한국항공우주연구원(KARI)이 보유하고 있는 개방형 풍동에서 최대이륙중량 28 kg급 옥터콥터(octocopter)를 시험모델로 상승 하강기류, 측풍, 전단류와 같은 악기상에 대한 대처 능력을 향상 시키고 와류고리상태(VRS)와 같은 공기역학적 현상을 규명하여 와류고리상태(VRS) 진입 예방 및 탈출할 수 있는 기술들을 연구하고자 풍동시험을 수행하였다. 소형무인기 풍동시험은 풍속 3.5, 5, 7 m/sec, 회전수 3,500, 4,500, 5,550rpm 조건에서 받음각$-40^{\circ}{\sim}+20^{\circ}$ 도, ${\pm}90^{\circ}$ 도, 요각$0^{\circ}$ 도와 $45^{\circ}$ 도로 변화시켜가며 6분력을 측정하여 공력 DB를 작성하였다. 멀티콥터 수직 하강 시험 시 하강속도 6 m/sec에서 와류고리상태의 최고점(VRS peak)이 나타나고, 이 때 약 13 % 정도의 추력감소가 나타났다. 프로펠러 및 동체 상호 간섭에 의한 성능저하 여부를 판단하기 위해 프로펠러 조합을 변화시켜가며 시험을 수행한 결과 단일 프로펠러 대비 최대 15 % 정도의 성능 저하가 있음을 확인할 수 있었다. 이번 시험으로 확보한 자료들은 소형무인기 운용 시 경험하게 되는 악기상에 대처하여 안전성과 생존성을 증대시키기 위한 기술개발 기초자료로 활용될 예정이다.
한국항공우주연구원(KARI)이 보유하고 있는 개방형 풍동에서 최대이륙중량 28 kg급 옥터콥터(octocopter)를 시험모델로 상승 하강기류, 측풍, 전단류와 같은 악기상에 대한 대처 능력을 향상 시키고 와류고리상태(VRS)와 같은 공기역학적 현상을 규명하여 와류고리상태(VRS) 진입 예방 및 탈출할 수 있는 기술들을 연구하고자 풍동시험을 수행하였다. 소형무인기 풍동시험은 풍속 3.5, 5, 7 m/sec, 회전수 3,500, 4,500, 5,550rpm 조건에서 받음각 $-40^{\circ}{\sim}+20^{\circ}$ 도, ${\pm}90^{\circ}$ 도, 요각 $0^{\circ}$ 도와 $45^{\circ}$ 도로 변화시켜가며 6분력을 측정하여 공력 DB를 작성하였다. 멀티콥터 수직 하강 시험 시 하강속도 6 m/sec에서 와류고리상태의 최고점(VRS peak)이 나타나고, 이 때 약 13 % 정도의 추력감소가 나타났다. 프로펠러 및 동체 상호 간섭에 의한 성능저하 여부를 판단하기 위해 프로펠러 조합을 변화시켜가며 시험을 수행한 결과 단일 프로펠러 대비 최대 15 % 정도의 성능 저하가 있음을 확인할 수 있었다. 이번 시험으로 확보한 자료들은 소형무인기 운용 시 경험하게 되는 악기상에 대처하여 안전성과 생존성을 증대시키기 위한 기술개발 기초자료로 활용될 예정이다.
In order to improve the safety of the multi-copter, Korea Aerospace Research Institute (KARI) performed a wind-tunnel test using an octocopter with the maximum takeoff weight (MTOW) of 28 kg. The wind-tunnel test was performed with three different RPM ranges, 3,500, 4,500 and 5,500 rpm, and three di...
In order to improve the safety of the multi-copter, Korea Aerospace Research Institute (KARI) performed a wind-tunnel test using an octocopter with the maximum takeoff weight (MTOW) of 28 kg. The wind-tunnel test was performed with three different RPM ranges, 3,500, 4,500 and 5,500 rpm, and three different wind speeds, 3.5, 5 and 7 m/sec. The tested range of the angle of attacks was $-40^{\circ}$ to $20^{\circ}degree$ and ${\pm}90^{\circ}degree$. Vortex ring state (VRS) of the tested multi-copter was located around the vertical descending speed of 6 m/sec and the decrement of thrust was about 13 % at the time of testing. Compared with the single propeller wind-tunnel test result, the propeller efficiency of the octocopter dropped to 10 to 15% depending on the propeller RPM. It is hypothesized that the obtained aerodynamic characteristics by the wind-tunnel test will be used to improve the performance and wind resistance of the multi-copter.
In order to improve the safety of the multi-copter, Korea Aerospace Research Institute (KARI) performed a wind-tunnel test using an octocopter with the maximum takeoff weight (MTOW) of 28 kg. The wind-tunnel test was performed with three different RPM ranges, 3,500, 4,500 and 5,500 rpm, and three different wind speeds, 3.5, 5 and 7 m/sec. The tested range of the angle of attacks was $-40^{\circ}$ to $20^{\circ}degree$ and ${\pm}90^{\circ}degree$. Vortex ring state (VRS) of the tested multi-copter was located around the vertical descending speed of 6 m/sec and the decrement of thrust was about 13 % at the time of testing. Compared with the single propeller wind-tunnel test result, the propeller efficiency of the octocopter dropped to 10 to 15% depending on the propeller RPM. It is hypothesized that the obtained aerodynamic characteristics by the wind-tunnel test will be used to improve the performance and wind resistance of the multi-copter.
