본 논문에서는 곤충 모방 날갯짓 비행체의 가장 중요한 설계 변수 중 하나인 날개에 대한 파라메트릭 연구에 대해 서술하였다. 추력, 피칭모멘트, 소비전력, 추력 대 전력비의 비교 및 분석을 통해 날개 형상에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 힘과 모멘트는 2축 밸런스를 이용하여 측정되었으며 날갯짓 주파수는 홀센서를 이용하여 측정되었다. 날개 형태는 겹 날개 형태를 채택하였으며 이를 통해 Clap and fling 효과를 구현하였다. 기준 날개 형상으로 잠자리의 날개를 선정하였고, 이를 기준으로 가로세로비 및 면적에 대한 실험을 진행하였다. 결과적으로, 가로세로비와 면적이 증가할수록 추력, 피칭모멘트, 소비전력이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 일정 수준 이상의 가로세로비 혹은 면적을 가지는 날개를 메커니즘에 적용하였을 때 메커니즘이 정상적으로 구동되지 않는 것을 확인하였다. 최종적으로 날개 형상 선정은 필요한 최소추력을 만족시키는 날개 중에서 추력 대 전력비를 비교함으로써 이루어졌다. 하지만 추력선과 무게중심의 불일치로 인한 모멘트의 발생으로 안정성을 확보할 수 없었다. 이에 안정성을 확보하기 위해 상단과 하단에 댐퍼를 부착한 실내 비행 시험을 통해 날개의 파라메트릭 연구 결과에 대한 간접적인 성능 검증을 수행하였다.
본 논문에서는 곤충 모방 날갯짓 비행체의 가장 중요한 설계 변수 중 하나인 날개에 대한 파라메트릭 연구에 대해 서술하였다. 추력, 피칭모멘트, 소비전력, 추력 대 전력비의 비교 및 분석을 통해 날개 형상에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 힘과 모멘트는 2축 밸런스를 이용하여 측정되었으며 날갯짓 주파수는 홀센서를 이용하여 측정되었다. 날개 형태는 겹 날개 형태를 채택하였으며 이를 통해 Clap and fling 효과를 구현하였다. 기준 날개 형상으로 잠자리의 날개를 선정하였고, 이를 기준으로 가로세로비 및 면적에 대한 실험을 진행하였다. 결과적으로, 가로세로비와 면적이 증가할수록 추력, 피칭모멘트, 소비전력이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 일정 수준 이상의 가로세로비 혹은 면적을 가지는 날개를 메커니즘에 적용하였을 때 메커니즘이 정상적으로 구동되지 않는 것을 확인하였다. 최종적으로 날개 형상 선정은 필요한 최소추력을 만족시키는 날개 중에서 추력 대 전력비를 비교함으로써 이루어졌다. 하지만 추력선과 무게중심의 불일치로 인한 모멘트의 발생으로 안정성을 확보할 수 없었다. 이에 안정성을 확보하기 위해 상단과 하단에 댐퍼를 부착한 실내 비행 시험을 통해 날개의 파라메트릭 연구 결과에 대한 간접적인 성능 검증을 수행하였다.
This paper conducts parametric studies on flapping wing design, one of the most important design parameters of insect-mimicking aerial vehicles. Experimental study on wing shape was done through comparison and analysis of thrust, pitching moment, power consumption, and thrust-to-power ratio. A two-a...
This paper conducts parametric studies on flapping wing design, one of the most important design parameters of insect-mimicking aerial vehicles. Experimental study on wing shape was done through comparison and analysis of thrust, pitching moment, power consumption, and thrust-to-power ratio. A two-axis balance and hall sensor measure force and moment, and flapping frequency, respectively. Wing configuration is biplane configuration which can develop clap and fling effect. A reference wing shape is a simplified dragonfly's wing and studies on aspect ratio and wing area were implemented. As a result, thrust, pitching moment, and power consumption tend to increase as aspect ratio and area increase. Also, it is found that the flapping mechanism was not normally operated when the main wing has an aspect ratio or area more than each certain value. Finally, the wing shape is determined by comparing thrust-to-power ratio of all wings satisfying the required minimum thrust. However, the stability is not secured due to moment generated by disaccord between thrust line and center of gravity. To cope with this, aerodynamic dampers are used at the top and bottom of the fuselage; then, indoor flight test was attempted for indirect performance verification of the parametric study of the main wing.
