접이식 직렬날개형 공중투하 무인비행체의 공력 모델링 및 시뮬레이션

이승진,이정민,안정우,박진용,Lee, Seungjin,Lee, Jungmin,Ahn, Jeongwoo,Park, Jinyong 한국시뮬레이션학회 2018 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.27 No.4

The aerial launching UAV(Unmanned Aerial Vehicle) mainly uses a set of folding tandem wings to maximize flight performance and minimize the space required for mounting in a mothership. This folding tandem wing has a unique aerodynamic problem that is different from the general type of fixed wing aircraft, such as the rear wing interference problem caused by the wing of the front wing wake and vortex, and the imbalance of the pivot moment applied to the front and rear wings when the wing is deployed. In this paper, we have modeled and simulated various cases through computational fluid dynamics based on the finite volume method and analyzed various aerodynamic phenomena of the tandem wing type aircraft. We find that the front wing shall be installed higher than the rear for minimizing the wake influence and the rear wing can be deployed faster than the front because of the pivot moment due to aerodynamic forces. Also, considering the pivot moment due to aerodynamic force, the rear wing can be deployed much faster than the front wing. Therefore, it is necessary to consider it when developing the wing deploy mechanism. 공중투하형 무인비행체는 비행성능의 극대화 및 모기체 탑재시의 소요공간 최소화를 위하여 접이식 직렬날개를 주로 사용한다. 이러한 접이식 직렬날개는 전방날개의 후류에 의한 후방날개 간섭문제, 날개 전개시 전후방 날개에 걸리는 피봇 모멘트의 불균형 등 일반적인 형태의 고정익 비행체와 다른 독특한 공기역학적 문제를 가지고 있다. 이에 본 논문에서는 유한체적법 기반의 전산유체역학을 통하여 여러 경우에 대하여 모델링 및 시뮬레이션을 수행하였으며 접이식 직렬날개 방식 비행체의 여러 공기역학적 현상에 대해 분석하였다. 그 결과 받음각 변화에 따른 전방날개에 의한 후류영향을 최소화하기 위하여 전방 날개를 후방날개보다 수직방향으로 높게 설치할 필요가 있었다. 또한 공력에 의한 피봇모멘트를 고려시 전방날개에 비하여 후방날개가 훨씬 빠른 속도로 펼쳐질 수 있으므로 날개 펼침 기구 개발 시 이에 대한 고려가 필요함을 확인하였다.

꼬리날개 조종 유도무기의 주날개-꼬리날개 간섭 현상

김덕현(Duk-Hyun Kim),이대연(Dae-Yeon Lee),강동기(Dong-gi Kang),이형진(Hyoung Jin Lee) 한국항공우주학회 2017 韓國航空宇宙學會誌 Vol.45 No.10

꼬리날개 조종 유도무기의 주날개-꼬리날개 간섭 현상에 대한 연구를 수행하였다. 풍동시험 데이터를 이용하여 주날개-꼬리날개 간섭 정도를 산출하였으며 날개간의 간섭 현상이 전체 공력에 미치는 영향을 분석하였다. 성분 시험 결과를 이용하여 downwash angle을 산출하였으며 날개간의 간섭 영향을 받음각에 대한 비율로 나타내었다. 날개간의 간섭 현상 발생 시 유동 특성을 살펴보기 위해 수치해석을 실시하였으며 받음각에 대한 vorticity 특성을 비교하였다. 실험적, 수치적 연구를 통해 주날개-꼬리날개 간섭현상이 유도무기의 정안정성에 큰 영향을 미침을 확인하였다. This paper presents the characteristics of wing-tail interference for a tail-controlled missile. The magnitude of wing-tail interference was calculated with wind tunnel test results and its effects on aerodynamic coefficients were investigated. The downwash angle of tail wing was calculated with experimental data and the effect of wing-tail interference was expressed as a ratio of angle of attack. Numerical simulations were made to examine flow characteristics of wing–tail interference and the vorticity contour of missile were compared with respect to angle of attack. Experimental and numerical analysis results show that the wing-tail interference has significant effects on static stability of tail-controlled missile.

