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Effects of Body Aerodynamics and Wing Flexibility on Flight Characteristics of Insect-like Flapping-wing Micro Air Vehicles = 동체 공기력과 날개 유연도가 곤충형 날갯짓 초소형 비행체의 비행특성에 미치는 영향
서명 / 저자 Effects of Body Aerodynamics and Wing Flexibility on Flight Characteristics of Insect-like Flapping-wing Micro Air Vehicles = 동체 공기력과 날개 유연도가 곤충형 날갯짓 초소형 비행체의 비행특성에 미치는 영향 / Anh Tuan Nguyen,
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2017].
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The dissertation presents the effects of body aerodynamics and wing flexibility on several flight characteristics, including the trim conditions, power requirements and dynamic stability of an insect-like flapping-wing micro air vehicle (FWMAV). The FWMAV is assumed to have the geometry and mass properties of the hawkmoth Manduca sexta. Moreover, wing kinematics and other flight parameters, such as flapping frequency, body and stroke plane angles are also based on measurement data from real insects. A potential-based aerodynamic model, which combines the unsteady panel method (UPM) and the unsteady vortex-lattice method (UVLM), was developed to simulate the unsteady aerodynamics of the insect-like FWMAV. Aerodynamic loads on the streamlined body of the FWMAV are computed by the UPM; while the UVLM is applied to the thin wings. The leading-edge suction analogy model is integrated into the present aerodynamic model to estimate the contribution of leading-edge vortices (LEVs) occurring on insect wings; whereas the vortex-core growth model is used to avoid singularity problems due to wing-wake and body-wake interactions. The motions of the FWMAV in free flight are obtained by a multibody dynamics simulation framework running in the MSC. ADAMS environment. The trim conditions corresponding to flight at various speeds ranging from 0.0 to 5.0 m $s^{-1}$ are found using the trim search algorithm. The equations of small disturbance motion are linearized to obtain the longitudinal and lateral dynamic modal structures of the insect-like FWMAV. To investigate the effect of wing flexibility, the wing structure is modelled with the finite element analysis (FEA) software ANSYS Mechanical APDL by considering all details of the hawkmoth wing. The study results have revealed that the effect of body aerodynamics in low-speed flight is negligible; however, as the flight speed increases, this effect becomes more obvious. For the trim conditions, the inclusion of the body aerodynamics influences the sweep angle of the wings significantly. In order to offset the large aerodynamic pitching moment due to the body at high speeds, the FWMAV has to reduce the mean sweep angle by moving its wings more backward. Regarding the dynamic stability, the effect of the body aerodynamics on the longitudinal dynamics was found greater than that on the lateral one. It was indicated that the effect on the longitudinal dynamics is primarily owing to the considerable changes in the derivatives of the aerodynamic pitching moments with respect to the horizontal and vertical translational velocities when the body aerodynamics is considered. Likewise, the changes in the derivatives of the roll and yaw moments with respect to the lateral translational velocity account for the effect of the body aerodynamics on the lateral dynamics of the FWMAV. The results also showed that these effects are not only directly due to the body aerodynamic force but also from differences in the trim conditions. In terms of power requirements, the insect-like FWMAV may benefit from the body aerodynamics effect only at 5.0 m $s^{-1}$ ; while at lower flight speeds, there are almost no changes found in the numerical results. On the other hand, the body aerodynamics effect may worsen the longitudinal dynamic stability characteristics of the FWMAV flight and make the FWMAV more unstable to horizontal and vertical gust disturbances. In contrast to the body aerodynamics, wing flexibility offers quite many advantages to the FWMAV in hawkmoths’ favorite flight speeds ranging from 0.0 to 3.0 m $s^{-1}$. Within this speed range, the use of flexible wings enables the FWMAV to enhance its lateral dynamic flight stability; whereas the longitudinal dynamics is almost unaffected. The improvement in lateral dynamic stability is explained by the changes in the derivatives of the aerodynamic roll and yaw moments with respect to the lateral translational velocity. Additionally, using the flexible wings, the amount of required mechanical power could be significantly reduced. These favorable effects are the most apparent in hovering flight, and appear to decrease as the flight speed increases. At 3.0 m $s^{-1}$, the benefits are almost unnoticeable; and at 4.0 m $s^{-1}$, the results show a negative effect on the mechanical power demand. The study also found that this negative effect is related to an upward flow region that appears in high-speed flight and is intensified by wing deformations at the beginning of the downstroke. This phenomenon is unfavorable for the lift generation mechanisms of the wings; and therefore, wing flexibility can lead to a negative effect in high-speed flight. Along with the changes in dynamic stability and power requirements, the trim conditions are also affected greatly by wing flexibility.

