칼새 비행의 생체모방 초소형 비행체 적용 가능성을 확인하기 위한 공력측정과 위상동기 PIV 연구가 수행되었다. 2축 회전자유도의 로봇 날개 모델과 불어내기식 풍동을 사용하였다. 비틀림 각은 ${\pm}0$, ${\pm}5$, ${\pm}10$, ${\pm}20$도의 진폭을 갖고, 스트로크각은 90도의 위상차를 갖는 단순조화함수로 변화시켰다. 비틀림 각에 따른 시간에 대한 양력계수 변화는 작은 공력감소와 지연만을 나타내며 주목할 만한 차이를 보이지 않았다. 그러나 항력은 작은 비틀림 각 변화가 큰추력을 생성할 수 있음을 보여주었다. 이러한 것들은 칼새가 비행 중에 작은 비틀림 각을 사용하는 이유를 간접적으로 설명해 준다. PIV연구 결과는 공력지연이 날개주위의 와류구조와 밀접한 관계있다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 칼새 모방형 초소형비행체 설계에 있어 비틀림 각은 필수적인 파라미터로서 반드시 고려되어야 함을 의미한다.
칼새 비행의 생체모방 초소형 비행체 적용 가능성을 확인하기 위한 공력측정과 위상동기 PIV 연구가 수행되었다. 2축 회전자유도의 로봇 날개 모델과 불어내기식 풍동을 사용하였다. 비틀림 각은 ${\pm}0$, ${\pm}5$, ${\pm}10$, ${\pm}20$도의 진폭을 갖고, 스트로크각은 90도의 위상차를 갖는 단순조화함수로 변화시켰다. 비틀림 각에 따른 시간에 대한 양력계수 변화는 작은 공력감소와 지연만을 나타내며 주목할 만한 차이를 보이지 않았다. 그러나 항력은 작은 비틀림 각 변화가 큰추력을 생성할 수 있음을 보여주었다. 이러한 것들은 칼새가 비행 중에 작은 비틀림 각을 사용하는 이유를 간접적으로 설명해 준다. PIV연구 결과는 공력지연이 날개주위의 와류구조와 밀접한 관계있다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 칼새 모방형 초소형비행체 설계에 있어 비틀림 각은 필수적인 파라미터로서 반드시 고려되어야 함을 의미한다.
Aerodynamic force measurements and phase-locked PIV study were carried out to check the bio-mimetic MAV applicability of a swift flight. Two-rotational DOF robotic wing model and blowing-type wind tunnel were employed. The amplitude of twist angle were ${\pm}0$, ${\pm}5$, ...
Aerodynamic force measurements and phase-locked PIV study were carried out to check the bio-mimetic MAV applicability of a swift flight. Two-rotational DOF robotic wing model and blowing-type wind tunnel were employed. The amplitude of twist angle were ${\pm}0$, ${\pm}5$, ${\pm}10$, and ${\pm}20$ deg. and stroke angles were manipulated by simple harmonic function with out-of-phase in regards to the stroke motion. It is acknowledged that the time-varying lift coefficients in accordance with the change of the twist angle did not result in any noticeable differences, just the small decrease and delay. However, the drag exhibited that the small change of the twist angle can produce large thrust. These findings imply why a swift uses small twist angle during flight. The PIV results displayed that the delay of aerodynamic forces is highly associated with the vortical structures around the wing. It is therefore indicated that a process of designing a swift-based Micro Air Vehicle should take the twist angle into consideration, as the essential parameter.
Aerodynamic force measurements and phase-locked PIV study were carried out to check the bio-mimetic MAV applicability of a swift flight. Two-rotational DOF robotic wing model and blowing-type wind tunnel were employed. The amplitude of twist angle were ${\pm}0$, ${\pm}5$, ${\pm}10$, and ${\pm}20$ deg. and stroke angles were manipulated by simple harmonic function with out-of-phase in regards to the stroke motion. It is acknowledged that the time-varying lift coefficients in accordance with the change of the twist angle did not result in any noticeable differences, just the small decrease and delay. However, the drag exhibited that the small change of the twist angle can produce large thrust. These findings imply why a swift uses small twist angle during flight. The PIV results displayed that the delay of aerodynamic forces is highly associated with the vortical structures around the wing. It is therefore indicated that a process of designing a swift-based Micro Air Vehicle should take the twist angle into consideration, as the essential parameter.
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문제 정의
본 연구에서는 공학적 관점에서의 칼새 비행을 이해하고, 이를 날갯짓 초소형 비행체 설계에 활용하고자 칼새의 날개를 모방한 로봇모델을 이용한 아음속 풍동시험을 진행하였다. 칼새의 기동성능[10]을 모사하기 위해 후퇴각 5°일 때 비틀림 각(twist angle) 변화에 따른 비정상 공력측정과 PIV(Particle Image Velocimetry)를 이용한 유동 가시화를 진행하였다.