This paper conducts parametric studies on flapping wing design, one of the most important design parameters of insect-mimicking aerial vehicles. Experimental study on wing shape was done through comparison and analysis of thrust, pitching moment, power consumption, and thrust-to-power ratio. A two-axis balance and hall sensor measure force and moment, and flapping frequency, respectively. Wing configuration is biplane configuration which can develop clap and fling effect. A reference wing shape is a simplified dragonfly's wing and studies on aspect ratio and wing area were implemented. As a result, thrust, pitching moment, and power consumption tend to increase as aspect ratio and area increase. Also, it is found that the flapping mechanism was not normally operated when the main wing has an aspect ratio or area more than each certain value. Finally, the wing shape is determined by comparing thrust-to-power ratio of all wings satisfying the required minimum thrust. However, the stability is not secured due to moment generated by disaccord between thrust line and center of gravity. To cope with this, aerodynamic dampers are used at the top and bottom of the fuselage; then, indoor flight test was attempted for indirect performance verification of the parametric study of the main wing.
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문제 정의
본 논문에서는 겹 날개 형태를 기반으로 단순화된 날개 형상의 파라메트릭 연구에 대해 서술한다. 날개 형상 파라미터 중에서 가로세로비와 면적의 변화를 통해 추력 및 전력 효율을 비교함으로써 날개 형상에 대한 실험을 진행한다.
본 논문에서는 곤충 모방 비행체의 다양한 날개 형태 중에서 겹 날개 기반 비행체의 날개 형상에 대한 실험적 연구를 서술하였다. 메커니즘은 Downstroke에서 날개 간 상호작용을 통해 Clap and fling 효과를 구현하도록 하였다.
이를 상쇄하기 위해서는 능동적인 자세제어 방식 또는 수동적인 방식을 필요로 한다. 본 연구에서는 공력 댐퍼를 부착함으로써 자세 안정화를 수행하는 것을 목표로 삼았다. Fuller 등[12]은 댐퍼를 이용한 제자리 비행 시 안정성 확보를 위한 두 가지 조건을 제시한다.
실험에서는 가로세로비 및 면적 변화에 따른 경향성 파악과 전력 효율이 높은 날개 형상 선정을 목표로 한다. 기준 날개 형상을 이용하여 가로세로비와 면적에 대한 파라메트릭 연구를 진행한다.
제안 방법
Lift의 측정은 2개의 밸런스의 출력값의 합을 기준으로 측정을 하였으며, Moment의 경우 로드셀 2개의 출력 값의 차를 고려하여 전압 값을 출력하였다. 2축 밸런스 구성에 사용한 로드셀의 출력을 키우기 위해서 로드셀의 고정단과 하중점의 거리를 길게 하고 밸런스 구성에 사용한 로드셀 감지부의 두께를 조절하여 필요한 분해능이 확보되도록 2축 밸런스를 설계하였다.
Clap and fling 효과를 확인하기 위해 홑 날개 형태일 때의 추력과 비교하였다. Clap and fling 효과는 Eqn.
실험에서는 가로세로비 및 면적 변화에 따른 경향성 파악과 전력 효율이 높은 날개 형상 선정을 목표로 한다. 기준 날개 형상을 이용하여 가로세로비와 면적에 대한 파라메트릭 연구를 진행한다. 날갯짓 주파수에 따른 추력, 피칭 모멘트, 소비전력, 추력 대 전력비의 비교를 통해 날개 형상을 선정한다.
본 논문에서는 겹 날개 형태를 기반으로 단순화된 날개 형상의 파라메트릭 연구에 대해 서술한다. 날개 형상 파라미터 중에서 가로세로비와 면적의 변화를 통해 추력 및 전력 효율을 비교함으로써 날개 형상에 대한 실험을 진행한다. 최종적으로 결정된 날개 형상에 대해 다른 곤충 모방 비행체의 전력 효율과 비교하고, 공력 댐퍼를 이용한 비행시험을 통해 성능을 간접적으로 검증한다.
