[논문 리뷰] Added costs of insect-scale flapping flight in unsteady airflows

Dmitry Kolomenskiy, Sridhar Ravi외 9명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 28.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms참고 문헌 7인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 비정상적인 기류에 의해 발생하는 신체 기울임이 곤충 크기의 날개짓 비행체에서 항공력 벡터를 재정렬하여 수직 항력 감소와 에너지 비용 증가를 유도함을 규명한다. 로봇 및 수치 모델을 사용하여 고도를 유지하기 위해 추가로 필요한 기계적 일량을 정량화하였으며, 난류 흐름에서 기울임을 상쇄하기 위해 날개짓 빈도와 스트로크 진폭을 증가시키는 보상 전략이 존재함을 보여주었고, 이는 측정 가능한 에너지 비용을 수반한다.

ABSTRACT

The aerial environment in the operating domain of small-scale natural and artificial flapping wing fliers is highly complex, unsteady and generally turbulent. Considering flapping flight in an unsteady wind environment with a periodically varying lateral velocity component, we show that body rotations experienced by flapping wing fliers result in the reorientation of the aerodynamic force vector that can render a substantial cumulative deficit in the vertical force. We derive quantitative estimates of the body roll amplitude and the related energetic requirements to maintain the weight support in free flight under such conditions. We conduct force measurements of a miniature hummingbird-inspired robotic flapper and numerical simulations of a bumblebee. In both cases, we demonstrate the loss of weight support due to body roll rotations. Using semi-restrained flight measurements, we demonstrate the increased power requirements to maintain altitude in unsteady winds, achieved by increasing the flapping frequency. Flapping fliers may increase their flapping frequency as well as the stroke amplitude to produce the required increase in aerodynamic force, both of these two types of compensatory control requiring additional energetic cost. We analyze the existing data from experiments on animals flying in von Kármán streets and find reasonable agreement with the proposed theoretical model.

연구 동기 및 목표

• 비정상적이고 시간에 따라 주기적인 바람 흐름이 소형 날개짓 비행체에서 신체 기울임을 유도하는 방식과 그로 인한 수직력 생산 감소 여부를 조사하기 위해.
• 신체 회전으로 인해 항공력 벡터가 재정렬될 경우 무게 지지를 유지하기 위한 에너지 비용을 정량화하기 위해.
• 수직력 결핍을 보완하기 위해 비행체가 사용하는 보상 비행 제어 전략(예: 날개짓 빈도 및 스트로크 진폭 증가)이 에너지 비용에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 로봇 비행체의 실험 데이터와 버드부레나비의 수치 시뮬레이션 결과를 기반으로 이론 모델을 검증하기 위해.
• 비행체가 바람개울( von Kármán wake)에서 비행하는 데 관여된 이론적 예측을 이전에 발표된 동물 비행 데이터와 비교하여 관찰된 대사율과의 일관성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 비정상적 기류 효과를 특성화하기 위해 무차원 매개변수 $Tu_w$ (날개짓 빈도에 대한 난류 강도)와 $\theta_{vk}$ (신체 기울임 각도)를 개발함.
• 소형 참새새 모양의 로봇 날개짓 비행체를 사용하여 반구속 비행 실험을 수행하여 비정상적인 바람 조건 하에서 힘과 일량을 측정함.
• 곤충 크기에서의 기울임과 힘 벡터 재정렬을 분석하기 위해 비정상적 흐름에서 땅거북이의 수치 시뮬레이션을 수행함.
• 신체 기울임 진폭과 기류 비정상성, 날개짓 빈도 사이의 이론적 관계를 유도하여 추가 기계적 일량 요구량을 추정함.
• 차원 분석과 척도 법칙을 사용하여 정적 및 동적 특성을 고려한 다양한 날개짓 비행체에 일반화된 결과를 도출함.
• 비행체가 바람개울에서 비행하는 데 관여된 이론적 예측을 이전에 발표된 동물 비행 데이터와 비교하여, 실린더 직경, 거리, 유입 속도에 따른 기울임 각도 의존성에 중점을 두고 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간에 따라 주기적인 비정상적 바람이 소형 날개짓 비행체에서 신체 기울임을 어떻게 유도하며, 이는 수직력 생산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비정상성(표현 매개변수 $Tu_w$ 및 $\theta_{vk}$로 특성화)과 그로 인한 신체 기울임 진폭 사이의 기능적 관계는 무엇인가?
• RQ3 신체 기울임으로 인해 항공력 벡터가 재정렬될 경우 고도를 유지하기 위해 추가로 필요한 기계적 일량은 무엇인가?
• RQ4 보상 제어 전략(예: 날개짓 빈도 및 스트로크 진폭 증가)이 비정상적 흐름에서 에너지 비용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이론적 예측된 기울임 각도와 일량 비용이 바람개울에서 비행하는 동물의 실험 데이터와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 비정상적 난류에서 비행하는 꿀벌에서 최대 15°, 하이크모스에서 최대 23°의 신체 기울임이 발생하며, 이는 항공력 벡터 재정렬로 인해 수직력이 명백히 감소함을 보여줌.
• 로봇 비행체 실험에서, 비정상적 바람 조건 하에서 기울임이 허용된 경우와 완전히 구속된 조건을 비교했을 때 평균 수직력이 최대 12% 감소함.
• 로봇 비행체는 비정상적 바람에서 고도를 유지하기 위해 더 높은 입력 일량을 요구하였으며, 기울임으로 인한 힘 손실을 상쇄하기 위해 날개짓 빈도가 단조롭게 증가함.
• 꿀벌의 수치 시뮬레이션 결과, 날개짓 빈도 이하의 주기적 빈도를 가진 비정상적 기류는 큰 신체 회전을 유도하여 상당한 수직력 결핍을 초래함.
• 기울임으로 인한 힘 손실을 상쇄하기 위해 필요한 추가 기계적 일량에 대한 이론적 추정치는 난류 비행 중 참새새의 대사율 증가와 일치함.
• 제안된 모델은 바람개울 실험에서 다양한 실린더 직경, 실린더와의 거리, 유입 속도에 따라 기울임 각도 변화 경향을 성공적으로 예측함.