Design, Analysis and Manufacturing of Variable Camber Morphing Wing with Deployable Scissor Structures

Abstract

A morphing wing means a wing that changes shape. In this thesis, the morphing wing that transforms camber was designed, analyzed and manufactured among various types of shape morphing wing. The camber morphing wing is designed to satisfy airfoil shapes with a constant chord length and different cambers. The target airfoil shapes were set to four digit NACA airfoil shapes, and each rib constituting the wing was designed to implement a shape independently to perform as a twist morphing wing. The rib constituting the camber morphing wing that is, the internal mechanism of the rib, was newly devised, and a deployable scissor structure capable of implementing various curvatures among the deployable structures was used for the mechanism. A mathematical model was created to make the deployable scissor structure to be applied to the internal mechanism, and the shape of the internal mechanism with deployable scissor structure is determined according to the angle set as the input parameter. This mathematical model was applied to the optimum design process, and through the process the difference between the shape made by the internal mechanism and the target airfoil shapes can be reduced, thus realizing the target airfoil shapes. Since driving force is required to deform the shape of the internal mechanism, a modeling process was performed to provide connectivity between the model composed of the deployable structure and the actuator that gives the structure a driving force. When the angle for the target shape is input to the actuator, the corresponding shape is implemented. The completed model was simulated with the multibody dynamic software Recurdyn® V9R3, and it was confirmed that the target shapes were implemented very closely. Three-dimensional modeling was performed through the above process and the analysis was conducted using multi-body dynamics software Recurdyn® V9R3. Because the structure of the camber morphing wing is deforming the shapes, the skin covering the wing must be flexible enough to be stretched according to the change in the structures shape. The designed camber morphing wing has to have different properties depending on the direction, so a composite material was applied. Through the simulation, the behavior of the skin was analyzed. The model designed based on the process was manufactured. The span was about 1.1m, the chord length was 0.5m, and the material was made of plywood. The manufactured wing consists of ten ribs, and one actuator operates for each rib. Therefore, each rib is driven independently to represent different shapes and target airfoil shapes.

형상 가변익은 형상이 변하는 날개를 의미한다. 본 학위논문에서는형상 가변익 중에서도 캠버를 변형시키는 가변익을 설계하고, 이에 적용되는 스킨을 해석하였으며, 설계 모델을 기반으로 날개를 제작하였다. 캠버 가변익은 일정한 시위선 길이를 가지고 다양한 캠버를 갖는 에어포일 형상들을 만족하도록 설계되었다. 목표 에어포일 형상들은 4자리 NACA 에어포일 형상들로 설정하였으며, 날개를 구성하는 각각 리브가 독립적으로 형상을 구현함으로써 비틀림 날개로써도 임무를 수행할 수 있도록 설계되었다. 캠버 가변익을 구성하는 리브의 구조, 즉 리브의 내부 메커니즘은 새롭게 고안되었으며, 이 메커니즘에는 전개형 구조 중 다양한 곡률을 구현할 수 있는 전개형 시저스 구조를 이용하였다. 전개형 시저스 구조를 내부 메커니즘에 적용할 수 있도록 모델링을 하기 위해 수학적 모델을 만들었으며, 이 수학적 모델은 입력 변수로 설정된 각도에 따라 형상이 결정된다. 이 수학적 모델은 최적화 설계 과정에 적용되었고 최적화 과정을 통해 내부 메커니즘이 만드는 형상과 목표 에어포일 형상들 간의 차이를 줄일 수 있게 되어, 목표 에어포일 형상들을 구현하게 된다. 내부 메커니즘의 형상을 변형시키기 위해서는 구동력이 필요하기 때문에, 전개형 구조로 구성된 모델과 구조물에 구동력을 부여하는 작동기와의 연결성을 부여하기 위한 모델링 과정을 수행하였고 작동기에 목표 형상에 대한 각도가 입력되면 그에 상응하는 형상이 구현된다. 완성된 모델을 다물체 동역학 소프트웨어 Recurdyn® V9R3으로 시뮬레이션 하였고, 목표 형상들을 매우 근사하게 구현함을 확인하였다. 캠버 모핑윙의 구조는 움직이며 형상이 달라지기 때문에, 날개를 덮는 스킨은 구조 형상 변화에 따라 늘어날 수 있을 만큼 유연해야 한다. 또한 스킨은 방향에 따라 다른 특성을 가져야 하므로 복합재를 적용하여, 이에 따른 스킨의 거동에 대해 다물체 동역학 소프트웨어 Recurdyn® V9R3를 이용하여 해석을 수행하였다. 위 과정을 토대로 설계한 모델에 대해 제작을 수행하였다. 스팬은 약 1.1m, 시위선 길이는 0.5m로, 재료는 합판을 사용하여 제작이 수행되었다. 제작된 날개는 10개의 리브로 구성되었으며, 각각의 리브마다 하나의 작동기가 작동하게 된다. 따라서 각각의 리브는 독립적으로 구동되어 서로 다른 형상을 나타낼 수 있으며, 목표 에어포일 형상들을 구현할 수 있다.