The purpose of this study is to develop SMA wire actuators to control the shape of a morphing wing. A change in the camber of a morphing wing has the same effect as the operation of the mechanical slat and flap, while reducing the drag caused by the discontinuous parts of the slat and flap so that the aerodynamic characteristics can be significantly improved. Although the response of a SMA wire actuator is slow, it was selected for this purpose because a fast response is not required to operate the slat and flap system. A shape-memory alloy (SMA) wire actuator for operating a morphing wing was experimentally designed to reduce the aerodynamic loss caused by the discontinuous geometry of the existing conventional mechanical slat and flap system. To choose a SMA that exhibits a room-temperature shape-memory effect (SME), differential scanning calorimeter (DSC) tests were first performed on several types of SMAs to verify properties such as the phase-transformation temperature. Experiments were then carried out to examine the characteristics of the selected SMA types, and Flexinol wire was chosen as the most suitable SMA actuator. An electric current was supplied to the actuator to measure the appropriate operational current range and the force generated by the SMA wire. This force increased with the applied electric current, but diminished when the current exceeded the over-current threshold (beyond which the thermo-mechanical properties of the wire become degraded). The appropriate stress range for effective actuation characteristics was also experimentally investigated. A SMA wire actuator was designed based on the test data, and was used to operate a morphing wing. In order to demonstrate the feasibility of the morphing mechanism, a wing section that has a Clark Y airfoil was fabricated with SMA wire actuator. The aerodynamic characteristics of the morphing wing was also analyzed by using the commercial programs GAMBIT, FLUENT and XFLR. Experiments were conducted to verify the characteristics of the wing. The system was designed using Matlab/Simulink to investigate the response characteristics by measuring the displacement of the structures, including the SMA wire actuators and the morphing system, deformed by the command current. The wing was smoothly deformed when an electric current was supplied.
본 연구의 목적은 설계한 가변 형상 날개의 형상을 제어하기 위해 형상 기억 합금 선 작동기를 개발하는 것이다. 가변 형상 날개의 캠버 형상을 변화시키는 것은 기존의 기계적인 슬랫이나 플랩의 효과와 같은 효과를 보이지만, 슬랫과 플랩으로 인한 형상의 비선형성으로 발생하는 항력을 줄임으로써 공력특성을 향상시킬 수 있다. 슬랫이나 플랩 시스템의 경우, 빠른 응답 속도를 요구하지 않기 때문에 형상 기억 합금의 반응 속도가 느림에도 불구하고 작동기로 선택하였다. 기존의 기계적인 슬랫, 플랩 시스템의 비선형 형상으로 인한 공기역학적 손실을 줄이기 위해 개발한 가변 형상 날개를 작동시키기 위해 형상 기억 합금 선 작동기를 다양한 실험을 통해 설계하였다. 실온에서 형상 기억 효과를 보이는 형상 기억 합금을 선택하기 위해 2 종류의 형상 기억 합금을 대상으로 시차 열량 주사계 실험을 수행하여 그 상 변태가 일어나는 온도를 측정하였다. 대상 형상 기억 합금 중 적합한 종류를 선택하기 위해 특성 실험을 수행하였으며, 실험 결과에 따라 Flexinol을 가장 적합한 작동기로 선택하였다. 선택된 형상 기억 합금 작동기에 전류를 공급하여 본 작동기가 작동하는데 적합한 작동 전류 범위와 형상 기억 합금에 의해 발생하는 힘을 측정하였다. 공급 전류가 증가함에 따라 발생하는 힘도 증가하였으나, 한계 전류 이상의 전류가 공급되자 형상 기억 합금의 특성이 변하여 발생하는 힘 또한 감소하였다. 효과적으로 작동기가 작동할 수 있는 적합한 응력 범위도 실험적으로 도출하였다. 본 실험들의 결과를 바탕으로 형상 기억 합금 선 작동기를 설계하여 가변 형상 날개를 작동하였다. Clark Y 단면을 갖는 가변 형상 날개를 개발하여 상용 프로그램인 GAMBIT, FLUENT, XFLR을 이용하여 공력 특성을 해석 하였다. 개발한 날개의 작동 특성을 파악하기 위해 작동 특성 실험을 수행하였으며, 시스템의 형상을 제어하기 위해 Matlab/Simulink을 이용하여 제어 시스템을 구축하였다. 제어 시스템에 의해 명령한 요구조건에 따라 전류가 공급되어 개발한 가변 형상 날개 모델이 부드럽게 변하여 형상이 제어 되는 것을 확인 할 수 있었다.
