현대적인 항공기가 개발되고 무인항공기(UAV)가 주류 배송 로봇이 되거나 심지어 에어택시의 미래가 현실화될 가능성이 높아지면서 날개나 회전 프로펠러에 대한 돌풍 역학의 영향을 고려하는 것은 장기적인 성공에 매우 중요합니다. 미국 공군연구소(AFRL)의 엔지니어인 Michael Mongin은 데이턴 대학교(UD)의 대학원생들과 함께 dSPACE MicroLabBox를 사용하여 더 차분한 비행의 비밀을 밝히기 위한 실험을 진행하고 있습니다.
AFRL이 데이턴 대학교에 자금을 지원하는 연구는 돌풍을 받는 날개를 둘러싼 유동장의 물리적 현상을 이해하는 것을 목표로 합니다. AFRL과 UD는 돌풍이 날개와 상호작용할 때 특정 움직임이나 역학이 존재하는 이유를 직접 물리학적으로 풀 수 있는 방식으로 유동장의 변화를 이해하고자 합니다. 이를 자연스럽게 이해하면, 돌풍을 뚫고 비행할 수 있는 컨트롤러를 설계하는 데 해당 정보를 사용할 수 있습니다.

유동장 이해

Mongin은 “우리는 역학을 더 깊이 이해하고 향후 이를 어떻게 활용할 수 있을지 고심하고 있습니다. 우리는 현재 수집하고 있는 정보를 사용하여 다양한 크기의 충돌을 뚫고 비행할 수 있는 컨트롤러를 설계합니다. 우리는 돌풍에 대한 매우 높은 와류 돌풍 제거율과 높은 완화율을 입증할 수 있는 컨트롤러를 확보하는 데 가까워지고 있습니다. 상당한 영향을 미칠 수 있는 만큼 우리는 충분한 이해를 갖춘 분야에 접근하고 있습니다.”라고 말했습니다. 이것은 2020년에 한 연구소에서 아이디어로 시작되었습니다. Mongin과 UD 연구소는 dSPACE MicroLabBox를 사용하여 돌풍 생성기를 제작하고 돌풍을 유도할 수 있었습니다. 폐쇄 루프 제어를 사용하여 정해진 움직임이 날개에 미치는 물리적 영향을 연구하기 위한 실험에서였습니다. Mongin은 “유동장을 살펴보고 물리적 현상을 연구해야 했는데, MicroLabBox는 우리에게 좋은 수단이었습니다. 매우 친숙한 프로그래밍 아키텍처인 Simulink®를 통해 실험실에 필요한 컨트롤러와 제어 구조를 작성하고 개발할 수 있었기 때문입니다. 바로 투입하여 연결하고 실험을 진행할 수 있었습니다. 실험을 시작하고, 진행하고, 수정하고, 빠르게 구현하는 것이 매우 간단합니다.”라고 말했습니다.

실험: 불안정한 공기역학 제어

학생들은 돌풍 생성기가 시간에 따라 작동하도록 프로필을 설계하여 와류 돌풍을 생성할 수 있습니다. 이 와류 돌풍은 전단 구배가 높아 하류 테스트 대상에 복잡한 문제가 발생합니다. 테스트 대상(날개)의 역할은 컨트롤러와 함께 양력의 변화를 감지하는 것입니다. 이에 따라 날개는 방향을 조정하여 이러한 변화에 대응하고 목표한 양력 값을 유지하려고 합니다. 학생들은 무양력을 유지하거나 완전히 정적인 양력 프로필을 유지하도록 지시할 수 있습니다.

“돌풍이 날개에 부딪히면 날개가 아래쪽으로 기울고 충돌 내내 이러한 제로 포스를 유지하려고 합니다. 학생들이 비행 조건에 상응하는 양력을 유지하려면 0.5 Cl을 목표로 할 수 있습니다. 이는 업계에서 일반적인 순항 조건으로 비행 중인 날개에 있는 양력을 유지하는 것을 의미합니다.”라고 Mongin은 설명했습니다.

