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겹 날개를 사용하는 곤충 모방 비행체의 날개 형상에 대한 파라메트릭 연구
Parametric Study on Wing Design of Insect-mimicking Aerial Vehicle with Biplane Configuration 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.46 no.9, 2018년, pp.712 - 722  

박희태 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  김동민 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  모혜민 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  김남수 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  이병주 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  김인래 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  김승균 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  이재하 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  최종수 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University)

초록
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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 추력선무게중심의 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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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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참고문헌 (14)

  1. Lee, J. H., Adhikari, D. R., and Kim, C. A., "Experimental Study on the Mechanism of Flapping Micro Aerial Vehicle and Wing Feature," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, April 2018, pp. 40-41. 

  2. Nguyen, T. A., Phan, H. V., AU, T. K. L., and Park, H. C., "Experimental study on thrust and power of flapping-wing system based on rack-pinion mechanism," Bioinspiration & Biomimetics, Vol. 11, No. 4, 2016, 046001. 

  3. Han, J. S., Chang, J. W., and Jeon, C. S., "The Effect of Aspect Ratio on the Aerodynamics Characteristics of an Insectbased Flapping Wing," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 40, No. 8, 2012, pp. 662-669. 

  4. Fu, J., Liu, X., Shyy, W., and Qiu, H., "Effects of flexibility and aspect ratio on the aerodynamic performance of flapping wings," Bioinspiration & Biomimetics, Vol. 13, No. 3, 2018, 036001. 

  5. Phillips, N., Knowles, K., and Bomphrey, R. J., "The effect of aspect ratio on the leading-edge vortex over an insect-like flapping wing," Bioinspiration & Biomimetics, Vol. 10, No. 5, 2015, 056020. 

  6. De Croon, G. C. H. E., De Clercq, K. M. E., Ruijsink, R., Remes, B., and De Wagter, C., "Design, aerodynamics, and vision-based control of the DelFly," International Journal of Micro Air Vehicles, Vol. 1, No. 2, 2009, pp. 71-97. 

  7. Lentink, D., Jongerius, S. R., and Bradshaw, N. L., "The scalable design of flapping micro-air vehicles inspired by insect flight," Flying insects and robots, Springer, Berlin, Heidelberg, 2009, pp. 185-205. 

  8. Bruggeman, B., "Improving flight performance of DelFly II in hover by improving wing design and driving mechanism," M. Sc. thesis, Delft University of Technology, Delft, 2010. 

  9. Lee, B. J., Kim, I. R., Ryi, J. H., Kim, S. K., and Suk, J. Y., "Experimental Study on Actuating Mechanism Design of Flapping-Wng Micro Air Vehicle for Attitude Control," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, April 2017, pp. 558-560. 

  10. Keennon, M., Klingebiel, K., Won, H., and Andriuko, A., "Development of the nano hummingbird: a tailless flapping wing micro air vehicle" 50th AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, 2012, 2012-0588 

  11. Nan, Y., Karasek, M., Lalami, M. E., and Preumont, A., "Experimental optimization of wing shape for a hummingbird-like flapping wing micro air vehicles," Bioinspiration & Biomimetics, Vol. 12, No. 2, 2017, 026010. 

  12. Fuller, S. B., Teoh, Z. E., Chirarattananon, P., Perez-Arancibia, N. O., Greenberg, J., and Wood, R. J., "Stabilizing air dampers for hovering aerial robotics: design, insect-scale flight tests, and scaling," Autonomous Robots, Vol. 41, No. 8, 2017, pp. 1555-1573. 

  13. Shyy, W., and Liu, H., "Flapping Wings and Aerodynamic Lift: The Role of Leading- Edge Vortices," AIAA JOURNAL, Vol. 45, No. 12, 2007, pp. 2817-2819. 

  14. Percin, M., Hu, Y., van Oudheusden, W., Remes, B., and Scarano, F., "Wing flexibility effects in clap-and-fling," International Journal of Micro Air Vehicles, Vol. 3, No. 4, 2011, pp. 217-227 

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