본 연구에서는 칼새를 모방한 생체모방 초소형 비행체를 설계하기 위한 기초연구 중 하나로,칼새 날갯짓에서 나타나는 비틀림 각의 영향에 대한 공력측정 및 PIV 연구를 수행하였다.
이를 통해 내측날개는 실속이전의 일반 에어포일 주위 흐름에 대한 기존 공기역학에 부합하지만, 외측날개는 양력을 증대시키는 앞전와류(LEV, Leading-EdgeVortex)를 유도한다는 사실을 알아내었다. 특히 칼새 날개의 LEV는 양력뿐만 아니라 항력도 같이 증가시키는 것을 확인해 보고하였다.
제안 방법
PIV를 활용한 가시화를 위해 공력측정 조건과 동일한 조건에서 가습기를 설치하였다. 가습기의 수증기를 PIV입자로 활용하였으며, 1.
PIV를 활용한 가시화를 위해 공력측정 조건과 동일한 조건에서 가습기를 설치하였다. 가습기의 수증기를 PIV입자로 활용하였으며, 1.5W DPSS레이저에 실린더형 렌즈를 설치하여 레이저 시트로 변환 한 뒤 날개뿌리를 기준으로 45% 스팬방향에 대한 단면에 투영하였다. 이어 고속 정지화상을 얻기 위해 고속카메라(FASTCAM SA3)로단면을 촬영하였다.
더불어 비틀림 각의 크기는 정량적 값이 보고된 바 없으므로 본 연구에서는 임의 크기를 선정하여, ±0˚, ±5˚, ±10˚,±20˚의 네 개 함수를 입력하였다.
이 센서는 최대 ±25N, ±250N-mm를 측정할 수 있는 고해상도 6축 로드셀이며, 각 축당1/160N, 1/32N-mm의 정밀도를 갖는다. 더불어NI 社의 DAQ board(NI-PCI-6143)를 사용하여 공력을 측정한 후, MATLAB(R)을 활용하여 획득된 데이터를 처리하였다. 데이터 샘플링 주파수는 125Hz이며, 전체 측정은 날갯짓 200주기를 반복하여 앙상블 평균(Ensemble Average)하였다.
이것은 발사로 제작된 칼새 날개모델의 중량이 무시할 수 있을 정도로 가볍기 때문이다. 또한, 날개의 자세별로 달라지는 센서 기준값(tare weight)을 제거하기 위해 한 주기당 변화하는 날갯짓 위치를 100개로 분할해,각각의 위치에서 들어오는 전압을 측정하고 이를 조합하여 측정결과에서 제거하였다.
본 연구는 추출한 실제 칼새의 무차원 진동수와 동일한 k=0.125를 갖도록 유속과 날갯짓주파수를 1.25Hz로 고정하고, 유속을 1.25m/s로 설정하였다. 본 연구의 레이놀즈수는 실제 비행범위의 레이놀즈수 2.
신뢰수준 #에서의 불확실성을 구하기 위해 계통오차(B, bias or systematical error)와 측정오차(P, precision orrandom error)를 구하였다.
500프레임/초로 1M픽셀의 이미지를 획득했다.여기서 모델은 주기적인 날갯짓을 수행하므로 위상 동기 PIV(phase-locked PIV)를 위해 펄스 생성 프로그램을 추가하여 로봇모델과 카메라를 연동하였다.
31을 이용하였으며, 이미지는 32×32의 크기 격자로 분리한 뒤 50% 오버랩을 적용하여 총 64×64의 해상도를 얻었다. 이 때 이미지에는 어떠한 전처리나 후처리가 적용되지 않았으며, 총 100개 이미지에 대한 평균값을 본 논문에 제시하였다.
앞서 언급한 바와 같이, 날갯짓에 의한 공력지연은 높은 무차원 진동수에 의한 후류의 압력전파 지연으로 설명할 수 있지만, 물리적으로는 날개 주위가 와류지배적 유동장(vortex-dominatedflow fields)으로 둘러싸여 있음을 암시하기도 한다. 이를 확인하기 위해 스팬위치의 약 45% 단면에서 공력 피크가 나타나는 구간에 대한 PIV연구를 진행하였다.
5W DPSS레이저에 실린더형 렌즈를 설치하여 레이저 시트로 변환 한 뒤 날개뿌리를 기준으로 45% 스팬방향에 대한 단면에 투영하였다. 이어 고속 정지화상을 얻기 위해 고속카메라(FASTCAM SA3)로단면을 촬영하였다.
칼새가 날개를 최대로 펼쳤을 때(fully extended) 후퇴각 5°를 기준으로 두께 2mm의 발사나무와 아크릴로 각각 제작하였다.
