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문제 정의
- 본 논문에서는 쿼드콥터의 전기체를 풍동 안에 설치하여 하강 비행 조건을 모사하고 하강률 및 프로펠러의 간격에 따른 와류 고리의 발달 및 진행 방향 등을 확인하였다. 또한 PIV데이터를 토대로 와류 고리 상태를 예측할 수 있는 방안을 모색하고자 한다.
- 본 논문에서는 쿼드콥터의 와류 고리 상태에서의 유동장을 물리적으로 규명하고자 하였다. 이를 위해 쿼드콥터의 전기체를 풍동 안에 설치하여 하강 비행을 모사하였다.
- 본 논문에서는 쿼드콥터의 전기체를 풍동 안에 설치하여 하강 비행 조건을 모사하고 하강률 및 프로펠러의 간격에 따른 와류 고리의 발달 및 진행 방향 등을 확인하였다. 또한 PIV데이터를 토대로 와류 고리 상태를 예측할 수 있는 방안을 모색하고자 한다.
가설 설정
- 쿼드콥터의 무게를 정지 비행 상태일 때의 추력(T)이라고 가정하였다. 또한 정지 비행 상태일때의 유도 속도는 후류 방향으로 프로펠러의 반지름(R)만큼 떨어진 거리에서 측정한 속도의 크기의 평균값이라고 하였다.
제안 방법
- 각 프로펠러의 회전수를 측정하기 위해 Autonics의 BF5 Digital Fiber Optic Sensor을 이용했으며, 감도 설정을 빠르고 연속적으로 움직이는 검출 물체에 적합한 오토 튜닝 모드로 설정했다. 이 센서는 프로펠러의 아래쪽 면에 붙인 반사 테잎과 수직하게 쿼드콥터의 팔 부분에 각각 1개씩 설치했다.
- 과거에는 비정상적 난류 특성을 갖는 와류 고리 상태를 수치적으로 예측하는 것이 복잡하여 주로 풍동 시험을 통해 연구했다. Fig.
- 카메라와 레이저 사이의 시간 동기화를 위해 두 개의 레이저 중 한 개의 Flash Lamp 신호를 Trigger Signal로 설정하여 시간 동기화 장치의 기준 신호로 입력하였다. 또한 Q-Switch간의 간격인 ∆t를 구하기 위해 유동의 속도, 측정 영역의 크기, 조사 구간의 크기를 고려하였으며 본 실험에선 프로펠러 간격이 커짐에 따라 측정 영역의 크기가 달라져 ∆t를 207~222㎲로 각각 달리 설정하였다.
- Wayne Johnson은 운동량 이론을 확장 시켜 와류 고리 상태에서 로터의 평균 유입량을 계산할 수 있는 VRS 모델을 도입했으며 이 모델을 통해 단일 로터나 틸트로터가 와류 고리상태에 빠졌을 때의 반응들을 설명했다. 또한 이 모델을 이용해 기체가 안정적으로 비행할 수 있는 경계지점 예측하여 실제 비행 데이터와 비교하였다[7]. 와류 고리 상태로 진입하는 경계 영역에 영향을 미치는 요인으론 받음각이나 하강속도[8], 로터나 기체의 공력적인 간섭[9], 블레이드 트위스트[10] 등이 있으며 이에 대한 선행 연구들이 수행되었다.
- 본 논문에서는 다음과 같이 프로펠러 간격 조절 장치를 통해 프로펠러 끝단 간의 간격을 조절하였다. 본 실험에서 하강률은 앞서 실험한 하강률에 따른 와류 고리 상태 계측 결과를 토대로 와류 고리가 본격적으로 나타나기 시작한 하강률 0.
- 본 논문에서는 다음과 같이 프로펠러 간격 조절 장치를 통해 프로펠러 끝단 간의 간격을 조절하였다. 본 실험에서 하강률은 앞서 실험한 하강률에 따른 와류 고리 상태 계측 결과를 토대로 와류 고리가 본격적으로 나타나기 시작한 하강률 0.60으로 설정하고 프로펠러 끝단 간의 거리를 0.01R, 0.13R, 0.25R, 0.75R로 바꾸어서 실험했다.
- 하강률에 따른 와류 고리 상태를 고찰하기 위해선 쿼드콥터가 정지 비행 상태로 운용 될 때의 회전수를 추정하고 이때의 유도 속도를 숙지하고 있어야 한다. 이를 위해 쿼드콥터에서 한 개의 프로펠러만을 운용하며 후류를 측정하여 정지 비행 상태를 추정하고 유도속도를 구하였다. 구체적인 실험방법은 아래와 같다.
