앞전 지그-재그 형상을 가지는 복합재 날개의 날갯짓 추력효율 :Flapping thrust efficiency of composite wings with leading-edge corrugation

이정호

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이정호 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 박훈철

발행연도: 2021

저작권: 건국대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2021

앞전 지그-재그 형상을 가지는 복합재 날개의 날갯짓 추력효율

이정호 스마트운행체공학과 2021.01 학위논문

2020

앞전 지그-재그 형상을 가지는 복합재 날개의 날갯짓 추력효율

이정호 , 박훈철 , 정성남 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2020.11 학술대회자료

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기존 곤충모방 날갯짓 비행체에 장착되는 날개는 시위방향으로 매끈한 단면이지만, 실제 곤충의 날개는 지그-재그 형태로 되어있다. 이러한 지그-재그 구조는 강성이 증가하는 동시에, 세장비가 작고 저 레이놀즈 수 영역에서 전형적인 익형에서 발생하는 수직력과 대등하거나 더 큰 수직력을 발생하는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 기존의 곤충모방 비행체의 날개 제작 시간을 감소하고 대량 생산이 가능하도록 복합재료 날개를 제작하는 방법을 연구하였다. 또한, 추력효율을 향상시키기 위해서, 지그-재그 단면을 가지는 복합재 날개를 제작하고 추력 및 소모전력을 측정하여 추력효율을 비교하였다. 지그-재그 복합재 날개의 추력효율은 폴리에스터 날개 보다 28% 감소하였으나, 평평한 복합재 날개와 지그-재그 복합재 날개의 추력효율 비교를 통해서 지그-재그 복합재 날개의 추력효율이 평평한 복합재 날개 보다 추력효율이 4% 증가한다는 것을 확인하였다. 그리고 폴리에스터 날개와 복합재 날개는 다른 재료로 제작되었기 때문에 질량 및 날갯짓 운동 궤적의 차이가 있고, 이는 추력효율에 영향을 주게 될 것으로 판단하였다.
따라서, 각 날개의 날갯짓 운동 궤적을 측정 및 분석하였고, 그 결과 폴리에스터 날개의 한 주기 평균 받음각은 양력 계수가 가장 높은 받음각인 40o에 위치하였고, 복합재 날개들의 한 주기 평균 받음각은 양력 계수는 유사하나 항력 계수가 급격히 증가하는 받음각인 50o에 위치하였다. 따라서, 복합재 날개의 한 주기 평균 받음각을 폴리에스터 날개의 한 주기 평균 받음각인 40o로 조정할 필요가 있다. 이와 같은 비교 분석을 통해서 복합재 날개의 추력 효율 향상 방안으로 복합재 날개의 질량 감소를 위하여 경량 복합재 날개를 제작하고 복합재 날개의 한 주기 평균 받음각을 조정하기 위한 받음각 조정 장치를 제작하였다. 이러한 추력효율 향상 방안을 적용한 결과, 기존 복합재 날개(2겹 적층한 평평한 복합재 날개, 지그-재그 복합재 날개)의 추력효율 보다 경량 복합재 날개(1겹 적층한 평평한 복합재 날개, 지그-재그 복합재 날개)의 추력효율이 평평한 날개의 경우 9.8%, 지그-재그 날개의 경우 13.8% 향상되는 것을 확인하였다.
최종적으로 복합재 날개의 추력효율 비교를 통해서 본 연구에서 제시한 지그-재그 단면을 가지는 복합재 날개의 추력효율은 평평한 복합재 날개의 추력효율에 비하여 약 4% 증가하는 것으로 판단된다. 현재 곤충모방 비행체의 날개인 폴리에스터 날개를 대체하기 위해서 지그-재그 복합재 날개의 질량 감소 및 날개의 받음각 조정에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