칼새의 기동성능[10]을 모사하기 위해 후퇴각 5°일 때 비틀림 각(twist angle) 변화에 따른 비정상 공력측정과 PIV(Particle Image Velocimetry)를 이용한 유동 가시화를 진행하였다.
대상 데이터
500프레임/초로 1M픽셀의 이미지를 획득했다.여기서 모델은 주기적인 날갯짓을 수행하므로 위상 동기 PIV(phase-locked PIV)를 위해 펄스 생성 프로그램을 추가하여 로봇모델과 카메라를 연동하였다.
9m2이며, 정체실과 시험부의 수축비가 3:1인 불어내기식 아음속 풍동(blowing-typesubsonic wind tunnel)을 이용하였다. 공력측정용 로드셀은 ATI社의 NANO17센서를 사용하였다. 이 센서는 최대 ±25N, ±250N-mm를 측정할 수 있는 고해상도 6축 로드셀이며, 각 축당1/160N, 1/32N-mm의 정밀도를 갖는다.
칼새가 날개를 최대로 펼쳤을 때(fully extended) 후퇴각 5°를 기준으로 두께 2mm의 발사나무와 아크릴로 각각 제작하였다. 날개 길이는 200mm이고, 날개 면적은 80.9cm2이다.
본 연구에 사용된 풍동 시험부의 단면은 0.9×0.9m2이며, 정체실과 시험부의 수축비가 3:1인 불어내기식 아음속 풍동(blowing-typesubsonic wind tunnel)을 이용하였다.
데이터처리
PIV결과를 해석하기 위해 PIVlab v1.31을 이용하였으며, 이미지는 32×32의 크기 격자로 분리한 뒤 50% 오버랩을 적용하여 총 64×64의 해상도를 얻었다.
더불어NI 社의 DAQ board(NI-PCI-6143)를 사용하여 공력을 측정한 후, MATLAB(R)을 활용하여 획득된 데이터를 처리하였다. 데이터 샘플링 주파수는 125Hz이며, 전체 측정은 날갯짓 200주기를 반복하여 앙상블 평균(Ensemble Average)하였다.
이론/모형
더불어 이러한차이는 유속이 빨라질수록 커지지만 정량적인 차이는 미미하였다. 따라서 본 연구에서는 다운스트로크와 업스트로크를 균등하게 설정하기 위해 단순 조화함수(simple harmonic function)를 활용하였다.
성능/효과
그러나 항력계수에서는 이러한 공력 특성의 경향에 뚜렷한 차이가 나타났다. 날개의 비틀림 각이 커짐에 따라 발생되는 항력계수의 진폭은 급격히 증가해 상당한 추력을 발생시키는 것을 확인하였다. 날갯짓에 의한 공력구조를 통해 공력지연은 주로 날개 주변의 와류유동에 의해 나타나는 현상으로 해석되었다.
Figure 4 (b)는 비틀림 각 변화에 따른 항력계수를 한 주기 동안 나타낸 것이다. 눈여겨 볼 특징 중 하나는 비틀림 각에 의한 영향이 양력계수와 달리 매우 뚜렷하게 나타난다는 점으로, 비틀림 각이 증가함에 따라 상당한 수준의 추력(음(-)의 항력)을 발생된다는 것을 확인할 수 있다.
1m/s의 최대속도를 확인하였다.또한, 상기비행에서의 날갯짓 주파수가 이전 연구들에서 제시한 결과보다 다소간 증가한다는 것을 밝혔다.
본 연구에서의 날갯짓이 업스트로크와 다운스트로크가 동일하므로(symmeticmotion profile), 결국 고정익 항공기와 달리 하반각(∅shift)효과가 양력을 생성하는데 도움을 주었다는 것을 의미한다.
비틀림 각이 작은 경우 LEV 약간 떨어진 형태를 유지하고 있다. 비틀림 각이 증가할수록 LEV는 점차 날개면에 가까워지고, 전반적인 와류강도가 점차 약해지는 것을 확인할 수 있다. 비틀림 각 ±20°에서는 날개 면에 완전히 부착된 LEV와 크게 약해진 TEV(Trailing-Edge Vortex)를 함께 확인할 수있다.
[11]은 새의 외측 및 내측날개(arm wing)가 비행 시 서로 다른 역할을 한다는 사실에 주목해 연구를 수행하였다. 이를 통해 내측날개는 실속이전의 일반 에어포일 주위 흐름에 대한 기존 공기역학에 부합하지만, 외측날개는 양력을 증대시키는 앞전와류(LEV, Leading-EdgeVortex)를 유도한다는 사실을 알아내었다. 특히 칼새 날개의 LEV는 양력뿐만 아니라 항력도 같이 증가시키는 것을 확인해 보고하였다.