- 본 논문에서는 쿼드콥터의 와류 고리 상태에서의 유동장을 물리적으로 규명하고자 하였다. 이를 위해 쿼드콥터의 전기체를 풍동 안에 설치하여 하강 비행을 모사하였다. 하강률과 프로펠러의 간격을 달리 주어 와류 고리 상태에서의 쿼드콥터 주위의 유동장을 입자 영상 유속계(PIV)를 통해 계측했다.
- 측정 영역를 529×264.5mm(2048×1024pixels)으로 설정하여 쿼드콥터의 측면에서 본 두 개의 프로펠러가 전부 촬영되도록 했다.
- 카메라와 레이저 사이의 시간 동기화를 위해 두 개의 레이저 중 한 개의 Flash Lamp 신호를 Trigger Signal로 설정하여 시간 동기화 장치의 기준 신호로 입력하였다. 또한 Q-Switch간의 간격인 ∆t를 구하기 위해 유동의 속도, 측정 영역의 크기, 조사 구간의 크기를 고려하였으며 본 실험에선 프로펠러 간격이 커짐에 따라 측정 영역의 크기가 달라져 ∆t를 207~222㎲로 각각 달리 설정하였다.
- 쿼드콥터의 바닥면이 시험부 전방을 향하도록 풍동 안에 설치하여 하강하는 조건을 모사했다. 하강 속도(Vd)는 풍동 내 풍속을 의미하며 1.
- 이를 위해 쿼드콥터의 전기체를 풍동 안에 설치하여 하강 비행을 모사하였다. 하강률과 프로펠러의 간격을 달리 주어 와류 고리 상태에서의 쿼드콥터 주위의 유동장을 입자 영상 유속계(PIV)를 통해 계측했다.
대상 데이터
- 4개의 프로펠러의 회전수를 개별 제어하기 위해 아두이노 DC 모터 드라이버 L298N과 아두이노 메가를 이용했다.
- 광원으로 사용된 레이저는 Quentel사의 Twins ULTRA Nd-Yag Double-Pulsed Laser로 최대 출력이 120mJ이다. 카메라는 Megaplus사의 ES4020 CCD 카메라를 사용했으며 Two-Frame PIV 기법으로 촬영해서 1초에 5쌍의 사진을 얻어낼 수 있었다.
- 본 실험은 항공우주연구원 1m 아음속 풍동 실험실에서 수행되었다. 풍동 시험부의 길이, 높이, 폭은 2m, 0.
- 본 연구에서 사용된 실험 모델은 Nine Eagles에서 제조된 Galaxy Visitor 6이다. 이 모델은 프로펠러 한 개의 반지름(R)이 80mm이고, 프로펠러 허브 사이의 간격이 170mm, 무게가 93.
- 본 연구에서 사용된 실험 모델은 Nine Eagles에서 제조된 Galaxy Visitor 6이다. 이 모델은 프로펠러 한 개의 반지름(R)이 80mm이고, 프로펠러 허브 사이의 간격이 170mm, 무게가 93.2g인 소형 쿼드콥터이다. 모델 표면을 비롯한 풍동 시험부는 무광 검정으로 도색하여 레이저 시트의 반사를 줄였다.
- 이렇게 얻은 입자 영상을 조사 구간의 50% 오버랩으로 줄여가는 멀티패스 기법을 사용하여 속도 벡터를 얻었다. 최종적으로 총 40초간 찍은 200쌍의 이미지를 Batch 처리하여 평균데이터를 획득했다.
- 쿼드콥터의 바닥 면을 풍동 내 바람이 불어오는 방향(+y방향)과 반대로 설치한 후 그후 자를 세워 측정 영역의 길이 값을 얻었다. 측정 영역에 프로펠러 B와 D가 포함되도록 하였으며, 두 프로펠러의 중심의 중앙 점을 원점으로 선정하였다.
- 광원으로 사용된 레이저는 Quentel사의 Twins ULTRA Nd-Yag Double-Pulsed Laser로 최대 출력이 120mJ이다. 카메라는 Megaplus사의 ES4020 CCD 카메라를 사용했으며 Two-Frame PIV 기법으로 촬영해서 1초에 5쌍의 사진을 얻어낼 수 있었다. 이렇게 얻은 입자 영상을 조사 구간의 50% 오버랩으로 줄여가는 멀티패스 기법을 사용하여 속도 벡터를 얻었다.
