드론의 구성(회전익, 멀티콥터 형태) 1탄

안녕하십니까~~~

 

오늘은 드론의 구성 1탄 "회전익과 멀티콥터의 형태"에 대해서 파악하는 시간을 갖도록 하겠습니다.

 

서론

일반인 가장 많이 사용하고 있는 드론은 회전익 항공기인 헬리콥터의 형태를 띠고 있다. 따라서 헬리콥터의 구성, 장치 등을 통해 드론의 구성, 장치 등을 파악하는 것이 좋다.

 

1. 회전익(헬리콥터)의 구성

대부분의 헬리콥터는 크기나 형태와 관계없이 크게 보면 로터, 동체, 동력장치, 꼬리 부분 등 4가지로 구성된다.

 

첫째, 로터는 헬리콥터의 상승과 전진을 하는데 필요한 공기력을 발생시키는 장치를 말한다. 2장 이상의 블레이드로 구성돼 있으며 많은 경우 8장 이장의 블레이드를 갖춘 로터도 있다.

 

첫째, 로터의 블레이드가 많으면 진동과 소음이 줄어들지만 블레이드의 무게가 무거워지는 단점이 있다. 초기에는 합판이나 목재, 알루미늄 합금 등을 사용해 로터를 제작했다. 하지만 현재는 허니컴구조에 알루미늄 합금판으로 외피를 씌워서 제작하거나 복합재료를 사용함으로써 중량을 줄이고 있다. 블레이드의 단면은 에어포일이며 최근에는 챔버가 있는 에어포일을 사용해 효율을 높이고 있다. 모든 로터는 중앙 부분에서 끝 부분으로 갈수록 블레이드 각이 작아지도록 비틀려 있다. 각각의 로터 블레이드는 로터 중앙 부분의 허브에서 구동축과 연결된다.

 

둘째, 동체는 객실과 꼬리부분을 연결하는 형태를 기본으로 연료통과 엔진을 장착하는 부분 등으로 구성돼 있다. 전체 형태는 전진비행에서 최소 항력을 받도록 설계한다.

 

객실의 바닥은 착륙할 때 충격이 오거나 아랫부분이 찌그러지더라도 탑승자에 위험이 되지 않도록 이중구조로 돼 있다. 관측이나 정찰에 사용되는 헬리콥터는 객실 벽까지도 투명 플라스틱으로 만들어 탑승자의 시계를 넓혀준다. 소형 저속 헬리콥터의 경우에는 객실과 꼬리 부문을 연결하는 구조가 트러스로 되어 있기도 하다.

 

셋째, 동력장치는 엔진과 동력 전달 기어로 구성돼 있다. 초기에는 왕복 구동 기관을 사용했지만 현재는 대부분 터보 축 엔진을 사용한다. 엔진에서 얻어진 동력은 약 10 : 1 정도의 감속기어와 클러치를 통해 로터 허브와 연결된다. 엔진 동력의 일부는 별도의 감속기어를 통해 꼬리 로터를 구동하기 위해 뒤로 전달된다.

 

엔진의 회전수가 어떤 값 이상일 때만 그 원심력으로 클러치가 연결돼 로터가 구동된다. 이런 원리 때문에 비행 중에 엔진이 정지되더라도 자동적으로 엔진의 축과 로터가 분리돼 로터는 자동 회전해 서서히 하강할 수 있다. 자동 회전은 로터 축에 토크가 작용하지 않은 상태에서도 일정한 회전수를 유지하는 것을 말한다. 바람을 받아 회전하면서 발전기를 돌리는 풍차의 운전조건과 같다.

 

넷째, 꼬리 부분은 꼬리 로터와 수평 안전판으로 구성돼 있다. 꼬리 로터는 주로터에 토크를 줄 때 반작용에 의해 기체에 작용하는 토크를 상쇄한다. 수평 안전판은 전진 행에서 피치 트림을 잡고 안정성을 확보한다.