따라서 돌풍이 날개에 부딪히면 날개의 양력이 증가합니다. 돌풍이 날개에 부딪히면 날개의 센서가 변화를 감지하고, 컨트롤러가 설계된 대로 날개가 고정된 상태를 유지하는 대신 아래쪽으로 기웁니다. 돌풍에 부딪히는 동안 양력은 동일하게 유지되지만 방향은 유지되는 대신 폐쇄 루프 PID 제어를 통해 피치 방향을 자유롭게 변경하여 그 효과를 완화할 수 있습니다.

MicroLabBox, 실험 설정의 원동력

“MicroLabBox가 실험실에 도입되기 전에는 이를 사용하여 컨트롤러를 설계하기 전에 연구원들이 윙 피치에 대한 개방 루프 프로필을 만들어야 했습니다. 완벽한 모델을 갖추고 정해된 프로필을 실행한 다음 사후 분석을 통해 얼마나 효과적으로 완화되었는지 확인해야 했습니다. 이제 “이 정도의 양력을 목표로 삼는다”라고 말하면 컨트롤러가 루프에서 수정하여 원하는 완화에 도달할 수 있습니다. 이렇게 하는 것이 반복하거나 컨트롤러를 개발하는 것보다 더 빠릅니다. 이는 차량에서도 이상적으로 작동하는 방식입니다. MicroLabBox는 말 그대로 실험 설정의 다양한 요소를 모두 구동하며, 이를 쉽게 수행할 수 있습니다. MicroLabBox는 우리가 하고 있는 일에 대한 확장성이 매우 뛰어나 이를 통해 훨씬 더 많은 일을 할 수 있습니다. 현대적인 컨트롤러 개발과 실험실 환경에서의 일반적인 사용에 매우 좋습니다.”

Mongin은 MicroLabBox가 여러 가지 이유로 매우 효과적인 툴이라고 말했습니다. 그는 실험 중에 정확한 타이밍으로 고속 카메라를 작동시키는 데 있어 이 장치의 유용성을 강조했습니다. 이어서 그는 MicroLabBox를 사용하면 아무런 걱정 없이 특정 순간을 포착할 수 있다고 덧붙였습니다. MicroLabBox의 타이밍에 대한 안정성과 인상적인 입출력 기능이 강조되어 공기역학 시설에서 선호되는 선택이 되었습니다.

미래의 항공기 설계 연구

이러한 실험의 결과는 향후 항공기 설계의 발전으로 이어질 수 있습니다. 결정적으로, UAV와 같은 비상업적 플랫폼은 제한된 비행 조건에서만 사용할 수 있습니다. 돌풍이나 강풍이 불면 UAV가 이러한 조건을 뚫고 비행할 수 있는 능력이 제한되기 때문입니다. 이러한 제한조건들이 확장될 수 있다면 여객 항공 교통에도 큰 도움이 될 것입니다. Mongin은 이렇게 말했습니다. “앞으로 이를 상용 플랫폼에서 구현할 수 있습니다. 돌풍을 완화하는 방법을 알아낼 수 있다면 승객의 편안함이 높아질 수 있습니다. 또는 돌풍이 불거나 폭풍우가 치는 조건에서도 항공기가 이착륙할 수 있도록 기능을 확장할 수 있습니다.”

현재 AFRL과 데이턴 대학교는 더 많은 실험을 검토하고 있습니다. 예를 들어, 날개에 양력이 발생하면 로드 셀을 사용하여 그 힘을 직접 측정할 수 있습니다. 비행기에는 분명히 존재하지 않습니다. 비행기는 날개에 정확한 양력을 제공하기 위한 힘 센서가 날개 뿌리에 장착되어 있지 않습니다. 연구원들이 하려고 하는 것은 날개에 압력 센서와 기타 유형의 센서를 구현하여 무슨 일이 일어나고 있는지에 대한 충분한 정보를 제공한 다음 날개에 직접 적용할 수 있는 이러한 제어 루프를 작성하는 것입니다. 이는 향후 소형 또는 대형 비행기의 돌풍 후 움직임을 줄일 수 있는 컨트롤러가 될 것입니다.

데이턴 대학교 제공
dSPACE MAGAZINE, 2024년 3월 발행