$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

[국내논문] QTW 무인항공기의 종축 비행동역학에 관한 연구
A Study on Longitudinal Flight Dynamics of a QTW UAV 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.41 no.1, 2013년, pp.31 - 39  

정지인 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  홍성태 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  김승균 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  석진영 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

본 논문에서는 고정익항공기와 회전익 항공기의 장점을 결합시킨 신개념 복합형 무인항공기인 QTW(Quad Tilt Wing)의 종축 동특성을 연구한 결과를 기술하였다. 설계된 QTW 무인항공기는 Tandem Wing 형상을 가지며 각 주익의 끝단에는 프로펠러를 구동하는 모터를 장착하였다. 비행역학적 분석을 위해 모멘텀 이론을 이용해 추력을 계산하였으며, 틸트 각도에 따른 프로펠러의 Slip stream에 의한 양력과 항력을 고려한 비선형 모델링을 구축하였다. 또한 트림분석을 통해 설계된 비행체가 적절한 비행속도 대비 틸팅각을 가짐을 보여주었으며, 각 트림 점에서의 성분별 힘을 분석하였다. 각 비행 모드의 선형모델 고유치 분석하여 동적 특성을 분석하였으며 고정익모드로 전환됨에 따라 안정한 부분으로 극점이 이동함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

A Quad Tilt Wing UAV is a new concept hybrid UAV having the advantages of both fixed-wing and rotary-wing aircraft. This paper presents longitudinal flight dynamic characteristics of a Quad Tilt Wing UAV. The designed Quad Tilt Wing UAV is a configuration of a tandem wing type aircraft with an actua...

Keyword

#4중 틸트윙   #틸트윙   #모델링   #정적 트림   #동적 특성  

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 연구에서는 QTW 무인항공기의 운용 및 제어개념을 정립하고, 이를 바탕으로 비행체를 설계하였으며 비행동역학적 해석을 수행하였다. 모멘텀 이론을 이용하여 추력을 계산하였고, 4개의 프로펠러 후류에 의한 주익의 양력과 항력의 영향을 분석하였으며, 이를 바탕으로 Jacobian을 이용하여 트림상태를 유도하였다.
  • 회전익, 천이 및 고정익 비행모드에 대한 선형상태공간식을 구하여 고유치 분석을 통한 안정성 분석을 수행하였다. 본 연구는 국내에서는 처음 시도되는 주익틸팅 방식 무인항공기에 관한 연구이며, 비행동역학적 특성에 관한 연구를 수행함으로써 향후 체계적인 비행제어시스템 설계를 위한 선행연구로서의 의미가 있다고 사료된다.
  • 또한 천이모드를 비롯한 고정익모드 운용시 전방주익에서 발생한 후류가 후방주익에 영향을 주게 되어 후방주익의 공력특성을 저하시키게 된다. 따라서 전방주익의 와류에 의한 양력 저하 문제를 최소화하기 위해 전방주익과 후방주익의 수직높이 차이가 발생하도록 설계하였다. 앞서 언급된 설계 조건들을 모두 고려하여 설계를 수행하였으며, 설계된 기체의 제원은 Table 2와 같다.
  • 천이과정의 조종력의 분배는 매우 중요한 문제로 본 논문에서는 틸트 각도에 따른 각 성분별 영향력을 분석하였다. 비행속도를 고정한 상태에서 틸트 각도를 변화 시켜 틸트 각도에 따른 각 성분별 영향력의 변화를 확인 하였다.
  • 따라서 회전익모드, 천이모드, 고정익모드의 비행운동 특성을 해석하고 향후 각 모드별 제어기 설계를 위해 앞서 구성된 비선형 모델링을 수치 선형화 하였다. 본 논문에서는 트림 구간에서 미소변위를 이용해 선형화된 운동방정식의 종운동을 분석하였다. 종운동 방정식을 표현하기 위한 상태변수 x는 다음과 같다.
  • 본 논문에서는 QTW 무인항공기의 운용 및 제어개념을 바탕으로 설계된 비행체를 토대로 종축 비행동역학을 연구하였다. 비선형 모델링을 구축하였으며 트림분석을 수행하였다.
  • 회전익 모드와 초기 천이모드에서는 불안정한 특성을 보이지만, 천이 모드에서 고정익 모드로 전환되어감에 따라 불안정한 극점이 안정한 영역으로 이동함으로써, 고정익 모드로 천이가 진행될수록 안정해지려는 비행경향이 있음을 확인하였다. 본 논문에서 QTW의 모델링에서부터 트림 해석, 수치선형 화와 선형모델을 이용한 안정성 분석에 이르기 까지 일련의 과정들을 체계적으로 연구함으로써, QTW 비행제어시스템 설계의 기본을 마련하였다. 향후 횡/방향축에 대한 비행동특성 분석을 수행하고, 풍동시험과 비행시험을 통해 모델링을 수정, 보완함으로써 보다 정확한 모델링및 시뮬레이션 환경을 구축하여 전 비행영역에 대한 비행제어시스템 설계에 기여할 것으로 기대된다.

