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Slar Powered UAV 날개 재료 제안서

Solar Powered UAV 날개 재료 제안서공학재료 거동학김영주 교수님Ⅰ 서론영화 “인터스텔라”속 드론 영화들, 특히 가상의 미래를 다루는 SF영화들은 미래의 과학이 발달하는 데 무시하지 못할 만한 영감을 주고는 한다. 2001 스페이스오디세이에서 인간의 생각을 뛰어넘어 자신에게 위협이 된다고 판단되는 인간을 해치는 AI(HAL 9000)이 있었다. 1968년도에 영화에서 처음 등장한 인공지능(AI)의 존재는 2016년에 바둑에서만큼은 인간이 직감이 컴퓨터의 계산보다 절대적으로 유리할 것이라는 예상을 뒤엎는다. 바둑 AI 알파고는 이세돌 9단을 4:1로 꺾으며 인공지능에게 인간의 설 자리를 빼앗기지 않을까 하는 우려가 현실이 되어간다.이번 보고서에서 눈여겨 본 영화의 소재는 바로 인터스텔라(Interstellar)의 태양열을 사용한 무인비행기(Unmanned Aerial Vehicle, 이하 UAV)이다. 개봉 당시에는 드론(Drone, 이하 드론)이라는 것조차도 모르는 사람이 많았지만 현재에는 기업들도 눈여겨보고 있는 기술이고 개인용 장난감, 택배를 나르는 목적, 고공 촬영을 위한 도구 등으로 많이 알려지기 시작했다. 특히 Google사에서는 Solar Powered UAV를 사용하여 전 세계에 5G 고속 인터넷 망을 제공하는 프로젝트인 Skybender를 통해 태양열 무인비행기를 개발 중이다.드론은 군사적 용도로 사용되기 위해 처음 등장하였다. 제1차 세계대전 당시 취미용으로 사용되던 원격조정 항공기(RPV)를 군사용으로 사용할 것을 검토했으며 제2차 세계대전과 베트남 전쟁을 거쳐 더욱 발전하게 된다. 영화에 나온 인도의 감시용 드론은 설정 상 10년 동안이나 스스로 날았다고 이야기한다. 특히 놀라운 점은 단지 태양열을 이용한 발전만으로도 반-영구적인 비행이 가능하다는 것이다.이번 보고서에서는 한 이스라엘 대학에서 개발한 상공을 날아다니는 태양열 무인비행기 예시를 가지고 구조를 가진 드론의 날개의 어떤 기계공학적 Design Decision이 적용되었걸리는 하중으로 인하여 지나친 Strain이 발생할 경우 태양전지와 날개와의 접착 면에 불량이 발생할 가능성이 있으므로, 무게에만 지나치게 치우쳐 강도가 낮은 재료를 사용해서는 안 될 것이다. 태양전지에 따른 무게의 증가가 효율의 감소로 이어질 수 있다고 생각할 수도 있지만 따로 연료와 엔진을 싣지 않아도 된다는 점과, 전기를 이용한다는 점 등의 이점으로 반-영구 무인 항공기는 실현 가능성이 있을 것으로 보인다.ⅱ) required function and properties이 보고서에서 제작된 UAV의 최저 속도는 50kph(km/hour)와 최대 고도는 500ft, 5kg를 최대 중량으로 설계되었다. 또한 윗면의 넓이는 1.5m^{ 2} 이내여야 하고, 동력은 오직 PV cell과 Electronic motor만 사용한다. 또한 commercial solar cells의 효율은 여전히 낮기 때문에, 높은 종횡비를 가지고 Drag force에 비해 양력을 많이 받도록 설계되어져야 한다.다음은 디자인된 plane의 기본 specification이다. 보고서의 계산에 의하면 7.5m/s로 비행하기 위한 최소의 파워는 40W이고 최고 속도에서의 필요한 파워는 70W이다. 총 복사량과 태양선 효율은 80[W]이 필요할 것으로 보이지만 실제로 solar cell에 의해 한계가 있다.넓은 날개의 단면에서의 태양전지는 특히 공기역학적으로 그리고 Stability와 control에 영향을 미친다. 이러한 태양전지의 영향과 움직임을 최소화하기 위해서 날개는 최대한 rigid하게 디자인되어야 한다. 이러한 힘과 모멘트의 분포는 16m/s에서 3g load factor하에서 아래 그림과 같다. 계산 결과 max하중은 단면의 끝 부분(root)과 날개 끝에서 걸린다는 것을 확인할 수 있다.계산은 1.2의 Safety Factor를 사용해서 구한 결과 값이다. 비행기 날개의 하중은 총 무게 * 3.5 * 총 양력 이 걸린다. 실험을 통하여 일반 비행 조건에서는 비록 비행기날개의 탄성로 나타내면 다음과 같다.Mechanical PropertyResistanceManufacturingSpecificationStrengthDuctilityToughnessDensityThermalChemicalDeformableWeld abilityMaterialⅲ) Identify one or two current materials이 UAV의 날개는 다음과 같은 재료로 만들어진다. 모든 부품들은 MDF(medium density fiberboard) 과정으로 만들어졌다. 여러 각도(0, 45, 90)에서 하중을 모두 견디게 하기 위해 두 개의 carbon layer와 carbon stringer를 입히고(CNC가공 컴퓨터 사용으로 매우 정밀한 가공이 가능) 겉은 나일론으로 입힌다.질량을 줄이기 위해 그리고 태양전지와 쉽게 연결하기 위해서 빈 공간에 내부 지지대를 연결한다. 그 위에 합판인 Carbon Balsa-Carbon laminate를 사용하여 강도를 향상시켰다.(무게에 비해서 매우 강도와 강성이 좋다. 