겹 날개를 사용하는 곤충 모방 비행체의 날개 형상에 대한 파라메트릭 연구

박희태(Heetae Park),김동민(Dongmin Kim),모혜민(Hyemin Mo),김남수(Lamsu Kim),이병주(Byoungju Lee),김인래(Inrae Kim),김승균(Seungkeun Kim),이재하(Jaeha Ryi),최종수(Jong-Soo Choi) 한국항공우주학회 2018 韓國航空宇宙學會誌 Vol.46 No.9

본 논문에서는 곤충 모방 날갯짓 비행체의 가장 중요한 설계 변수 중 하나인 날개에 대한 파라메트릭 연구에 대해 서술하였다. 추력, 피칭모멘트, 소비전력, 추력 대 전력비의 비교 및 분석을 통해 날개 형상에 대한 실험적 연구를 진행하였다. 힘과 모멘트는 2축 밸런스를 이용하여 측정되었으며 날갯짓 주파수는 홀센서를 이용하여 측정되었다. 날개 형태는 겹 날개 형태를 채택하였으며 이를 통해 Clap and fling 효과를 구현하였다. 기준 날개 형상으로 잠자리의 날개를 선정하였고, 이를 기준으로 가로세로비 및 면적에 대한 실험을 진행하였다. 결과적으로, 가로세로비와 면적이 증가할수록 추력, 피칭모멘트, 소비전력이 증가하는 것을 확인하였다. 또한, 일정 수준 이상의 가로세로비 혹은 면적을 가지는 날개를 메커니즘에 적용하였을 때 메커니즘이 정상적으로 구동되지 않는 것을 확인하였다. 최종적으로 날개 형상 선정은 필요한 최소추력을 만족시키는 날개 중에서 추력 대 전력비를 비교함으로써 이루어졌다. 하지만 추력선과 무게중심의 불일치로 인한 모멘트의 발생으로 안정성을 확보할 수 없었다. 이에 안정성을 확보하기 위해 상단과 하단에 댐퍼를 부착한 실내 비행시험을 통해 날개의 파라메트릭 연구 결과에 대한 간접적인 성능 검증을 수행하였다. This paper conducts parametric studies on flapping wing design, one of the most important design parameters of insect-mimicking aerial vehicles. Experimental study on wing shape was done through comparison and analysis of thrust, pitching moment, power consumption, and thrust-to-power ratio. A two-axis balance and hall sensor measure force and moment, and flapping frequency, respectively. Wing configuration is biplane configuration which can develop clap and fling effect. A reference wing shape is a simplified dragonfly’s wing and studies on aspect ratio and wing area were implemented. As a result, thrust, pitching moment, and power consumption tend to increase as aspect ratio and area increase. Also, it is found that the flapping mechanism was not normally operated when the main wing has an aspect ratio or area more than each certain value. Finally, the wing shape is determined by comparing thrust-to-power ratio of all wings satisfying the required minimum thrust. However, the stability is not secured due to moment generated by disaccord between thrust line and center of gravity. To cope with this, aerodynamic dampers are used at the top and bottom of the fuselage; then, indoor flight test was attempted for indirect performance verification of the parametric study of the main wing.

온실 환기팬 날개 형상별 환기성능 분석

김진구 ( Jin-gu Kim ),박석호 ( Seok-ho Park ),이태석 ( Tae-seok Lee ),이재한 ( Jae-han Lee ),이충근 ( Choung Keun Lee ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