기준 날개 형상을 이용하여 가로세로비와 면적에 대한 파라메트릭 연구를 진행한다. 날갯짓 주파수에 따른 추력, 피칭 모멘트, 소비전력, 추력 대 전력비의 비교를 통해 날개 형상을 선정한다.
최소 추력을 만족하는 날개는 Wing 9510과 Wing 7916이다. 다음은 효율적인 날개 형상 선정을 위해서 두 날개의 소비전력 및 추력 대 전력비를 비교하였다. 소비전력은 동일한 주파수에서 Wing 7916이 크지만, 추력 대 전력비를 비교해보면 전 구간에 걸쳐서 Wing 9510보다 높다.
83%로 확인되었다. 또한, 다른 곤충 모방 비행체와 효율을 비교하고 실내 비행시험을 통해서 간접적인 성능 검증을 하였다,
본 논문에서는 곤충 모방 비행체의 다양한 날개 형태 중에서 겹 날개 기반 비행체의 날개 형상에 대한 실험적 연구를 서술하였다. 메커니즘은 Downstroke에서 날개 간 상호작용을 통해 Clap and fling 효과를 구현하도록 하였다. 힘과 모멘트, 날갯짓 주파수 및 소비전력의 측정을 위한 실험 환경을 구성하였고, 실험을 통해 가로세로비와 면적의 변화에 따른 특성을 분석하였다.
실험은 가로세로비 9.5, 7.9, 6.4의 날개에 대해 기존 면적에 각각 0.5배, 1.5배하여 진행했다. Fig.
실험은 날개의 면적을 109.7cm2으로 고정하고, 가로세로비를 9.5, 7.9, 6.4, 5.0 총 4가지 경우에 대해 진행했다. Fig.
이론적 댐퍼 사이 거리인 21.6cm를 기체에 적용하여 실내 비행시험을 하였으나 불안정한 기동을 확인하였다. 이에 댐퍼 사이의 거리를 33cm로 증가시켜 안정성을 확보하였다.
결과적으로 가로세로비가 커질수록 앞전 와류를 크고 강하게 만듬으로써 양력을 증가시켰지만, 바깥쪽 앞전 와류가 날개 시위에 비해 과하게 성장하면 불안정하게 되고 떨어짐으로써 양력이 감소하는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 직사각형의 날개 모양에 대해서 양력은 가로세로비 6 근처에서 최대가 되었고 이를 통해 곤충의 가로세로비가 5 근처인 이유를 설명하였다.
6cm를 기체에 적용하여 실내 비행시험을 하였으나 불안정한 기동을 확인하였다. 이에 댐퍼 사이의 거리를 33cm로 증가시켜 안정성을 확보하였다. Fig.
소비전력은 전원공급기에서 공급되는 전압과 전류를 통해 계산한다. 전원공급기의 전압은 4 V 로 고정하였고, 전류는 측정 주파수에 대해서 5초 동안 평균을 취하여 측정한다. 결과적으로 Eqn.
날개 형상 파라미터 중에서 가로세로비와 면적의 변화를 통해 추력 및 전력 효율을 비교함으로써 날개 형상에 대한 실험을 진행한다. 최종적으로 결정된 날개 형상에 대해 다른 곤충 모방 비행체의 전력 효율과 비교하고, 공력 댐퍼를 이용한 비행시험을 통해 성능을 간접적으로 검증한다.
메커니즘은 Downstroke에서 날개 간 상호작용을 통해 Clap and fling 효과를 구현하도록 하였다. 힘과 모멘트, 날갯짓 주파수 및 소비전력의 측정을 위한 실험 환경을 구성하였고, 실험을 통해 가로세로비와 면적의 변화에 따른 특성을 분석하였다. 가로세로비와 면적이 커질수록 추력 및 소비전력 그리고 날갯짓 주파수 변화에 따른 증가율이 커지는 것을 확인하였다.
