곤충형 날갯짓 비행체의 6자유도 비행 시뮬레이션을 위한 공력 예측 해석 = Aerodynamics Analysis for 6DOF Flight Simulation of Insect-inspired Flapping Wing Micro Air Vehicles

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This paper investigates a comparative study of unsteady aerodynamics measurement of Hawkmoth, Manduca Sexta wing and its quasi-steady aerodynamics estimation. Two flight regime: 1) Re=7500: real Hawkmoth's hovering regime, 2) Re=20000: normal micro air vehicles' (MAVs) operating regime, are tested in a water chamber with a scaled Hawkmoth wing model. For the quasi-steady estimation, a translational force component is modeled from lift and drag coefficient curves measured from a steady aerodynamics measurement of Re=8071. In addition, rotational force component is also modeled in the quasi-steady aerodynamic model for this comparative study. Results showed that the flapping cycle-averaged mean aerodynamic coefficients are well matched. In terms of time-varying sense, maximum aerodynamic peaks are well captured with quasi steady estimation, and peaks generated from rotational force components are also captured. However, peaks from wake-capture could not be properly estimated. This study provides a feasibility of applying reduced order aerodynamic model to a multibody dynamics based 6DOF flight simulation environment for insect-inspired flapping wing MAVs.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 박각시나방(Hawkmoth, Manduca Sexta) 날개 상사모델의 비정상 공력 측정 실험과 준정상 공력 모델을 사용한 다물체 동역학 기반의 공력 예측 시뮬레이션의 비교 해석을 수행하였다. 실제 박각시나방의 제자리비행 조건과 유사한 Re=7500 및 일반적인 초소형비행체의 비행 조건인 Re=20000 두 가지 영역에 대하여 비정상 공력 발생 상사 수조 실험이 수행되었다. 공력 예측 시뮬레이션에 사용된 준정상 공력 모델은 Re=8071 의 정상 상태 공력 측정 실험으로부터 얻어진 양력계수 및 항력계수 커브를 통하여 병진공력성분(translational force)을 모델링 했으며, 추가적으로 회전공력성분(rotational force)에 대한 모델링도 이루어졌다. 비교 결과, 양력계수 및 항력계수의 날갯짓 1 주기 평균값을 잘 예측했으며, 날갯짓 한 주기 동안 변화하는 공력 특성 결과에서도 최대 공력 피크 및 회전공력성분에 의한 피크를 예측함을 확인했다. 하지만, 실험 결과에서 발생한 후류포획(wakecapture)에 의한 피크는 예측하지 못하였다. 본 연구를 통하여 곤충형 날갯짓 비행체의 비행동역학 및 비행안정성 연구에 적용 가능한 저차 공력 모델의 공력 예측 능력을 확인할 수 있었다. 이 결과는 추후 다물체 동역학 기반 6 자유도 비행 시뮬레이션 환경 개발에 활용될 것이다.

목차 (Table of Contents)

• 초록
• ABSTRACT
• 1. INTRODUCTION
• 2. MATERIAL AND MEHODS
• 3. RESULTS AND DISCUSSION
• 4. 결론
• 후기
• 참고문헌