본 연구는 농업시설 환기에 사용되는 환기팬의 날개 형상별 공기유동성능 차이를 알아보기 위하여 실시되었다. 동일한 환풍기에 형상이 각각 다른 날개를 설치하여 입력 주파수를 변화시키며 소비전류, 소비전력, 역률, 풍량 및 풍속분포, 소음 등을 측정하였다. 시험에는 날개 지름이 50cm로 동일하고, 날개 단면 형상에 차이가 있으며, 날개 엽수가 각각 3개, 4개 6개인 3종류의 날개를 사용하였다. 날개 구동을 위하여 3상 4극 유도전동기로 구동되고 벨마우스 타입의 덕트가 설치된 환풍기를 선정하여 날개를 교체하며 전력특성과 공기유동성능 등을 조사하였다. 전원 입력측에 슬라이닥스와 주파수변환기를 설치하여 전압과 주파수를 조절하였고 전력계와 전류계를 설치하여 역률을 계산하였다. 공기유동성능을 알아보기 위하여 환풍기 공기 유입 측에 풍량계를 설치하고 공기 배출 측에 풍속계를 설치하여 날개 형상별 공기 유량과 풍속 분포를 조사하였다. 시험 결과 6엽 날개 기준 전원 주파수를 30Hz에서 60Hz로 변화시키는 동안 날개의 분당 회전수는 920회에서 1754회로 91% 증가되었고, 풍량은 2420m3/h에서 4730m3/h 로 95% 증가되었으며, 소비전력은 122W에서 512W로 420% 증가되었다. 날개 엽수별 소비전력은 3엽, 4엽, 6엽 각각 정격 220V, 60Hz 전원 인가 시 590W, 390W, 512W가 소비되었는데 이는 서로 다르게 설계된 날개 단면 형상에 따른 공기저항에 따라 모터에 가해지는 부하량이 다르기 때문이다. 날개 엽수별 풍량은 3엽, 4엽, 6엽 각각 5710m3/h, 5070m3/h, 4730m3/h로 나타나 소비전력 대비 공기 유동량 비율은 각각 9.7, 13.0, 9.2 (m3·h-1/W) 로 나타났다.

프로펠러 장착 위치에 따른 날개의 공력 특성 변화 연구

최인서,한철희 항공우주시스템공학회 2022 항공우주시스템공학회지 Vol.16 No.6

최근 다양한 형태의 전기추진 항공기가 개발 중이다. 전기추진 항공기에 장착되는 프로펠러의 위치는 항공기 공력성능에 큰 영향을 미칠 수 있다. 날개 앞에 장착된 프로펠러는 프로펠러 주변과 하류방향으로 복잡한 선회 유동(Swirl Flow)을 발생시킨다. 선회 유동으로 발생하는 올려흐름과 내리흐름은 날개의 유효받음각에 영향을 미친다. 날개의 길이 분포 방향으로 발생하는 유효받음각 분포변화는 날개의 공력 하중분포에 영향을 준다. 본 연구에서는 날개에 장착된 프로펠러의 위치가 변화하면서 발생하는 프로펠러-날개 상호작용이 날개의 공력 하중분포에 미치는 영향을 연구했다. 프로펠러-날개 상호작용이 날개에 미치는 영향을 해석하기 위해, 프로펠러에 의한 선회 유동을 Actuator Disk Theory를 사용하여 나타냈다. VSPAERO를 사용하여 날개에서 발생하는 공력을 계산했다. 본 연구방법을 사용하여 얻은 계산결과는 프로펠러-날개 모델을 사용한 풍동시험 자료와 비교·검증했다. 연구결과 프로펠러와 날개 사이의 거리가 날개의 공력특성에 미치는 영향은 크게 나타났다. 축방향 및 날개길이 방향의 거리 증가는 양항비를 증가시켰다. 프로펠러가 날개 상단에 위치할 경우 더 큰 양항비를 얻을 수 있었다.