대상 데이터
2와 같다. 날개는 카본 로드와 마일러 필름을 이용하여 제작하였다. 자세한 제원은 Table 1에 나타내었다[8].
실험에 사용된 밸런스는 Bending Beam형태의 로드셀을 2 EA 사용하여 Fig. 5와 같이 구성을 하였다[9]. Lift의 측정은 2개의 밸런스의 출력값의 합을 기준으로 측정을 하였으며, Moment의 경우 로드셀 2개의 출력 값의 차를 고려하여 전압 값을 출력하였다.
날개 형상 선정을 위한 기본 조건은 최소 추력의 만족 여부이다. 최소 추력을 만족하는 날개는 Wing 9510과 Wing 7916이다. 다음은 효율적인 날개 형상 선정을 위해서 두 날개의 소비전력 및 추력 대 전력비를 비교하였다.
데이터처리
FWMAV에서 측정되는 축 방향 하중 운용범위가 약 100g 이하의 범위이기 때문에 24 bit의 충분한 분해능이 확보된 조건의 Strain gauge 측정 전용 DAQ 시스템(NI9234)을 사용하였다. 실험에 사용되는 측정 프로그램은 LabVIEW를 이용하여 PC-based DAQ 시스템을 구성하였으며, 시험 중 데이터를 5,000 sample/sec의 속도로 측정하여, 5초 동안 취득한 결과를 평균하여 얻도록 구성하였다.
이론/모형
FWMAV에서 측정되는 축 방향 하중 운용범위가 약 100g 이하의 범위이기 때문에 24 bit의 충분한 분해능이 확보된 조건의 Strain gauge 측정 전용 DAQ 시스템(NI9234)을 사용하였다. 실험에 사용되는 측정 프로그램은 LabVIEW를 이용하여 PC-based DAQ 시스템을 구성하였으며, 시험 중 데이터를 5,000 sample/sec의 속도로 측정하여, 5초 동안 취득한 결과를 평균하여 얻도록 구성하였다.
곤충의 운동을 모사하기 위한 동력원으로 Brushless 모터를 이용한다. 날갯짓을 만들어내기 위해서는 모터의 회전운동을 일정한 각변위를 갖는 왕복운동으로 전환해야 하므로, 4절 링크절과 조합을 통해 날갯짓을 구현한다.
또한, 메커니즘은 Downstroke에서 윗날개와 아랫날개가 가깝게 마주했다가 떨어지게 되면서 Clap and fling 효과를 구현한다. 설계한 메커니즘은 Fig. 3과 같으며, Delfly의 구동 시스템을 참고하였다[8].
성능/효과
Table 5는 여러 곤충 모방 비행체의 제원과 성능을 나타낸 것이다[8,10,11]. DelFly Ⅱ와 전력 효율이 비슷하며, 적절하게 날개 형상이 결정되었다는 것을 확인할 수 있다.
7과 같이 실험을 수행하였다. Fig. 8 및 Fig. 9의 결과와 같이 3회의 반복실험을 수행하였고, 1g 및 5g 간격에서 충분한 반복성이 나오는 것을 확인하였다.
한종섭 등[3]은 초파리 날개를 기준으로 가로세로비가 공력특성에 미치는 영향을 연구하였다. 가로세로비가 작은 경우에는 날개의 회전타이밍과 관계없이 유동장의 비정상도가 증가해 후류 포획 메커니즘이 나타나는 것을 파악하였고, 가로세로비가 큰 경우에는 후류와 비정상효과에서 벗어나며 준정상 해석 결과와 유사한 양상을 띄는 것을 확인하였다. Fu 등[4]은 날개의 가로세로비와 유연도의 관계에 대해 연구하였다.
힘과 모멘트, 날갯짓 주파수 및 소비전력의 측정을 위한 실험 환경을 구성하였고, 실험을 통해 가로세로비와 면적의 변화에 따른 특성을 분석하였다. 가로세로비와 면적이 커질수록 추력 및 소비전력 그리고 날갯짓 주파수 변화에 따른 증가율이 커지는 것을 확인하였다. 그러나, 공력 성능뿐만 아니라 날개의 관성 모멘트를 증가시키기 때문에 적절한 조합이 필요함을 확인하였다.