본 논문은 곤충모방형 날갯짓 초소형비행체의 트림조건, 요구동력, 동안정성을 포함한 동체 공기력과 날개 유연도가 비행특성에 미치는 영향에 대해 다룬다. 날갯짓 초소형비행체의 기하학적 조건과 기계적 물성치는 박각시 나방으로 가정하였고, 날갯짓 주파수, 동체와 날갯짓 평면의 각도를 포함한 날갯짓 운동학적 요소는 박각시 나방의 측정결과를 차용하였다. 비정상 패널법(unsteady panel method)과 비정상 와류격자법(unsteady vortex lattice method)을 결합한 포텐셜 유동 기반의 공력모델을 개발하여 날갯짓 초소형비행체의 비정상 공기역학을 해석하였다. 유선형의 동체에 작용하는 공기력은 패널법으로, 날개에 작용하는 공기력은 와류격자법으로 각각 적용하였다. 앞전와류의 기여도를 예측하기 위해 앞전와류 흡입 유추법(leading-edge suction analogy)를 공력모델에 통합시켰고, 와류 성장 모델(vortex-core growth model)을 이용해 날개-후류 상호작용과 날개-동체 상호작용에 의한 특이성 문제(singularity problem)를 해소시켰다. 더불어 자유비행(free flight, 유도제어가 적용되지 않은 비행상태)에서의 비행체 움직임을 얻어내기 위해 MSC. ADAMS 환경의 다물체 동역학 기반 프레임워크를 사용하였다. 더불어 트림탐색 알고리즘을 사용해 제자리 비행에서 전진 고속비행(0.0 m/s ~ 5.0 m/s)까지 다양한 영역에서의 트림조건을 찾아내었다. 종방향 및 횡방향의 동역학적 모드 구조를 얻어내기 위해 미소 교란 운동 방정식을 선형화하였으며, 날개 유연도 효과를 조사하기 위해 ANSYS Mechanical APDL을 이용하고 유한 요소법을 이용해 날개 구조를 분할, 적용하였다. 저속 비행에서 동체 공기력의 효과는 미미하였으나, 비행속도가 증가함에 따라 뚜렷해졌다. 특히 동체 공기력은 트림조건에서의 날갯짓 스트로크 각(sweep angle)에 상당한 변화를 가져왔다. 동체로 인한 높은 공기역학적 피칭 모멘트를 상쇄하기 위해 날갯짓 초소형비행체는 날개를 뒤로 이동시켜 스트로크 평균값을 줄였다. 동안정성 관점에서 동체 공기력의 효과는 종방향 동역학에서 더 크게 나타났다. 이것은 동체 공기력을 고려하는 경우, 수직 및 수평방향의 병진속도에 관여하는 종방향 미계수에 상당한 변화가 있음을 의미한다. 이와 유사하게, 횡방향 동역학에서는 횡방향 병진 속도와 관련된 롤 및 요방향 모멘트 미계수의 변화가 횡방향 동역학을 책임지는 것을 확인하였다. 이러한 결과는 동체 공기력이 비행 동역학에 직접적으로 작용할 뿐만 아니라 서로 다른 트림조건을 유도하는 것을 의미한다. 소요 동력에서는 매우 빠른 비행속도(5.0m/s)에서만 동체 공기력을 통한 이득이 나타나는 것을 알아내었다. 이보다 낮은 속도에서 소요 동력은 거의 차이가 나지 않았다. 더불어 동체 공기력은 종방향 동안정성을 악화시켰고, 수평이나 수직방향의 돌풍 외란(gust disturbance)에 대해 더욱 불안정하게 만드는 요소가 되었다. 동체 공기력과는 달리, 날개 유연도는 박각시가 선호하는 속도영역(0.0m/s ~ 3.0m/s)에서 다양한 이득을 제공하였다. 이 영역에서 날개 유연도는 종방향 동안정성에 거의 영향을 주지 않으면서 횡방향 동안정성을 증대시켰다. 본 연구에서는 횡방향 병진속도에 대한 공기역학적 롤 및 요 모멘트의 변화를 분석해 횡방향 비행안정성의 증대를 설명할 수 있었다. 또한 유연한 날개를 사용하는 것은 기계적 소요 동력을 상당히 낮추어 주었다. 이러한 긍정적 효과는 제자리 비행에서 두드러졌으며, 전진속도가 증가함에 따라 감소되었다. 비행속도 3.0m/s에서부터 이러한 혜택은 거의 눈에 띄지 않았고, 4.0m/s에서는 기계적 소요 동력에 부정적 효과를 가져왔다. 유동분석을 통해 고속 비행에서의 부정적 효과는 올려씻음 유동영역과 관련이 있음을 알아내었으며, 다운스트로크 시작점의 날개 변형에 의해 본 효과가 더욱 커질 수 있음을 찾아내었다. 이러한 현상은 양력생성에 불리하게 작용하였으므로, 결국 고속비행에서 날개 유연도는 양력생성에 부정적인 효과를 가져올 수 있음을 의미했다. 상기 동안정성과 소요 동력 변화와 함께, 본 연구에서는 트림조건도 날개 유연도에 영향을 받는다는 것을 알아내었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DAE 17006
형태사항 xi,102 p. : 삽화 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 지도교수의 영문표기 : Jae-Hung Han
지도교수의 한글표기 : 한재흥
수록잡지명 : "Extended Unsteady Vortex-Lattice Method for Insect Flapping Wings". Journal of Aircraft, v.53.no.6, pp.1709-1718(2016)
Including Appendix
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 항공우주공학과,
서지주기 References : p. 93-98
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