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생체모방 비행체 날개의 유연성 고려에 따른 비행 동역학 및 안정성 특성 변화에 관한 시뮬레이션
김중관,이준성,한재흥 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.4
본 연구에서는 생체모방 비행체 날개의 유연성 고려에 따른 비행동역학 및 안정성 특성 변화를 분석했다. 날개의 유체-구조연계해석의 영향을 독립적으로 살펴보기 위하여, 날개의 유연성을 제외한 모든 특성이 동일한, 유연날개/강체날개 두 가지의 날갯짓 비행체를 모델링 했다. 이 두 가지 모델에 대하여 유체-구조연계해석이 가능한 날갯짓 비행체 비행 시뮬레이션 환경을 통하여 트림 비행 특성 및 피치 방향 모멘트 외란에 대한 안정성을 분석했다. 두 모델은 수평 트림 비행 상태에서의 비행동역학적 특성은 유사하게 나타났지만, 동일한 크기의 피치 방향의 외란이 가해졌을 경우에는, 유연날개 모델은 안정적인 제한주기진동 특성을 보이며 원래의 트림 조건으로 다시 수렴했지만, 강체날개 모델은 원래의 트림조건으로 회복을 못하고 발산하는 결과를 보였다. This study investigates the effect of wing flexibility consideration to the flight dynamics and stability of a bio-inspired ornithopter. Two ornithopter models are designed for the analysis and one has rigid wing and the other has flexible wing, while all other conditions are the same. Through a fluid-structure interaction considered ornithopter flight simulation framework, trim flight dynamics analysis and stability characteristics to a pitch directional moment disturbance are compared between two different ornithopter models. Two model exhibited similar characteristics in terms of the trim flight dynamics characteristics. However, rigid wing model showed instability to a pitch directional moment disturbance, whereas flexible wing model showed stable behavior that the ornithopter model returned back to its original stable limit-cycle trim trajectory after the disturbance.
저 레이놀즈 수 영역에서 날갯짓 비행체 공력 모델의 실험적 검증
이준성(Jun-Seong Lee),김대관(Dae-Kwan Kim),한재흥(Jae-Hung Han) 한국항공우주학회 2010 韓國航空宇宙學會誌 Vol.38 No.7
본 연구에서는 날갯짓 비행체 날개의 유체-구조 연계를 고려한 설계나 날갯짓 비행체의 비행 동역학 및 제어 시뮬레이션에 적용 가능한 효율적인 공력모델을 제안하고, 풍동 실험을 통해 공력모델의 특성을 검증하고자 한다. 날갯짓 비행체는 저 레이놀즈 수 영역의 비정상 유동장의 지배를 받기 때문에, 이 영역에서 날개 운동에 따른 공력을 효과적으로 측정할 수 있도록 풍동실험장치를 설계 및 개발하였다. 본 연구의 실험장치 특성상 힘을 측정하는 2축-로드셀은 비관성계에 있기 때문에, 순수한 날개의 공력을 측정하기 위해서는 관성력을 보정해주어야 하며, 이에 대한 방법론을 수립하였다. 최종적으로 유동속도, 날개의 운동 주파수 및 고정 받음각에 따라 날개에 작용하는 양력 및 항력의 평균값 및 평균 제곱근 값을 비교함으로서 실험결과와 공력모델의 특성을 비교 검증하였다. In this study, an efficient ornithopter aerodynamic model, which is applicable to ornithopter wing design considering fluid-structure interaction or ornithopter flight dynamics and control simulation, was proposed and experimentally validated through the wind tunnel experiments. Due to the ornithopter aerodynamics governed by unsteady low Reynolds number flow, an experimental device was specially designed and developed. A part of the experimental device, 2-axis loadcell, was situated in the non-inertial frame; the dynamic calibration method was established to compensate the inertial load for pure aerodynamic load measurements. The characteristics of proposed aerodynamic model were compared with the experimental data in terms of mean and root-mean-square values of lift and drag coefficients with respect to the flow speed, flapping frequency, and fixed angle of attack.