실험계획법에 의한 최대 양항비의 접합날개 선정

이재환,김광원,허현우,김두만 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

접합날개는 앞날개와 뒷날개가 접합된 마름모 형태의 날개로써 날개 끝 와류를 감소시키는 유도항력 감소효과가 뛰어나며, 앞뒤 날개가 연결되어 일반날개에 비해 구조적으로 안정하여 항공기의 무게를 줄일 수 있다. 이러한 접합날개는 앞뒤 날개의 수평 및 수직거리가 양항력 특성에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 본 논문은 최대의 양향비를 가지는 최적의 접합날개를 선정하기 위해서 앞뒤날개의 수평거리와 수직거리를 변수로 하여 실험계획법을 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 최대의 양항비를 갖는 접합날개를 선정하였으며 수직거리와 수평거리에 따른 양항력 특성을 파악하였다. Joined-wing is special wing which are joined with similar size of front wing and rear wing. Shape of this wing is diamond shape. Joined-Wing can reduce wing tip vortex due to it's shape. In addition, Joined-wing has structural stability so it can design lighter aircraft than normal aircraft. There are two main factors which can influence aerodynamic character directly. One is a vertical gap between front wing and rear wing. The other is a horizontal gap between front wing and rear wing. In this research, we selected maximum Lift-Drag ratio Joined-Wing by DOE through these two factors. As a result, we could select maximum Lift-Drag ratio Joined-wing and analysis Joined-wing's aerodynamic character.

공기력 및 구속 효과를 고려한 접힘 날개 전개 성능 분석

김승일(Seung-il Kim) 한국항공우주학회 2015 韓國航空宇宙學會誌 Vol.43 No.6

최근 다수의 유도무기는 공간 효율성을 위해 접힘 날개를 적용하고 있다. 날개의 전개 과정 중에 작용하는 공기력은 날개 전개 성능에 많은 영향을 주기 때문에, 일반적으로 CFD 해석을 통하여 공력계수를 산출한다. 이와 다른 방법으로 Missile Datcom을 이용하여, 날개의 전개 과정을 날개 상반각 변화로 가정하여 입력하면, 빠르고 간편하게 CFD 해석 결과와 근접한 공력계수 산출이 가능하다. 또한 동체에 돌출부가 존재하는 경우 날개를 서로 포개어 접어야 되는 상황이 발생할 수 있고, 전개과정 중에 한쪽 날개가 다른 쪽 날개의 전개 과정을 방해 또는 도와주게 되는 구속효과가 발생하게 된다. 따라서 공기력 효과 및 구속 효과를 고려하여 날개의 초기 구속 여부 판단 기준과 전개 거동 특성을 수식화 하였고, 날개 전개 성능 분석을 수행하였으며, 성능 분석 결과를 풍동 시험 데이터와 비교하였다. 날개의 전개 성능은 풍동시험에서 나타난 전개 취약 풍향을 정확하게 예측하였다. Recently, guided missiles applies folding wings to save space. During wing deployment, aero force acting on wing effects significantly on deployment performance, usually aerodynamic coefficient are calculated by CFD analysis. However, Missile Datcom can calculates estimated aerodynamic coefficient very quickly by assuming wing deployment motions as dihedral angle of wing. If missile has external store, wings may need to be folded on top of each other. In this case, one of wing help or interrupt other wing deployment, locking effect. In this study, both effects were included on wing deployment performance analysis to criteria for wings locked condition and formulated wing deploy performance, and compared with wind tunnel test data. Analysis predicted vulnerable wind direction of wing deployment very well.

교대 날개벽의 합리적인 단면력 산정 및 설계 개선

정원석(Chung Wonseok),김민호(Kim Minho),안주옥(An Zu-og),최혁진(Choi Hyukjin) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 A Vol.31 No.3A

일반적으로 교량의 교대 날개벽 설계를 위한 해석은 날개벽을 4개의 구역으로 나누고 이를 1차원 캔틸레버 구조로 간략 화하여 단면력을 산정하는 방법이 실무에서 관례적으로 사용되고 있다. 이러한 간편법은 수계산에 의존하던 때에 만들어진 일본 규정으로 국내 도로교설계기준에 채택되어 개정없이 계속 사용되어지고 있다. 본 연구에서는 불합리한 교대 날개벽의 단면력 산정법을 개선하기 위해서 날개벽을 단순 캔틸레버 해석이 아닌 실제에 가까운 2변 고정 판구조로 해석하여 현 도로교설계기준의 단면력과 비교 분석을 실시하였다. 또한 해외의 날개벽 단면력 산정법을 조사 분석하여 국내의 규정과 비교 하였다. 본 연구에서 제시한 날개벽의 가용 매개변수 범위 내에서 유한요소 해석을 실시한 결과, 현 도로교설계기준의 간편법에 의한 단면력은 날개벽 형상에 따라 때로는 안전측이지만 때로는 비안전측인 결과를 나타내고 있어 실제의 단면력을 반영하지 못하는 것으로 분석되었다. Current Bridge Specification for Highway Bridges adopts a simplified method to determine sectional forces of abutment wing by dividing its area into four sections. This simplified method was developed in Japan when numerical analysis was not mature and computer resources were expensive. This simplified method has been with us without modification. This study evaluates the problem of current design practice to improve the design guideline for abutment wing. In this study, a finite element model of abutment wing based on shell elements was developed to obtain accurate sectional force. In addition, foreign design specifications regarding abutment wing were thoroughly examined. It has been observed that sectional forces obtained from the simplified method produce inaccurate results under various geometric shapes. Thus, it is recommended that two dimensional plate analyses should be adopted for future design of abutment wing wall.

