyer)의 비행방식을 모방하는 날개형태를 제안하고 있다.
	플래핑 날개의 유동장은 어떻게 기술될 수 있는가?	최근에는 Lentink and Dickinson[8]이 수학적 접근을 통해 곤충비행의 주요 무차원수를 제시한 결과를 보고하였다. 그들은 유동장의 점성력과 평균 날개끝속도(mean wing tip velocity)의 비로 표현되는 레이놀즈수(Re), 유동장의 비정상도(unsteadiness)를 나타내는 각 가속도수(Cang, angular acceleration number) 및 구심 가속도수(Ccen, centripetal acceleration number), 코리올리 힘과 관성력의 비를 의미하는 로스비수(Ro, Rossby number) 등으로 플래핑 날개의 유동장을 기술할 수 있다고 설명하였다. 또한, 레이놀즈수를 제외한 무차원수들은 가로세로비와 전진비(advance ratio)의 함수로 나타난다는 것을 증명하였다.
	MAV는 무엇을 의미하는가?	MAV(초소형비행체)는 소대나 분대, 또는 개인이 휴대하면서 유사시 작전에 쉽게 투입할 목적으로 개발된 정찰용 무인기를 의미한다. 미국의 DARPA(Defence Advanced Research Projects Agency)는 1997년 관련된 연구를 시작하면서 중량 100g, 전장 15cm 이하의 설계요구사항을 제시한 바 있다[1].

참고문헌 (13)

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상세보기
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D. Lentink and M. H. Dickinson, "Rotational accelerations stabilize leading edge vortices on revolving fly wings", J. Exp. Biol., Vol. 212, pp. 2705-2719

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Jong-seob Han, Jo won Chang, In-mo Kang and Sun-tae Kim, "Flow Visualization and Force Measurement of an Insect-based Flapping Wing," AIAA Paper 2010-66, 48th AIAA Aerospace Sciences Meeting Including The New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 4-7 Jan 2010, Orlando, Florida.
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F-O Lehmann, S. P. Sane, and M. Dickinson, "The Aerodynamic Effects of Wing-wing Interaction in Flapping Insect Wings," J. Exp. Biol., Vol. 208, 2005, pp. 3075-3092

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J. P. Whitney and R. J. Wood, "Aeromechanics of passive rotation in flapping flight", J. Fluid Mech., Vol. 660, pp. 197-220

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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