모션캡쳐 실험을 통한 조류모방 날갯짓 비행체 구동 특성 분석
김학성(Hakseong Gim),김승균(Seungkeun Kim),석진영(Jinyoung Suk) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.3
본 논문에서는 모션캡쳐 카메라를 사용한 실험을 통해 날갯짓 비행체의 주 날개, 꼬리날개 구동기 특성 분석에 대하여 기술하였다. 실험은 빛이 차단된 실내에서 진행되었고 지그에 기체를 고정하여 날갯짓으로 인한 영향을 줄였다. 주 날개와 꼬리날개 끝단에 마커를 부착하였고 모션캡쳐 카메라는 입력 신호에 대한 각각의 반응을 측정한다. 실험 결과 주 날개는 날갯짓의 주파수에 따라 진폭이 변하는 경향을 보였고, Modified Strip Theory에 실험 결과와 비행체 제원을 적용하여 양력 및 추력 발생 시뮬레이션을 구현 하였다. 꼬리날개는 종·횡축별로 스텝 신호를 인가하여 이에 따른 결과를 2차 전달함수 형태로 정의하였고, 각 축별로 구동기의 구조 차이로 인하여 최종 응답시간, 오버슈트, 최대값등에서 차이를 나타내는 것을 확인하였다. This paper analyzes actuator characteristics for main wing and tail surfaces of an ornithopter by using a motion capture test. Experiments with the ornithopter are conducted indoor, and its fuselage is held on a jig to reduce interaction with vibration generated by flapping motion. The motion capture system detects the movement of markers attached on the main wing and tail wing tip. Experimental results show that the main wings tend to change its amplitude according to the flapping frequency, and the lift and thrust generation simulation is implemented by applying the experimental results and the ornithopter specification to Modified Strip Theory. Step input excitation is applied for experimental analysis of the tail wing in horizontal and vertical directions. As a result, horizontal and vertical tail wings have different characteristics in terms of overshoot, final value, damping ratio and natural frequency because they have different wing structures and linkages.
이재문(Jae-Moon Lee),장조원(Jo-Won Chang),정윤식(Yun-Sik Jung) 한국항공우주학회 2005 韓國航空宇宙學會誌 Vol.33 No.10
본 연구는 중량 20그램의 무선조종 초소형 날갯짓 비행체를 개발하기 위하여 수행되었다. 본 날갯짓 비행체는 3채널 방식의 무선조종을 사용하였고, 리튬 폴리머 배터리로 두개의 DC 페이저 모터를 구동하여 35㎝ 크기의 날개로 날 수 있도록 하였다. 플래핑 운동만 적용된 날갯짓 비행체의 성능은 비행시험으로 입증되었다. 비행시험 결과는 비행체의 추진에 필요한 충분한 추력이 발생하도록 개발되었다는 것을 나타낸다. The present study was carried out in order to develop a remote-controlled micro ornithopter with a weight of 20 gram. This ornithopter has three channel radio control. It runs on two direct-current type pager motors powered by a lithium polymer battery which flaps its 35㎝ wings. The performance of an ornithopter, applied to a flapping motion only, was validated by flight tests. The flight test results indicate that the ornithopter developed here has sufficient thrust to propel itself.
자동화된 비행시험을 통한 조류모방 비행체의 종축 시스템 식별
김학성,김승균,조성봉 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11
본 논문에서는 비행시험 데이터를 기반으로 한 조류모방 비행체 종축 시스템 식별과 동특성분석에 대하여 기술하였다. 자동조종신호 입력 방식으로 doublet과 3-2-1-1multi-step신호를 인가하였으며, 비행시험 결과 주 날개의 날갯짓으로 인한 진동잡음이 데이터와 함께 나타나는 것을 확인하였다. 고속푸리에변환을 통해 진동잡음 발생 주파수영역을 분석하였고, 저주파통과 필터를 설계하여 해당 주파수 영역을 제거했다. 필터링된 데이터를 기반으로 비제약 비선형 최적기법을 적용하였고, 날갯짓으로 추력을 발생시키는 조류모방 비행체의 메커니즘을 고려하기 위해 일반적인 상태방정식 구조에 오차 파라미터를 추가하여 시스템 식별을 하였다. This paper presents an longitudinal mode system identification of an ornithopter by automated flight test. Automatic input signals such as doublet and 3-2-1-1multi-step are applied for flight test. Flight test results show that ornithopter generates vibration noise by flapping motion of the main wing. The noise is analyzed by Fast Fourier transform, and Low Pass Filter is designed to reduce the noise. Longitudinal model is estimated by using Unconstrained Nonlinear Optimization. Uncertain parameters are added To consider Dynamic characteristics that are made by flapping motion.