날개끝 스토어 형상 항공기 복합재 날개 구조의 MDO 연구

전승문(Seung-Moon Jun),이명건(Myoung-Keon Lee),이재화(Jae-Hwa Lee) 한국항공우주학회 2004 韓國航空宇宙學會誌 Vol.32 No.2

본 논문에서는 날개끝 스토어가 장착된 항공기 복합재 날개구조에 대한 다분야 통합 최적화 설계를 수행하였다. 스토어 위치, 중량 및 공력효과 등을 고려하여 복합재 날개구조 설계 과정에서 중요한 고려인자가 무엇인지 파악하고자 하였다. 정적강도, 제작한계 및 플러터 속도를 구속조건으로 하여 ICW 날개 모델을 최적화 하였다. 각 요소의 두께와 단면적을 설계 변수로 사용하였다. 최적화 설계 도구로서 MSC/NASTRAN을 사용하였다. 실용적인 설계 관점에서 복합재 적층 파손식 적용을 검토 하였다. 날개끝 스토어의 공기력 효과가 ICW 날개 모델의 공탄성 불안정 특성에 큰 영향을 주었다. 최적화된 구조의 공탄성 불안정성이 날개끝 스토어가 날개 시위방향으로 움직임에 따라 아주 민감하게 변화하였다. 이러한 결과로 볼 때 날개끝 스토어 모델의 정밀도가 설계 과정에서 아주 중요한 인자임을 알 수 있었다. This paper presents MDO(Multidisciplinary Design Optimization) study results for aircraft composite wing structure with tip store. The objective is to identify key design parameters in the composite wing structure design process. The store location and the effect of the store aerodynamics and mass are the variables included. The ICW(Intermediate Complexity Wing) wing box model is optimized with constraints on the static strength, manufacturing limit and flutter speed. The thicknesses and the cross-sectional areas of the structural elements are the design variables in the optimization. The MSC/NASTRAN is the primary tool used in this study. Failure criteria of composite laminate are examined regarding the practical design. The aerodynamics of the tip store significantly affects the aeroelastic instability of ICW model. The aeroelastic instability of the optimized structure is very sensitive to the tip store movement along the tip chord. The present results indicate that the selection of tip store model fidelity is very important during the design process.