The wings mounted on the insect-mimicking flapping-wing micro air vehicle(FW-MAV) have flat surfaces in the chordwise direction, but the wings of the actual insect have zig-zag cross sections. The zig-zag structure is known to contribute to high spanwise bending stiffness and generation of a vertical force equal to or higher than that produced by a typical airfoil with low aspect ratio in the low Reynolds number region. In this study, the method of fabricating composite-material wings was developed to save the time of wing fabrication and to enable mass production. In addition, in order to investigate possible ways to improve thrust efficiency of flapping wings, a composite wing with a zig-zag section was also fabricated and tested by measuring thrust and power consumption. The thrust efficiency of the weight zig-zag composite wing decreased by 28% compared to that of the polyester wing. It was also found that the thrust efficiency of the zig-zag wing is 4% higher than that of the flat composite wing.
Since polyester wing and composite wing were made of different materials, there was a difference in mass and wing kinematics, which affects the thrust efficiency.
Therefore, the wing kinematics of each wing was measured and analyzed. The one-cycle average angle of attack of the polyester wing was 40o with the highest lift coefficient, and that of the composite wing was 50o, which the lift coefficient was similar but the drag coefficient was larger. Due to this situation, it was necessary to adjust the one-cycle average angle of attack of the composite wing to 40o. as a plan to improve the thrust efficiencies of the composite wings, In addition, lighter composite wings were fabricated to reduce the mass of composite wing, and the angle of attack adjustment mechanism was fabricated to adjust the one-cycle average angle of attack of the composite wings. With these efforts, the thrust efficiency of the lighter composite wings was improved by 9.8% for the flat composite wing and 13.8% for the zig-zag composite wing, compared to those of previous flat and zig-zag composite wings, respectively.
Finally, the thrust efficiency of the zig-zag composite wing chould improve the thrust efficiency by about 4% compared to that of the flat composite wing. Futher studies on the reduction of mass and adjustment of the angle of attack of the composite wing are necessary to replace the polyester wing, which is used in the current insect-mimicking FW-MAV.

#곤충 날개 #폴리에스터 날개 #평평한 복합재 날개 #지그-재그 복합재 날개 #추력효율 #날갯짓 운동 제작

제1장 서론 1
제1절 연구배경 1
제2절 곤충의 날개 모방 연구현황 2
1. 지그-재그 날개의 공기역학적 특성 연구현황 2
2. 인공 지그-재그 날개의 제작 연구현황 4
제3절 연구목적 6
제2장 실제 곤충 날개 및 지그-재그 복합재 날개의 제원 7
제1절 날개 제원 7
1. 실제 곤충 날개의 제원 7
2. 지그-재그 복합재 날개의 제원 8
3. 실제 곤충 날개와 지그-재그 복합재 날개의 제원 비교 10
제3장 지그-재그 복합재 날개 11
제1절 지그-재그 복합재 날개 제작 11
1. 날개 재료 선정, 몰드 설계 및 제작 11
2. 경화 사이클 및 복합재 적층 방법 14
3. 평평한 복합재 날개 및 지그-재그 복합재 날개 제작 17
4. 복합재 날개와 폴리에스터 날개의 질량 비교 19
제4장 복합재 날개를 장착한 날갯짓 비행체 20
제1절 날갯짓 비행체 제작 20
1. 날갯짓 비행체 설계 및 구동 원리 20
2. 부품 설계 및 제작 24
제2절 날갯짓 주파수 및 각도 25
제3절 추력 및 소모전력 28
1. 추력 측정 28
2. 추력 대비 소모전력 32
제5장 날갯짓 운동 궤적 측정 및 비교 분석 36
제1절 날갯짓 운동 궤적 측정 36
1. 날갯짓 운동 궤적 측정 실험 구성 및 방법 36
2. 날갯짓 궤적의 근사 38
제2절 날갯짓 운동 궤적 및 받음각 비교 분석 39
제6장 추력효율 향상 방안 45
제1절 받음각 조정 장치 45
1. 받음각 조정 장치 설계 및 제작 45
제2절 경량 복합재 날개 47
1. 경량 복합재 제작 방식 고안 및 제작 48
2. 복합재 날개의 질량 비교 49
제3절 추력효율 비교 분석 49
1. 날개 뿌리 뒷전이 고정된 날갯짓 비행체에 장착된 경량 복합재 날개의 추력효율 51
2. 받음각 조정 날갯짓 장치에 장착한 복합재 날개의 추력효율 51
제7장 결론 및 향후 계획 53
제1절 결론 53
제2절 향후 계획 55
참고문헌 56
국문초록 58

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