최근에는 이런 한계를 극복하고 멀티콥터의 운용성과 안정성을 확장하기 위해 난류발생장치를 이용한 멀티콥터 풍동시험[1], 실시간 바람 측정장치를 이용한 바람저항성능(wind resisting performance)을 높이는 연구[2], 멀티콥터 제어법칙 개선[3], 저 레이놀즈 유동조건에서 프로펠러 성능 개선[4], 등 많은 연구들을 진행하고 있다. 한국항공우주연구원(KARI)에서도 소형무인기 운용 시 경험하게 되는 상승·하강 기류, 측풍, 전단류와 같은 악기상에 대한 대처 능력을 향상시키기 위한 기술을 개발하기 위해, KARI의 개방형 풍동을 이용하여 멀티콥터의 공기역학적 현상을 규명하고 이를 바탕으로 와류고리상태(VRS) 진입 예방 및 진입 시 탈출할 수 있는 기술들을 연구하고자 풍동시험을 수행하였다. 멀티콥터의 공력특성을 예측하고 6분력에 대한 공력 DB를 확보하기 위한 풍동시험은 NASA[5]에서 수행한 시험을 바탕으로 풍속, 회전수(RPM), 받음각(α), 요각(β)을 변수로 하여 공력특성을 측정하였다.
제안 방법
한국항공우주연구원(KARI)이 보유하고 있는 개방형 풍동에서 옥터콥터(octocopter)을 시험모델로 6분력 측정을 하여 소형무인기 공력 DB 확보와 와류고리상태(VRS) 진입 및 공기역학적인 물리현상을 분석하기 위한 풍동시험을 수행하였다. 시험결과 프로펠러 상호간섭 효과에 의한 단일 프로펠러 대비 최대 15 % 정도의 효율 감소를 확인하였다.
대상 데이터
멀티콥터 수직상승 시 공력 DB 확보와 수직하강 시 발생할 수 있는 와류고리상태(VRS)를 재현하기 위해 풍동시험을 수행하였다. 프로펠러 단독시험결과는 수직하강 조건(프로펠러 회전수 4,000rpm)에서 하강속도 7.
프로펠러 및 동체 상호간섭에 의한 성능저하 여부를 판단하기 위해 프로펠러 단독시험, 동체 단독시험, 전기체에서 프로펠러 4개, 6개, 8개 조합의 풍동시험을 수행하였다. 프로펠러 단독성능시험 결과는 Fig.
이론/모형
한국항공우주연구원(KARI)에서도 소형무인기 운용 시 경험하게 되는 상승·하강 기류, 측풍, 전단류와 같은 악기상에 대한 대처 능력을 향상시키기 위한 기술을 개발하기 위해, KARI의 개방형 풍동을 이용하여 멀티콥터의 공기역학적 현상을 규명하고 이를 바탕으로 와류고리상태(VRS) 진입 예방 및 진입 시 탈출할 수 있는 기술들을 연구하고자 풍동시험을 수행하였다. 멀티콥터의 공력특성을 예측하고 6분력에 대한 공력 DB를 확보하기 위한 풍동시험은 NASA[5]에서 수행한 시험을 바탕으로 풍속, 회전수(RPM), 받음각(α), 요각(β)을 변수로 하여 공력특성을 측정하였다.
성능/효과
5 m/sec에서 와류고리상태 최고점(VRS peak)이 나타나고 이때 와류고리상태 진입에 의한 20 % 정도의 추력이 감소하였다. 단일 프로펠러시험과 동일한 시험조건에서 전기체 시험을 수행한 결과 하강속도 6 m/sec에서 와류고리상태 최고점(VRS peak)이 나타나고 이때 와류고리상태 진입에 의한 13 % 정도의 추력이 감소하였다. 단일 프로펠러에 비해 전기체 시험 시 와류고리상태 진입에 의한 추력 감소량은 적으나 와류고리상태 진입 속도는 빨라져 하강속도 6 m/sec에서 와류고리상태 최고점이 나타남을 확인할 수 있었다.
시험결과 프로펠러 상호간섭 효과에 의한 단일 프로펠러 대비 최대 15 % 정도의 효율 감소를 확인하였다. 또한, 단일 프로펠러시험 시 회전수 4,000rpm에서 하강속도 7.5 m/sec에서 와류고리상태 최고점(VRS peak)이 나타나고 이때 와류고리상태 진입에 의한 20 % 정도의 추력이 감소하였다. 단일 프로펠러시험과 동일한 시험조건에서 전기체 시험을 수행한 결과 하강속도 6 m/sec에서 와류고리상태 최고점(VRS peak)이 나타나고 이때 와류고리상태 진입에 의한 13 % 정도의 추력이 감소하였다.