높은 Shear-Stress와 장력 응력을 견딜 수 있다.) 또한 이 발사 섬유들은 span에 수직으로 구성되어 있다. Beam Flanges 은 elasticity와 strength를 bending에서 늘리기 위해 3 가지 방향으로 구성되어 있다.MDFSteelAluminumDensity0.75g/cm ^{3}7.64g/cm ^{3}2.7g/cm ^{3}Young's Modulus4GPa200GPa70GPaShear Modulus2.5GPaThermal Expansion12mu m/mK16.7mu m/mK23.6mu m/mKUTS18MPa460Mpa76-140MpaMDF를 전형적인 engineer material인 steel과 aluminum으로 비교해봤다. 연료 효율을 위한 기준인 Density와 강성(Stiffness)의 기준으로는 Young's Modulus와 UTS, 태양열을 계속 받는다는 측면에서 Thermal Expansion을 기준으로 잡sium alloy, MDF, Carbon Fiber 네 가지 소재를 앞서 보았던 Table을 사용하여 Decision Making하고자 한다. Rating은 MDE를 기준으로 그보다 더 나은 성질은 갖은 경우에는 +1 열등한 성질을 가질 경우에는 -1 으로 한다.위 표를 기반으로 Decision making해보면, 기존의 재료인 MDF를 0을 기준으로 Al Alloys는 +4점, Mg Alloy는 +2, Carbon Fiber는 +1 이므로 Mg Alloy와 Al Alloy 모두 가능성을 둘 수 있다. Mg의 경우 Mg 자체는 무척이나 화학적인 특성이 좋지 않아(Flammable) 안전성에 우려가 있다는 점에서 Al Alloy가 더 높은 평가를 받았다. 하지만 이번 주제에서는 재료의 경량화가 중요시 되므로 이러한 단점만 제조 공정, 혹은 합금의 이점을 사용하여 극복이 된다면 Mg Alloy는 좋은 선택이 될 것이다. Mg Alloy는 Al Alloy에 비해 2/3의 무게밖에 나가지 않고 철, 알류미늄에 이어 지구 상에 3번째로 많이 존재하는 금속이므로 이번 보고서 Mg Alloy를 기존의 material을 대체할 candidate로 선정하기로 하였다.그럼 이제 마그네슘의 Structrue와 property를 먼저 알아보고, 이후에 마그네슘이 갖는 단점을 보안해줄 Mg Alloy의 특성을 알아보도록 하겠다. 날개와 같은 구조물은 충분한 Elastic Modulus를 사용하여 하중을 받았을 경우에도 탄성변형만 일어나도록 설계해야한다. 그러므로 소성 변형이 시작되는 응력, 즉 항복(Yielding)현상이 나타나는 응력을 알아야 한다. 이는 Mg의 Structure를 확인해봄으로써 소성변형능력을 설명할 수 있다.Mg의 기본적인 격자구조는 HCP(Hexagonal Closed Packed Structure)이다. 일반적인 Engineering Material인 Fe와 Al, Cu등은 FCC구조로 12개의 슬립계를 갖는 것에 반해, HCP는 3개의 슬립계(Slip sy더욱 강화하고자 한다. 기본적으로 합금은 불순물이 없는 금속보다 강하다. Solid Solution에 들어가는 Impurity는 주변의 원소에 격자변형률(lattice Strain)을 주어 격자변형장(Force)을 생성한다. 이는 전위(dislocation)의 움직임을 제한한다. 금속이 plastic deformation 되는 능력은 dislocation moventy에 달려있고, 강도와 경도는 소성 변형이 얼마나 쉽게 일어날 수 있느냐와 연관되어 있기 때문에, solid-solution alloy을 사용함으로써 전위의 유동성을 줄이게 되면 기계적인 강도는 향상된다는 점을 이용하는 것이다. 즉 dislocation을 제한하거나 막으면 금속은 딱딱해지고 강해진다.이를 도식적으로 살펴보면 다음과 같다. Mg의 원자는 Cation이므로 silicon이나 다른 첨가물을 넣었을 때 두 가지의 현상이 발생할 수 있다. 그림의 위쪽은 Mg보다 r(radius)가 작은 impurity를 첨가하였을 때 나타나는 현상이다. 더 작은 물로인해 빈 공간을 주변의 원자들이 모여들어 dislocation의 움직임을 방해하는 것이다. 오른쪽 위의 그림을 보면, dislocation이 남은 빈 공간에 채워져 움직임이 방해되는 것을 확인할 수 있다. 아래 그림은 Mg보다 더 큰 impurity가 첨가되었을 때 상황을 도식화 한 그림이다. 이 경우에는 더 첨가물에 의해 생겨난 빈 공간에 dislocation이 존재하게 되어 움직임이 방해되는 것을 설명하는 그림이다.원소목적Al기계적 성질 개선Mn내식성의 개선(Fe, Cu Ni함유량을 낮춤)Ag내열 강도의 개선Zr결정립을 작게 한다SiCreep 강도의 개선마지막으로 합금의 사용을 통하여 Corrosion resistance의 향상을 기대할 수 있다. 다음 표는 Mg의 합금원소에 첨가에 따른 영향을 나타낸 표이다.일반적으로 순 마그네슘은 부식성 등의 문제로 pure metal로 사용되기에는 적합하지 못하다. 이를 보안하기 위해 Mg에 여러 가지 다.

공학/기술| 2016.05.18| 10페이지| 2,000원| 조회(161)

UAV, 공학재료, 무인비행기, 재료 제안서

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