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9-DOF 낙하산 모델링 및 선회비행 시뮬레이션 검증

9-DOF Modeling and Turning Flight Simulation Evaluation for Parachute

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.9, 2016년, pp.688 - 693  

이상종 (인하공업전문대학 항공기계과) ,  민병문 (인하공업전문대학 항공기계과)

초록
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본 논문에서는 현재 고고도 이탈 및 저고도 개산강하(HALO, High Altitude Low Opening)용으로 사용하고 있는 군용 낙하산의 훈련 시뮬레이터 개발을 위해 필요한 낙하산 모델링시뮬레이션 결과를 정리하였다. 대상인 군용 낙하산은 파라포일(Parafoil) 형태의 사각 낙하산으로 원형 낙하산과는 달리 강하자가 조종을 통해 원하는 위치로 유도할 수 있는 기동성이 뛰어나 공수부대원들의 적진 침투시에 주로 이용된다. 실재 낙하산의 형상자료를 이용하여 파라포일과 낙하물의 질점 모델을 기반으로 9-자유도 비선형 운동방정식을 유도하고, 각각의 관성모멘트와 공력 미계수를 산출하여 MATLAB/Simulink 기반의 비선형 시뮬레이션을 수행하여 그 결과를 나타내었다. 특히 낙하산과 같은 공기부양(LTA, Lighter-Than-Air) 비행체는 일반적인 항공기 비선형 운동과 달리 부가질량(Added Mass) 및 부가 관성모멘트(Added Moment of Inertia)의 효과가 크기 때문에 이에 대한 경험수식을 바탕으로 동역학 모델링에 포함하여 고려하였다. 수행된 낙하산 운동 모델링의 검증을 위해 비대칭 조종입력을 통한 나선형 강하 비행조건을 시뮬레이션하여 대상 군용 낙하산에서 제시된 실재 성능값과 시뮬레이션 결과치를 비교하여 유도된 운동모델이 타당함을 검증하고 그 결과를 나타내었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes the parachute dynamics modeling and simulation results for the development of training simulator of a HALO (High Altitude Low Opening) parachute, which is currently in use for military purposes. The target parachute is a rectangular shaped parafoil and its dynamic model is deriv...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 공수부대원들의 훈련용 시뮬레이터(Training Simulator) 개발을 위해 요구되는 파라포일 형태의 낙하산 운동모델링과 이에 대한 시뮬레이션을 다루고 있다. 실재 운용중인 군용 낙하산의 현실감 있는 동특성 모사를 위해 파라포일 형태의 낙하산의 형상자료를 기반으로 외부 힘과 모멘트를 산출하고, 낙하산 조종입력에 대한 여러 비행조건에 대해 시뮬레이션을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
낙하산의 용도는? 낙하산(Parachute)은 공중에서 사람이나 물체의 낙하속도를 줄여 지상으로 안전하게 낙하시키기 위하여 사용되고 있으며, 이외에도 고속 전투기의 착륙거리를 줄이기 위한 Drag-chute로도 사용되며, 최근에는 조종이 불가능한 상태의 무인 비행체의 비상상황에서 비행체의 안전한 회수 및 착륙을 위하여 사용되기도 한다[1]. 낙하산의 형태는 Fig.
파라포일 형태의 Ram-air 낙하산은 특히 어떤 용도로 이용되는가/ 파라포일 형태의 Ram-air 낙하산은 낙하산의 형상이 일반 비행기의 날개와 같은 에이포일(Airfoil) 형태로 이루어져 있어 날개 후면부를 변형하거나 일부분을 위아래로 변화시켜 낙하산에서 발생하는 외부 공기흐름에 의한 양력(Lift)과 항력(Drag)을 적절히 변화시켜 원하는 목표위치로 낙하산을 조종할 수 있다. 특히 공수부대원들의 적진 침투시에 고고도 이탈 및 저고도 개산강하(HALO, High Altitude Low Opening)용 낙하산으로 이용된다.
낙하산의 형태는 어떻게 구분되는가? 낙하산의 형태는 Fig. 1과 같이 조종성이 낮아 목표지점에 대한 유도가 어려운 Drag 개념의 원형 낙하산과 강하자가 조종을 통해 원하는 위치로 유도할 수 있는 파라포일(Parafoil) 형태의 Ram-air 낙하산으로 크게 구분된다. 파라포일 형태의 Ram-air 낙하산은 낙하산의 형상이 일반 비행기의 날개와 같은 에이포일(Airfoil) 형태로 이루어져 있어 날개 후면부를 변형하거나 일부분을 위아래로 변화시켜 낙하산에서 발생하는 외부 공기흐름에 의한 양력(Lift)과 항력(Drag)을 적절히 변화시켜 원하는 목표위치로 낙하산을 조종할 수 있다.
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참고문헌 (7)

  1. I. Kim, S. Park, W. Park, C. Yoo, "Deploy Position Determination for Accurate Parachute Landing of a UAV", Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 41, No.6, pp. 465-472, June, 2013. DOI: http://dx.doi.org/10.5139/JKSAS.2013.41.6.465 

  2. O. Prakash and N. Ananthkrishnan, "Modeling and Simulation of 9-DOF Parafoil-Payload System Flight Dynamics", AIAA-2006-6130. 

  3. C. Toglia and M. Vendittelli, "Modeling and Motion Analysis of Autonomous Paragliders", Technical Report of University of Rome, May 2010. 

  4. Y. Gang, "Nine-degree of Freedom Modeling and Flight Dynamic Analysis of Parafoil Aerial Delivery System", Procedia Engineering, Vol.99, pp.866-872, 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2014.12.614 

  5. Headquarters, Department of the U.S Army, "Unit and Direct Support Maintenance Manual (Including Repair Parts and Special Tools List) for MC-4 Ram Air Free-Fall Personnel Parachute System", Technical Manual, July, 2003. 

  6. P. B. S. Lissaman, G. J. Brown, "Apparent Mass Effects on Parafoil Dynamics", AIAA-93-1236, 1993. DOI: http://dx.doi.org/10.2514/6.1993-1236 

  7. Headquarters, Department of the U.S Army, "Special Forces Military Free-Fall Operations", FM 3-05.211 (FM 31-19) MCWP 3-15.6 NAVSEA SS400-AG-MMO-010 AFMAN 11-411(I), April, 2005. 

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