한국항공우주연구원(KARI)이 보유하고 있는 개방형 풍동에서 옥터콥터(octocopter)을 시험모델로 6분력 측정을 하여 소형무인기 공력 DB 확보와 와류고리상태(VRS) 진입 및 공기역학적인 물리현상을 분석하기 위한 풍동시험을 수행하였다. 시험결과 프로펠러 상호간섭 효과에 의한 단일 프로펠러 대비 최대 15 % 정도의 효율 감소를 확인하였다. 또한, 단일 프로펠러시험 시 회전수 4,000rpm에서 하강속도 7.
후속연구
단일 프로펠러에 비해 전기체 시험 시 와류고리상태 진입에 의한 추력 감소량은 적으나 와류고리상태 진입 속도는 빨라져 하강속도 6 m/sec에서 와류고리상태 최고점이 나타남을 확인할 수 있었다. 이번 시험으로 확보한 시험자료들은 향후 소형무인기 운용 시 경험하게 되는 상승·하강 기류, 측풍, 전단류 등 악기상에 대처하여 안전성과 생존성을 증대시키기 위한 기술개발 기초자료로 활용될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
멀티콥터의 문제점은 무엇인가?
더구나, 드론을 활용한 무인 택배나 인명 구조, 재난 감시 등 생활 밀착형 용도로 활용하기 위해서는 현재의 멀티콥터 한계를 뛰어 넘는 안정성이 요구된다. 멀티콥터는 강한 상승기류, 건물사이에서 발생하는 전단류, 돌풍 등의 악기상에서 와류고리 상태(Vortex Ring State)에 진입하는 경우가 종종 발생하며, 진입 시 비행력을 회복하지 못하고 추락하는 경우가 많다. 최근에는 이런 한계를 극복하고 멀티콥터의 운용성과 안정성을 확장하기 위해 난류발생장치를 이용한 멀티콥터 풍동시험[1], 실시간 바람 측정장치를 이용한 바람저항성능(wind resisting performance)을 높이는 연구[2], 멀티콥터 제어법칙 개선[3], 저 레이놀즈 유동조건에서 프로펠러 성능 개선[4], 등 많은 연구들을 진행하고 있다.
멀티콥터 한계를 극복하기 위해 어떤 연구들이 진행되고 있는가?
멀티콥터는 강한 상승기류, 건물사이에서 발생하는 전단류, 돌풍 등의 악기상에서 와류고리 상태(Vortex Ring State)에 진입하는 경우가 종종 발생하며, 진입 시 비행력을 회복하지 못하고 추락하는 경우가 많다. 최근에는 이런 한계를 극복하고 멀티콥터의 운용성과 안정성을 확장하기 위해 난류발생장치를 이용한 멀티콥터 풍동시험[1], 실시간 바람 측정장치를 이용한 바람저항성능(wind resisting performance)을 높이는 연구[2], 멀티콥터 제어법칙 개선[3], 저 레이놀즈 유동조건에서 프로펠러 성능 개선[4], 등 많은 연구들을 진행하고 있다. 한국항공우주연구원(KARI)에서도 소형무인기 운용 시 경험하게 되는 상승·하강 기류, 측풍, 전단류와 같은 악기상에 대한 대처 능력을 향상시키기 위한 기술을 개발하기 위해, KARI의 개방형 풍동을 이용하여 멀티콥터의 공기역학적 현상을 규명하고 이를 바탕으로 와류고리상태(VRS) 진입 예방 및 진입 시 탈출할 수 있는 기술들을 연구하고자 풍동시험을 수행하였다.
멀티콥터의 안정성이 더욱 문제가 되고 있는 이유는 무엇인가?
최근 멀티콥터의 활용 분야가 군사적 목적 이외에 영상 촬영, 드론 레이싱과 같은 취미생활 등 다양한 분야로 활성화가 되면서 멀티콥터의 안정성이 더욱 문제가 되고 있다. 더구나, 드론을 활용한 무인 택배나 인명 구조, 재난 감시 등 생활 밀착형 용도로 활용하기 위해서는 현재의 멀티콥터 한계를 뛰어 넘는 안정성이 요구된다.
참고문헌 (5)
D. Kubo, "Dynamic Response Evaluation of Small Multirotor in Wind Tunnel with Gust Generator" The 2016 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology, October 25-27, 2016
T. Yamamoto, T. Higuchi, F. Nagasaki and S. Ueno, "Development of Multirotor with Wind Resisting Performance," The 2016 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology, October 25-27, 2016
Jae-Hyun Jin and Jin-Hee Jo, "A Test Bench with Six Degrees of Freedom of Motion For Development of Small Quadrotor Drones," Journal of Aerospace System Engineering, vol. 11, No. 1, Februrary, 2017.
Senghyung Yun and Cheolheui Han "Aerodynamic Design and Performance Analysis of a Propeller at Low Reynolds Number Flow Conditions," Journal of Aerospace System Engineering, vol. 9, No. 1, pp.7-11, March, 2015.
C. Russel, J. Jung, G. Willink and B. Glasner, 2016, "Wind Tunnel and Hover Performance Test Results for Multicopter UAS Vehicles," AHS 72nd Annual Forum, May 16-19, 2016
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.