Phillip 등[5]은 PIV (Particle image Velocity) 시스템을 이용해 가로세로비가 앞전 와류 (Leading edge vortex)에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 결과적으로 가로세로비가 커질수록 앞전 와류를 크고 강하게 만듬으로써 양력을 증가시켰지만, 바깥쪽 앞전 와류가 날개 시위에 비해 과하게 성장하면 불안정하게 되고 떨어짐으로써 양력이 감소하는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 직사각형의 날개 모양에 대해서 양력은 가로세로비 6 근처에서 최대가 되었고 이를 통해 곤충의 가로세로비가 5 근처인 이유를 설명하였다.
그러나, 공력 성능뿐만 아니라 날개의 관성 모멘트를 증가시키기 때문에 적절한 조합이 필요함을 확인하였다. 결과적으로 실험을 통해 필요한 최소추력을 만족하는 날개 중에서 추력 대 전력비의 비교를 통해 전력 효율이 높은 날개 형상을 선정하였다. 선정된 날개에 대해서 Clap and fling 효과로 인한 양력 증가는 5.
가로세로비와 면적의 변화는 레이놀즈 수 영역을 변화시키므로, 앞전 와류와 연관 지을 수 있다. 결과적으로, 앞전 와류의 특성이 변화함으로써 공력 성능이 증가한 것으로 판단된다.
따라서 가장 효율적인 것으로 사료된 가로세로비 7.9, 면적 167.9 cm²의 날개를 최종적으로 선정한다.
83%는 비교적 작은 수치이다. 또한, 가로세로비의 변화에 따른 Clap and fling 효과의 변화 경향성이 뚜렷하게 나타나지 않았다. 이는 가로세로비 뿐만 아니라 다른 파라미터도 영향을 끼친다는 것을 의미한다.
15는 선정된 날개에 대해서 겹 날개일 때 추력과 홑 날개일 때 추력의 2배한 값을 비교한 것이다. 모든 구간에 걸쳐서 추가적인 추력이 발생하며, 최대 주파수에서는 약 5.83%의 추력이 증가하는 것을 확인할 수 있다. Fig.
De Croon 등[6]은 홑 날개(Monoplane), 겹 날개 (Biplane), 탠덤 날개(Tandem)에 따른 평균 비행 속도, 소비전력, Rocking amplitude의 변화를 측정하였다. 비행 속도는 큰 익면하중으로 인해 홑 날개에서 가장 컸으며, 소비전력은 겹 날개에서 가장 작았다. Rocking amplitude는 날갯짓으로 인해 비행경로에 수직한 방향으로 발생하는 규칙적인 상하운동의 진폭을 의미하며, 겹 날개 및 탠덤 날개에서는 거의 0에 가까운 값으로 측정되었다.
결과적으로 실험을 통해 필요한 최소추력을 만족하는 날개 중에서 추력 대 전력비의 비교를 통해 전력 효율이 높은 날개 형상을 선정하였다. 선정된 날개에 대해서 Clap and fling 효과로 인한 양력 증가는 5.83%로 확인되었다. 또한, 다른 곤충 모방 비행체와 효율을 비교하고 실내 비행시험을 통해서 간접적인 성능 검증을 하였다,
16은 가로세로비의 변에 따른 Clap and fling 효과를 나타낸 것이다. 실험 결과 가로세로비 7.9에서 그 효과가 가장 작았으며, 5.0에서 가장 큰 것을 확인할 수 있다.
이준희 등[1]은 Camber angle과 Non-dimensional radius of 2nd moment of wing area #에 따라 추력과 전력 효율에 대한 실험적인 연구를 진행했다. 실험 결과 특정한 Camber angle에서 효율적인 것을 확인하였고, 동일한 가로세로비 및 날개 면적을 가진 경우 날개 바깥쪽의 면적이 커질수록 추력과 전력 효율이 증가하는 것을 확인하였다. Nguyen 등[2]은 가로세로비, Wing offset, 날갯짓 주파수에 대한 영향을 실험적으로 연구하였고 세 파라미터 중 날갯짓 주파수의 영향이 가장 큰 것을 확인하였다.
