[논문]Pterosarus 날개 형상 및 공력특성

조웅재; 한철희

doi:10.22710/jict.2017.7.1.023

Pterosarus 날개 형상 및 공력특성
Shapes and Aerodynamics of Pterosarus' Wing 원문보기

융ㆍ복합기술연구소 논문집 = Journal of institute of convergence technology, v.7 no.1, 2017년, pp.23 - 29

조웅재 (한국교통대학교 항공기계설계학전공) , 한철희 (한국교통대학교 항공기계설계학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

A pterosarus is an ancient flying reptile and the first vertebrate with powered flight. The shapes of the pretosarus'airfoil in the published literature are reconstructed. The aerodynamics of the Pterosarus is obtained using a free software XFOIL. The steady aerodynamics of the Pterosarus' airfoil are investigated focusing on the gliding performance. The numerical results are validated by comparing the computed aerodynamic coefficients with the measured data. The secretes of the Pterosarus' highly camberred airfoil are elucidated by comparing the aerodynamics with that of the birds'.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 날개 길이(wingspan)가 큰 프테로사우르스의 비행원리를 파악하여 프테로사우르스의 날개짓 비행에 관한 과학적 호기심을 충족시키고, 동시에 프테로사우르스를 모방한 대형 플랩핑 날개짓 비행체를 개발하고자 한다. 이를 위하여 먼저 기존 문헌에 알려진 프테로사우르스 날개 및 에어포일 형상을 분석하고, 에어포일의 2차원 공력특성을 연구하여 새의 공기역학적 특징과 비교 분석하고자 한다.
본 논문에서는 참고문헌에 나타난 프테로사우르스의 날개 형태를 분석하였다. 이를 바탕으로 프테로사우르스의 에어포일 형상을 구현하고, XFOIL을 사용하여 공력해석 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 2차원 에어포일의 점성-비점상 상호 작용 해석을 기반으로한 MIT의 Mark Drela가 만든 XFOIL을 사용하여 2차원 에어포일의 공력해석 연구를 수행하였다. XFOIL은 레이놀즈 수가 20만에서 100만 까지의 범위내에서 비행하는 저속 에어포일 공력 해석에 매우 유용한 소프트에어로 에어포일 표면에는 점성효과를 고려한 경계층 해석기법을 사용하여 계산하며, 점성의 영향이 미미한 영역은 퍼텐셜해석기법 을 사용하여 계산한다.

가설 설정

Cambridge Greensand(Lower Cretaceous)에 보존되어 있는 손목뼈들로부터 3차원적인 분석연구를 통하여 익형골은 비행 때는 앞쪽 아랫방향으로 향하며, 수직 방향으로는 상당히 큰 범위로 이동이 가능했을 것이라고 주장하였다. 또한 Frey와 Riesss[20]는 기존에 알려져 왔던 전비막보다 더 넓으며 전미박의 몸통 근처에서의 변형이 날개에서 몸통쪽 부분의 캠버를 크게 만들어 전비막이 앞전플랩(leading edge flap)과 같이 작동하도록 하는 역할이 가능하다고 가정하였다.

제안 방법

Figure 5에 새의 날개 단면형상과 유사한 S1223 에어포일의 받음각 변화에 따른 양력계수 변화와 양항비 특성을 나타내었다. 먼저 XFOIL을 사용하여 레이놀즈 수를 103,800에서 303,800까지 10만 단위로 증가시켜 계산하였으며, 이를 UIUC의 실험자료와 비교하여 나타내었다. 받음각 및 레이놀즈수를 변화시켜 계산 결과를 살펴보면, Fig.
Figure 5에 새의 날개 단면형상과 유사한 S1223 에어포일의 받음각 변화에 따른 양력계수 변화와 양항비 특성을 나타내었다. 먼저 XFOIL을 사용하여 레이놀즈 수를 103,800에서 303,800까지 10만 단위로 증가시켜 계산하였으며, 이를 UIUC의 실험자료와 비교하여 나타내었다. 받음각 및 레이놀즈수를 변화시켜 계산 결과를 살펴보면, Fig.
본 논문에서는 참고문헌에 나타난 프테로사우르스의 날개 형태를 분석하였다. 이를 바탕으로 프테로사우르스의 에어포일 형상을 구현하고, XFOIL을 사용하여 공력해석 연구를 수행하였다. 이로부터 얻은 결과는 다음과 같다.
따라서, 본 연구에서는 날개 길이(wingspan)가 큰 프테로사우르스의 비행원리를 파악하여 프테로사우르스의 날개짓 비행에 관한 과학적 호기심을 충족시키고, 동시에 프테로사우르스를 모방한 대형 플랩핑 날개짓 비행체를 개발하고자 한다. 이를 위하여 먼저 기존 문헌에 알려진 프테로사우르스 날개 및 에어포일 형상을 분석하고, 에어포일의 2차원 공력특성을 연구하여 새의 공기역학적 특징과 비교 분석하고자 한다.

이론/모형

그 후 날개를 구성하는 얇은 막에 대하여 학자들간에 Bird-like Model과 Bat-like Model로 나뉘어 논의가 이루어지고 있다[18]. 본 연구에서는 Bird-like Model을 사용하여 프테로사우르스날개의 비정상 공력 특성을 분석한 Strang[14]의 날개 형상을 선택하였다.
프테로 사우르스의 날개는 크게 전비막이 존재하는 기역과 전비막이 존재하지 않는 이외의 지역으로 나누어 생각할 수 있다. 실제 프테로 사우르스의 에어포일 형상은 알려진바가 없으며 본 연구에서는 Palmer [16]가 가정한 에어포일 형상들중 XFOIL해석을 수행하는데 사용한 작은 캠버 단면을 사용하였다. 아래 그림에 나타낸 바와 같이 먼저 Palmer[16]의 논문에서 에어포일 형상 자료를 축출하였으며 이 형상자료를 내 삽기법을 사용하여 매끈하게 다시 정리하였다.

