In order to generate sufficient aerodynamic forces for unsteady and quasi-steady flight, the biological flyers such as birds, bats and insects utilize complicated wing motions by using spanwise-chordwise anisotropic flexible wings. The deformation of these flexible wings is strongly coupled with aerodynamic forces generated by the wing motion. Artificial flapping flyers inspired from the biological ones also have the anisotropic flexible wings, and the fluid-structure interaction should be considered for flexible wing design and control. However, it needs very expensive computational cost and is still extremely difficult to accurately analyze the fluid-structure interaction of artificial flapping wings. Therefore, for the realization of optimal flapping-wing design and real-time control of artificial flapping-wing vehicles, an efficient aeroelastic analysis method should be developed.
In the present study, the aeroelastic characteristics of a flexible flapping wing are investigated and an efficient aeroelastic analysis method is proposed for the flapping-wing flight. First, the smart flapping wing with changeable camber is developed by using macro-fiber composite (MFC) actuators. The camber, flexibility and unsteady effects of the smart wing are investigated from wind-tunnel and particle image velocimetry (PIV) tests. Second, an efficient aeroelastic analysis method is developed by considering the aeroelastic characteristics and the fluid-structure interaction. The aerodynamic model based on the modified strip theory is improved for higher resultant angle of attack and dynamic stall due to plunging motion, and the flexible multibody dynamics is expanded for 3-dimensional flapping wing motion. Then, the developed the aerodynamic and structural models are coupled. The aeroelastic analysis method is verified with experimental data of a rectangular flapping wing, and the results show good agreements between experimental and analysis data. Finally, the aeroelastic analysis method is applied to optimal design of the rectangular flexible flapping wing. The optimal wing design is performed by considering the variation of wing flexibility in chordwise and spanwise direction. Through the optimal design, an optimized wing model can be obtained and the analysis result shows the aerodynamic performance improvement in mean lift and thrust forces. We expect that the aeroelastic analysis method proposed in this study can be efficiently applied to optimal flapping-wing design and flapping-wing flight control.
자연에 존재하는 공간상의 이동방식 중 새와 곤충의 플래핑(flapping) 비행방식의 효율성은 1억 5천년 이상의 기간을 통하여 진화 및 검증되어왔다. 최근 들어 이러한 생명체들의 운동방식을 모방 및 응용하려는 연구들이 활발히 진행되고 있다. 특히, 군사기술 및 첨단기술의 발전과 함께 초소형 비행체(Micro Aerial Vehicle)의 새로운 비행방식으로 플래핑 방식의 활용성이 부각되고 있다. 초소형 비행체에 요구되어지는 작은 기체조건 및 낮은 레이놀즈 수 영역의 비행 등과 같은 공기역학적으로 불리한 조건에서는 기존의 고정익 또는 회전익 비행체에 적용되던 항공역학 및 설계방식의 적용은 매우 제한적이다. 따라서 아직까지 체계화된 설계 방식이 없는 실정이며, 최근 개발되고 있는 대부분의 플래핑 기체들은 시행착오를 통한 설계를 기초로 개발되고 있다. 이러한 생체모방형 비행체의 기술적 난이도는 높지만 그 효용성이 크기 때문에 이미 미국을 비롯한 선진국에서는 이에 대한 개발소요가 증대되고 있다.
일반적인 고정익/회전익 비행체에 비하여 플래핑 비행체는 공기에 대한 전진운동 뿐만 아니라 다양한 날개운동들(flapping, twisting, folding, plunging, sweeping, rotating 운동 등)을 종합적으로 이용한다. 또한 기존의 비행체와는 다르게 유연한 날개 구조로 이루어져 있으며, 날개의 시위 및 길이 방향의 비등방성 유연성 효과(anisotropic flexibility effect)는 날개의 공력특성을 결정짓는 주요 운동인 피칭운동(pitching)을 발생시키는 주요 설계변수이다. 이러한 다자유도의 유연한 날개운동에 의해 날개 주변에서는 복잡한 공기역학적 특징(leading edge vortex, delayed stall, wake capture 등)과 구조적 특징(3D-wing effect, wing flexibility effect)이 서로 결합되어 발생하며, 그 특성 또한 비정상 상태의 특징을 보이게 되어 실질적으로 유체-구조를 고려한 해석이 매우 어려운 실정이다. 특히 전산유체해석(CFD) 기법을 이용한 이러한 공력해석은 많은 계산시간과 자원을 필요로 하며 아직까지 제한적 조건에 대한 연구가 진행되고 있다. 따라서 실질적인 플래핑 날개의 효과적인 설계 및 개발 그리고 더 나아가 매우 불안정한 비행특성을 지니는 플래핑 기체의 실시간적인 비행제어를 위해서는 보다 효율적인 공력 모델 및 유체-구조 연계해석법의 개발과 활용이 필요한 실정이다.
본 연구에서는 생체모방 비행체의 설계 및 개발을 위한 기술 확보의 일환으로 생물학적 비행체들의 날개운동 및 공력특성에 관한 연구를 수행하였다. 또한 생체모방 비행체 설계 및 비행제어를 위한 확보핵심기술로써 효율적인 플래핑 날개의 공력모델을 개발하였으며, 이러한 공력 모델을 이용한 유체-구조 연계해석 기법을 개발하고 실험적 검증을 통해서 그 활용 가능성을 확인하였다. 이러한 연구 목적을 위한 세부 연구 내용은 다음과 같다.
1. 적응형 유연 플래핑 날개 개발: MFC를 이용하여 캠버 변화가 가능한 플래핑 날개 설계 및 제작
2. 유연 플래핑 날개의 공력-탄성학적 특성 시험: 공력측정(양력, 추력)용 시험대 제작 및 풍동시험 (공력측정, PIV 시험)
3. 효율적 플래핑 날개 공력모델 개발 및 검증: 큰 받음각과 dynamic stall을 고려한 Modified Strip Theory 개발 및 강체날개에 대한 공력모델 검증
4. 효율적 플래핑 날개운동 모델 수립: 큰 변위와 다자유도를 고려할 수 있는 다물체 동역학과 효율적 모우드 접근법을 이용하여 구조 모델 수립
5. 유연 플래핑 날개의 유체-구조 연계해석 기법 개발 및 검증: 유연 날개모델의 유체-구조 연계해석 기법 개발 및 유연한 플래핑 날개에 대한 실험적 검증
6. 날개의 유연성 효과: 날개의 시위 및 길이방향 유연성과 공력특성간의 관계를 해석적으로 연구