Fu 등[4]은 날개의 가로세로비와 유연도의 관계에 대해 연구하였다. 실험결과 날개의 유연도는 양항비를 증가시키며, 큰 가로세로비에서 효과가 현저한 것을 확인하였다. Phillip 등[5]은 PIV (Particle image Velocity) 시스템을 이용해 가로세로비가 앞전 와류 (Leading edge vortex)에 미치는 영향에 대해 연구하였다.
Nguyen 등[2]은 가로세로비, Wing offset, 날갯짓 주파수에 대한 영향을 실험적으로 연구하였고 세 파라미터 중 날갯짓 주파수의 영향이 가장 큰 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 추력에 대한 경험식을 세웠으며 계산한 값과 측정한 값 사이의 오차는 7% 이내에 수렴하는 것을 보였다. 한종섭 등[3]은 초파리 날개를 기준으로 가로세로비가 공력특성에 미치는 영향을 연구하였다.
Fuller 등[12]은 댐퍼를 이용한 제자리 비행 시 안정성 확보를 위한 두 가지 조건을 제시한다. 첫째로, 공력중심이 질량중심보다 위에 위치하여 자세 회복이 가능하도록 해야 한다. 둘째로, 과회전을 방지하기 위한 충분한 항력을 확보해야 한다.
후속연구
본 논문의 연구 결과는 겹 날개 기반의 날갯짓 비행체에 한정될 수 있지만, 추후 다양한 임무 요구에 적합한 날갯짓 비행체 개발에 있어서 참고할 만한 자료로 활용되길 희망한다.
곤충은 제자리 비행, 빠른 기동성, 수직 이착륙 등 자유로운 비행 특성을 지니며 그 크기 또한 작다. 이를 모방하고, 페이로드의 초소형화가 점차 달성된다면 향후 다양한 임무로 운용이 가능할 것이다. 특히 이러한 생체모방 비행체에서 발견된 새로운 구동방식이나 제어 방식은 기존 고정익/회전익에 적용 가능한 요소 기술을 발견할 수 있는 동기가 될 수 있다는 점에서 그 의의가 크다.
상하단 댐퍼는 구성 요소 중에서 21%로 가장 큰 비율을 차지한다. 이를 제거하고 일반적인 고정익 항공기와 같은 형태의 미익으로 교체하여 추후 비행시험을 진행할 예정이다.
향후 기체의 소형화를 위해서는 구성 요소의 경량화가 필수적이다. 상하단 댐퍼는 구성 요소 중에서 21%로 가장 큰 비율을 차지한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
곤충 모방 비행체에서는 무엇이 중요한가?
곤충 모방 비행체는 그 사이즈가 작기 때문에 다양한 임무를 수행하기 위해서는 전력 효율이 중요하다. 이를 위해 날개의 형상 파라미터에 관한 연구가 활발하며, 시뮬레이션 또는 실험적으로 진행되고 있다.
Philip 등 은 PIV (Particle image Velocity) 시스템을 통해 무엇을 확인 할 수 있었는가?
Phillip 등[5]은 PIV (Particle image Velocity) 시스템을 이용해 가로세로비가 앞전 와류 (Leading edge vortex)에 미치는 영향에 대해 연구하였다. 결과적으로 가로세로비가 커질수록 앞전 와류를 크고 강하게 만듬으로써 양력을 증가시켰지만, 바깥쪽 앞전 와류가 날개 시위에 비해 과하게 성장하면 불안정하게 되고 떨어짐으로써 양력이 감소하는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 직사각형의 날개 모양에 대해서 양력은 가로세로비 6 근처에서 최대가 되었고 이를 통해 곤충의 가로세로비가 5 근처인 이유를 설명하였다.
Clap and fling 효과를 어떻게 확인하였나?
Clap and fling 효과를 확인하기 위해 홑 날개 형태일 때의 추력과 비교하였다. Clap and fling 효과는 Eqn.
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