- 본 실험은 항공우주연구원 1m 아음속 풍동 실험실에서 수행되었다. 풍동 시험부의 길이, 높이, 폭은 2m, 0.75m, 1m이다. 풍속의 범위는 최소 약 1m/s 최대 약 110m/s까지 가동되며, 자유류 난류강도는 저속에서 약 0.
데이터처리
- PIV 데이터 처리를 위해 PIVTEC사의 PIV VIEW2C 프로그램을 이용하였으며 처리된 데이터를 Tecplot Focus를 이용해 후처리하였다. 사용된 PIV 장비의 제원은 Table 1에 요약했다.
이론/모형
- 이 센서는 프로펠러의 아래쪽 면에 붙인 반사 테잎과 수직하게 쿼드콥터의 팔 부분에 각각 1개씩 설치했다. 광센서의 아날로그 신호를 받아서 회전수로 계산하기 위해 DAQ system은 National Instruments사의 NI USB-6251 16bit ADC Resolution을 사용했으며 소프트웨어도 또한 NI사의 LabView를 사용했다.
- 또한 정지 비행 상태일때의 유도 속도는 후류 방향으로 프로펠러의 반지름(R)만큼 떨어진 거리에서 측정한 속도의 크기의 평균값이라고 하였다. 유도 속도로 추력을 계산하기 위해서 운동량 이론을 간단히 적용한식(1)을 이용했다. 여기서 ρ는 표준 공기 밀도, A는 회전면의 면적이다.
- 카메라는 Megaplus사의 ES4020 CCD 카메라를 사용했으며 Two-Frame PIV 기법으로 촬영해서 1초에 5쌍의 사진을 얻어낼 수 있었다. 이렇게 얻은 입자 영상을 조사 구간의 50% 오버랩으로 줄여가는 멀티패스 기법을 사용하여 속도 벡터를 얻었다. 최종적으로 총 40초간 찍은 200쌍의 이미지를 Batch 처리하여 평균데이터를 획득했다.
- 추적 입자는 DEHS오일을 Laskin 노즐을 통해 1㎛ 크기로 생성시켰다. 추적 입자 생성기는 평균 유동장에 입자가 고르게 분포될 수 있도록 시험부 후방 확산부에 설치했다.
성능/효과
- 또한 y=±R에서의 u, v값의 그래프를 보았을 때 와류 고리가 본격적으로 발달하기 시작한 상태 및 그 이후의 상태에서 유속의 변화가 확연히 나타났으므로 이를 통해 유속 측정을 통해서도 와류 고리 상태를 예측할 수 있다는 것을 확인했다.
- 01R인 경우는 와류 고리 상태에서 마치 단일 프로펠러로 운용되는 것처럼 프로펠러의 좌, 우측의 끝단에서만 와류 고리가 보이는 것을 확인할 수 있었다. 반면 프로펠러 간의 간격이 0.75R인 경우에는 프로펠러 간의 간극에도 와류 고리 현상이 명확하게 관찰되는 것을 확인할 수 있었다.
- 60일 때 양쪽 프로펠러 끝단에 타원 형태의 와류 고리가 본격적으로 발달하였으며, 이때 완전하게 와류 고리 상태에 도달했을 것으로 추정된다. 이후 이보다 하강률이 더 증가할 때, 와류고리의 중심이 회전면 상부로 이동했으며 회전면 상부로 치우쳐진 타원 형태로 발달되는 것을 측정된 contour값을 보고 예상할 수 있었다. 또한 y=±R에서의 u, v값의 그래프를 보았을 때 와류 고리가 본격적으로 발달하기 시작한 상태 및 그 이후의 상태에서 유속의 변화가 확연히 나타났으므로 이를 통해 유속 측정을 통해서도 와류 고리 상태를 예측할 수 있다는 것을 확인했다.
- 하강 속도 값은 TPI-575 Hot-Wire로 측정했으며 풍속계 사양은 0.2~20m/s ±5% of reading ±3digits으로 저속 풍속을 측정하기에 적합하다.
- 하강률에 따른 와류 고리 상태의 유동장 계측실험을 통해 하강률에 따른 와류 고리의 이동 방향과 발달 정도 등을 확인할 수 있었다. 특히 하강률이 0.
후속연구
- 추후 쿼드콥터가 와류 고리 상태일 때의 추력특성을 파악하고, PIV 데이터와 비교하는 것이 필요하다. 또한 와류 고리 상태는 수직 하강뿐만 아니라 수평으로 비행하면서 하강할 때도 발생하기 때문에 하강 각도에 따른 쿼드콥터 주위의 유동장 계측도 수행할 필요가 있다.
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