[10]은 칼새의 후퇴각이 비행특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 박제된 칼새의 날개를 활용한 풍동시험을 진행하였다.이를 통해 후퇴각이 작은 날개, 즉 완전히 펼쳐진 날개가 기동비행을 할 때 유리한 기동성능을 보이지만, 전반적인 공력특성은 후퇴각을 크게 젖히는 것이 더욱 우수하다는 것을 제시하였다. 한편, Videler et al.
이때 날개는 다운스트로크를 진행하며 날개 윗면에 LEV를 생성하고 있다. 전반적인 구조는 업스트로크의 피크생성 시점(t/T=0.15)과 유사하나, 와류강도는 업스트로크 보다 크게 나타났다. 또한 지속적인 TEV흘림에서도 업스트로크보다 큰 와류강도를 갖는 것을 확인할 수 있다.
날갯짓에 의한 공력구조를 통해 공력지연은 주로 날개 주변의 와류유동에 의해 나타나는 현상으로 해석되었다. 특히 날개의 운동방향에 따라 발생하는 LEV의 크기는 비틀림각이 커짐에 따라 점차 약해지며, 또한 TEV 역시 비틀림 각이 커짐에 따라 약해지는 것을 알 수 있었다. 이것은 조화함수로 구성된 비틀림 각이 스트로크의 항력을 줄이고 추력 생성에 도움이 된다는 것을 의미한다.
15)역시 이러한 결과를 잘 뒷받침 한다. 특히 양력이 0이 되는 시점은 날개가 수평이 되는 최대 속도 구간에서 나타나지 않고 이보다 늦게 나타나며, 이에 따라 업스트로크 일부구간에서도 양력이 발생하는 특징을 보였다.
한편 날개의 관성력을 제거하기 위해 날개의 무게와 도심(centriod), 날갯짓에 의한 가속도 등을 계산하였으며, 관성력은 무시할 만한 범위를 갖는 것을 확인하였다. 이것은 발사로 제작된 칼새 날개모델의 중량이 무시할 수 있을 정도로 가볍기 때문이다.
한편, 모든 경우에서 다운스트로크 구간의 양력계수는 업스트로크 구간에서 반대방향으로 작용하는 양력계수에 비해 큰 값을 갖는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서의 날갯짓이 업스트로크와 다운스트로크가 동일하므로(symmeticmotion profile), 결국 고정익 항공기와 달리 하반각(∅shift)효과가 양력을 생성하는데 도움을 주었다는 것을 의미한다.
후속연구
새는 이를 통해 앞면 면적(frontal area)을 조절하여 더욱 적극적인 비행이 가능하다. 또한 날갯짓 도중 날개평면 내에서 앞/뒤로 움직이는 래깅(lagging)과 유동장의 변화에 대해 반응하는 유연도(flexibility) 등을 포함하고 있으므로, 결론적으로 새의 날갯짓을 모사하는 것은 여전히 어려운 과제다.
이것은 조화함수로 구성된 비틀림 각이 스트로크의 항력을 줄이고 추력 생성에 도움이 된다는 것을 의미한다. 본 연구에서 제시된 자료는 추후 플래핑 타입의 칼새형 초소형비행체설계 데이터로 유익하게 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
조류와 항공기는 어떠한 차이점을 가지고 있는가?
항공기와 달리 조류는 날갯짓을 통해 공력을 발생하고 동시에 제어하므로 항공기와는 전혀 다른 특성을 갖는다. 또한 조류는 근본적으로 그 크기가 작고 면적 대부분을 차지하는 날개가 반복적으로 움직이며, 각각의 관절 구조는 기계적 구조의 항공기와 달리 유연하여 고전 공기역학으로 접근하기 어려운 실정이었다.
일반 조류와 비교할 때 칼새의 독특한 생활양식은 무엇인가?
다양한 조류 중에서 칼새(swift, Apus Apus)는 최대 시속 200km로 시속 400km가 넘는 군함조다음으로 빠르며, 최대 15G의 고기동도 가능하다. 또 공중을 비행하며 수면을 취하는 휴식비행(rousting)을 하기도 한다. 이는 일반 조류(연작류, passerine)와 비교할 때 매우 독특한 생활양식이다[5].
일반 조류와 비교할 때 칼새의 날개 구조는 어떠한 특징을 가지는가?
이는 일반 조류(연작류, passerine)와 비교할 때 매우 독특한 생활양식이다[5]. 날개 구조에서도 비교할만한 특징이 발견되는데, 일반적인 새들은 외측날개(handwing)가 전체 날개에서 50%이하를 차지하지만, 칼새의 경우 외측날개의 비중이 날개 전체의 70%를 차지한다[6]. 그 결과 칼새는 스패닝을 할 수 없고 폴딩도 불가능하다.
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