가설 설정

  • QTW 비행체의 동역학 모델링을 위해서는 항공기의 질량변화나 질량분포의 변화가 없다고 가정하고 항공기에 작용하는 공기역학적 힘, 추력에 의한 힘, 중력에 의한 힘 등을 고려한다. 항공기에 고정되어 있는 기체고정 좌표계가 관성좌표계에 대해 회전하고 있다고 가정하고 기체고정 좌표계에 대하여 각성분별로 운동방정식을 정리하면, Fig.
  • 이러한 복잡한 동역학적 특성을 분석하기 위하여 본 논문에서는 QTW의 종축 반응만을 고려하였으며 롤 운동과 요 운동은 고정되어 있다고 가정하였다. 또한 회전익 모드와 천이모드 영역에서의 해석을 수행하였다.
  • 식(17)과 같이 양력계수를 적용하여 후류에 잠기는 부분에 대한 양력과 항력을 구할 수 있으며, Fig. 4와 같이 후류에 잠기는 부분의 면적이 일정하지 않은 점과 설계된 QTW 비행체의 기하학적 형상을 고려하여 프로펠러 지름의 70%를 평균적으로 잠기는 영역의 스팬으로 가정하고 면적 Sw를 계산하였다. 항력부분에서는 QTW 형상의 특성상 프로펠러의 후류가 주익 끝단까지 잠기기 때문에 유한한 날개의 특성인 Vortex에 의한 Downwash와 Downwash에 의한 유도항력을 무시하고 형상항력만을 고려하였다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
QTW 무인항공기는 틸트 각도에 따라 기존의 어떤 무인기의 특성을 가지게 되는가? QTW 무인항공기는 회전익 항공기와 고정익 항공기의 특징을 모두 포함하고 있다. 틸트 각도가 0도 상태일 때는 회전익 항공기의 특성을 가지며 틸트 각도가 90도인 상태에서는 고정익 항공기의 특성을 가지게 된다. 이와 같이 주익의 틸트가 진행됨에 따라 운동특성이 변화하게 되므로 각 운용상태별 무인기의 운용개념 및 각 운용상태에 따른 제어방법들을 정립할 필요가 있다.
QTW를 운용 상태에 따라 모드를 구분하시오. QTW는 운용 상태에 따라 회전익모드, 천이모드, 고정익모드의 3가지 상태로 나눌 수 있으며, Fig. 1과 같이 회전익 모드로 이륙을 한 후 천이과정을 거쳐 주익이 고정익 형태로 틸트하게 되고 고정익모드 상태로 천이가 완료된 후, 순항하게 되는 비행과정을 가진다.
QTW의 고정익모드는 어떤 상태를 말하는가? 고정익모드는 천이모드를 거쳐 주익의 틸트각도 90도로 틸트가 완료되어 QTW 무인항공기 임무의 대부분을 차지하는 순항비행 상태이다. 이 때 무인기는 고정익 항공기의 비행특성을 가지게 되고, 프로펠러에 의한 추력은 전진방향의 추력이며, 비행체에 작용하는 양력은 주익에 의해 발생하게 된다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (7)

  1. Kenzo Nonami, Farid Kendoul, Satoshi Suzuki, Wei Wang, Daisuke Nakazawa, 2010, "Autonomous Flying Robots", Springer, Tokyo, pp. 77-93 

  2. Satoshi SUZUKI, Ren ZHIJIA, Yoshikazu HORITA, Kenzo NONAMI, Gaku KIMUR, Toshio BANDO, Daisuke HIRABAYASHI, Mituhiro FURUYA, Kenta YASUDA, 2010, "Attitude Control of Quad Rotors QTW-UAV with Tilt Wing Mechanism", Journal of System Design and Dynamics 2010 

  3. Koji Muraoka, Noriaki Okada, Daisuke Kubo, 2009, "Quad Tilt Wing VTOL UAV: Aerodynamic Characteristics and Prototype Flight Test", AIAA Infotech@Aerospace Conference and AIAA Unmanned Unlimited Conference 

  4. J.Holsten, T. Ostermann, and D. Moormann, "Model Validation of a Tiltwing UAV in Transition Phase Applying Windtunnel Investigations and Flight Tests", Proceedings of ICAS 2012, Brisbane, Australia, 2012 

  5. T. Ostermann, J.Holsten, and D. Moormann, "Control Concept of a Tiltwing UAV During Low Speed Manoeuvring", Proceedings of ICAS 2012, Brisbane, Australia, 2012 

  6. Robert C. Nelson, 1998, "Flight Stability and Automatic Control", McGroaw-Hill, New York, pp.96-130 

  7. Eric N. Johnson, Michael A. Turbe, 2005, "Modeling, Control, and Flight Testing of a Small Ducted Fan Aircraft", AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit 

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

BRONZE

출판사/학술단체 등이 한시적으로 특별한 프로모션 또는 일정기간 경과 후 접근을 허용하여, 출판사/학술단체 등의 사이트에서 이용 가능한 논문

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로