성능/효과

1) 프테라사우르스의 익형이 캠버가 매우 크며 앞전 부분의 두께가 매우 두꺼운 특징을 가지고 있었다.
2) 새의 날개단면 형상인 S1223과 비교하였을 때 낮은 받음각에서 S1223과 유사한 공력특성을 보이고 있으나 받음각이 큰 경우에 다소 차이가 발생하였다.
3) NACA 9510에어포일과 비교하였을 때 가장 유사한 공력특성을 보이고 있다. 따라서 프테로 사우르스의 날개 단면형상중 일부분인 AIRFOIL1은 NACA 9510형상을 하고 있다고 판단할 수 있다.
앞전 부분의 두께가 유사하나 캠버가 다른 NACA 0012의 경우 양력 및 양항비 특성이 AIRFOIL 1과 전혀 다르게 나타난 반면 캠버가 유사한 NACA 9510의 경우 받음각 변화에 따른 양력 및 양항비 특성이 동일하게 나타났다. 따라서, AIRFOIL 1의 날개형상이 NACA 9510과 유사한 형상으로 새의 날개보다 두께가 얇고 캠버는 동일하다는 사실을 알 수 있다. 받음각 변화에 따른 양력 특성의 변화를 살펴보면 -5도에서 5도까지의 받음각 변화에 대하여 양력변화가 선형적으로 나타났을 뿐만 아니라 5도보다 큰 받음각에 대하여 기울기가 작긴 하지만 지속적으로 양력이 증가하고 있음을 알 수 있다.
프테로사우르스는 물고기를 주식으로 해안가나 절벽에서 서식하였으며, 현재의 알바트로스와 비슷한 서식환경이므로 알바트로스와 같이 바닷바람의 상승 기류를 타고 장시간 소어링 비행이 가능했을 것으로 추정된다[8]. 따라서, 프테로 사우르스의 날개 형상과 공력특성 사이의 관계를 파악할 경우 장기체공 무인 비행체의 개발에 필요한 날개형상선정과 비행기술 확보에 필요한 기초 지식을 얻을 수 있다.
프테로 사우르스가 생존할 당시인 백악기 후기의 지구 대기는 산소농도가 더 높고 공기의 밀도도 더 높았기 때문에 비행이 가능하였다는 의견도 제시되었다. 이들은 프테로사우르스가 바다새와 유사하며 크기 제한은 육상생활을 하는 익룡에는 적용되지 않았으며 현재와 중생 대의 대기 조성 차이가 프테로사우르스의 크기와 상관성을 가지지 않는다고 결론 내렸다.[36]
프테로 사우르스의 비행 기법은 아직 학자들간 많은 논란이 있는 부분이다. 프테로사우르스의 비행에 관한 첫 연구는 일본인 과학자인 사토 가쓰후미가 현생 조류의 물성치를 사용하여 프테로 사우르스의 비행가능성을 계산하였으며, 프테로사우르스가 공중에 떠 있는 것은 불가능하다고 결론내렸다. 프테로 사우르스가 생존할 당시인 백악기 후기의 지구 대기는 산소농도가 더 높고 공기의 밀도도 더 높았기 때문에 비행이 가능하였다는 의견도 제시되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프테로사우르스의 특징은?	프테로사우르스는 물고기를 주식으로 해안가나 절벽에서 서식하였으며, 현재의 알바트로스와 비슷한 서식환경이므로 알바트로스와 같이 바닷바람의 상승 기류를 타고 장시간 소어링 비행이 가능했을 것으로 추정된다[8]. 따라서, 프테로 사우르스의 날개 형상과 공력특성 사이의 관계를 파악할 경우 장기체공 무인 비행체의 개발에 필요한 날개형상선정과 비행기술 확보에 필요한 기초 지식을 얻을 수 있다.
	EAV-3의 특성은 어떠한가?	현재 Titan Aerospace, Ascenta등 세계 각 국의 무인 항공기 개발업체에서 태양광 고고도 장기체공 무인항공기를 개발 경쟁 중에 있으며[5], 국내의 경우 한국항공우주연구소에서 장기체공 무인항공기인 EAV-3를 개발 했다[6]. EAV-3는 고도 14.12km의 상공에서 약 25시간동안 실시간 정밀지상관측, 통신 중계, 기상 관측 등 인공위성을 보완하는 등의 임무를 보다 저렴하고 친환경적으로 수행할 수 있다[6]. 이와 같이 장기체공 무인항공기의 개발 및 연구가 항공산업의 큰 관심사 중 하나가 되고 있다.
	장기체공 무인항공기의 효율적 날개 설계를 위해서 해야하는 연구는?	이와 같이 장기체공 무인항공기의 개발 및 연구가 항공산업의 큰 관심사 중 하나가 되고 있다. 따라서 고고도 장기체공 무인기의 효율적 비행이 가능한 날개를 설계하기 위해서는 활공과 소어링(Soaring)을 이용하는 날개 크기가 큰 비행동물의 공력특성을 연구할 필요가 있다. 그러나 지금까지의 생체모사공학 관련 연구는 새나 곤충에 집중되어 있으며 날개 크기가 큰 고대 생물에 관한 연구는 아직 미비한 상태이다.

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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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