베네치아 공화국과 날개달린 사자

남종국(Nam, Jong Kuk) 도시사학회 2016 도시연구 Vol.- No.16

이 논문은 날개달린 사자가 베네치아 공화국을 대변하는 제일의 상징물이 되는 역사적 과정을 밝히는 글이다. 어떤 연유로 날개달린 사자가 베네치아를 대표하는 상징물이 되었을까? 본 논문은 이 질문에 대한 답을 제공하고자 한다. 이를 위해서 우선적으로 날개달린 사자와 산마르코의 불가분의 관계를 이해해야 한다. 날개달린 사자가 산마르코의 수호신물이 되어 운명을 같이 하게 된 근거는 성경에 있다. 기독교 초기 4복음서의 저자와 성경에 나오는 4가지 동물이 한 쌍을 이루게 되었는데 날개달린 사자가 산마르코의 수호신물이 되었던 것이다. 날개달린 사자가 베네치아와 운명 공동체가 된 결정적인 계기는 산마르코의 유해가 베네치아로 옮겨오면서부터였다. 9세기 초 두 명의 베네치아 상인이 알렉산드리아에 있는 산마르코의 유해를 몰래 훔쳐 베네치아로 가져왔고 이후 산마르코는 기존의 베네치아 수호성인이었던 그리스 전사 출신의 테오도르를 대신해 새로운 수호성인으로 되었다. 유해의 이전만으로 모든 것이 종결된 것은 아니었다. 베네치아 공화국은 산마르코의 유해에 대한 정당한 소유주임을 대외적으로 과시하기 위해 신화와 전설을 창조했다. 이렇게 만들어진 전설이 바로 예정 이야기(Praedestinatio)와 출현(Apparitio)이었다. 예정설에 따르면 마르코가 아퀼레이아 지방에 복음을 전하는 임무를 마치고 배를 타고 돌아오는 도중에 폭풍우를 만나 베네치아로 떠밀려오게 되었다. 그 와중에 마르코의 꿈에 나타난 천사는 마르코에게 너의 육신이 여기서 안식을 취하게 될 것이라고 예언했다. 이 새로운 전설은 알렉산드리아에서 순교했던 마르코의 유해가 최종적으로 베네치아로 옮겨오게 된 것을 사후에 승인하는 문구였다. 이 이송은 천사의 계시를 통해 미리 예정되어 있었다는 것이다. 베네치아 공화국의 수호성인으로서 확고한 지위를 확보한 산마르코는 점차 자신의 분신인 날개달린 사자에게 주도권을 내주게 되었다. 산마르코 대신 날개달린 사자가 베네치아 공화국을 대표하는 상징물로 부상한 것은 13세기부터 본격화된 해외로의 영토 팽창 때문이었다. 4차 십자군 이후 본격적인 영토 팽창의 길로 접어든 베네치아 공화국은 성스러운 이미지의 산마르코보다는 동물의 왕 사자를 활용해 베네치아의 힘을 대외적으로 과시하려고 했다. 사자는 여러모로 이런 용도에 적합했다. 이렇게 해서 15세기 날개달린 사자는 바다와 육지에 넓은 식민지를 가지고 있는 제국 베네치아를 대내외적으로 대표하는 상징이 되었던 것이다. The aim of this article is to explain the historical process of the winged Lion to become the most prominent symbol of the republic of Venice. How did the winged Lion come to represent a medieval maritime republic? This article makes effort to give a plausible answer to it. First of all, it is necessary to comprehend the inevitable relatedness between St. Mark and the winged Lion. The reason that the winged Lion became the attribute of St. Mark derives from the biblical story. The Lion was among the four living animals described in the Ezekiel and the Revelations. Since St. Jerome has assigned the Lion to St. Mark, the Lion became the symbol of Mark the evangelist. Two Venetian merchants, Buono and Rustico stole the relic of St. Mark in Alexandria and brought it to Venice by sea. This translation from Alexandria to Venice of the body of St. Mark in 828 made the Lion associated with the Venetian republic. Therefore St. Mark became the patron saint of the Venetian republic replacing St. Theodore. To show that the Venetian republic should have the just right to possess the body of St. Mark, it fabricated two episodes: the praedestinatio and the apparitio. According to the praedstinatio, an angel came down from the heaven and said to St. Mark resting at Rialto after having finished his missionary work in Aquileia: “Pax tibi, Marce, evangelista meus. Hic requiescat corpus tuum”. This angelic proclamation ordained that St. Mark should remain in Venice forever, justifying the translation of the body of St. Mark. Since the thirteenth century, St. Mark has gradually given his way to his attribute of the winged Lion as the principal symbol of the Venetian republic. The likeness of the lion was depicted more frequently than that of the St. Mark. The rise of the winged Lion had a great deal to do with the territorial expansion of the Venetian republic which had started with the fourth Crusades. The Lion, the animal king, was more suitable than the saint for Venice eager for the territorial expansion. The Lion with half of the body on land and half on water became to symbolize a Venetian empire having the stato da mar and the stato da terra in the fifteenth century.