 

꼬리 로터에서 내는 추력과 무게 중심에서 꼬리 로터까지의 거리를 곱하면 주로터에 공급되는 토크와 같다. 헬리콥터를 위에서 봐 로터의 회전이 반시계 방향인 경우는 꼬리 로터의 추력이 오른쪽으로 향한다. 꼬리 로터의 추력에 의 모멘트와 주 로터 토크가 일치하지 않으면 요 운동이 발생한다.

 

2. 회전익 조종계 장치

헬리콥터의 조종계 장치는 콜렉티브, 싸이클릭, 안티 토크, 스로틀 등이 있다.

 

첫째, 콜렉티브는 콜렉티브 피치 컨트롤을 위로 잡아당기면 양력이 증가하고 아래로 내리면 양력이 줄어드는 원리로 헬리콥터를 조정한다.

 

둘째, 싸이클릭은 헬리콥터를 전후좌우로 기울이는 역할을 한다. 싸이클릭 조종간을 앞으로 밀면 헬리콥터의 머리가 숙여지고 이 상태에서 출력을 높이면 고도를 유지한 채 전진 비행이 이행된다.

 

셋째, 안티 토크는 안티 토크 페달로 기수 방향을 결정한 때 사용한다.

 

넷째, 스로틀은 안쪽으로 돌리면 회전 속도가 회전 속도가 감소하고 바깥쪽으로 돌리면 회전 속도가 증가한다.

 

3. 멀티콥터(드론)의 구성

드론의 구성을 분류하는 것은 다양하다. 일부 전문가는 단순히 하드웨어와 소프트웨어로 구분하는데 비행체, 지상통제소, 페이로드, 데이터링크 등으로 분류하는 것이 합리적이라고 판단된다.

 

첫째, 비행체의 구성요소는 추진장치, 연료장치, 전기장치, 항법전자장치, 통신장비 등이 있다.

 

둘째, 지상통제소는 임무계획 수립과 비행체 및 임무 탑재체의 조종 명령, 통제, 영상 및 데이터의 수신 등 드론의 운용을 위한 주 통제장치를 갖춘 설비를 말한다.

 

셋째, 페이로드는 드론의 사용 목적에 맞게 비행체에 탑재되는 카메라, 재머, 무기, 농약통, 등을 포함한다. 페이로드는 항공기에 화물을 실을 때 요금을 지불한다는 개념에서 출발했지만 현재는 항공기에 탑재하는 화물뿐만 아니라 각종 임무용 장비까지 포함한다.

 

재머와 각종 무기는 군사용 드론에 탑재하는 페이로드이다. 재머는 드론이나 항공기가 미사일 공격을 받을 경우 미사일의 추적을 교란할 수 있는 장치를 말한다.

 

넷째, 데이터링크는 비행체 상태의 정보, 비행체의 조정통제, 임무 탑재체가 획득 수행한 정보 등의 전달에 요구되는 비행체와 지상 간의 무선통신 요소를 말한다.

 

4. 드론의 엔진(모터)

민수용 드론에 사용하는 엔진은 전기엔진과 내연기관이 있다. 전기엔진은 소음이 적고 이산화탄소를 배출하지 않아 친환경적이다. 배터리의 충전이 쉽지만 무게로 인해 항속거리나 운항시간이 짧아진다는 단점이 있다. 배터리의 용량에 따라 항속거리가 정해지기 때문이다.

 

반면 내연기관은 연료효율이 높은 화석연료를 사용하기 때문에 항속거리가 길어지지만 소음이 심하고 환경오염을 발생시킨다. 보조연료 탱크를 부착할 경우 항속거리를 쉽게 늘릴 수 있다. 하이브리드 엔진은 양자의 장점을 선택할 수 있다. 조용한 운용이 필요한 장소에서 이착륙할 때는 소음을 줄이기 위해 전기엔진을 사용하고 공중에서 이동할 때는 출력을 높이기 위해 내연기관을 사용한다.

 

5. 드론의 센서장치

드론은 조종사가 탑승하지 않고 무선으로 조정되기 때문에 다양한 센서장치가 필수적으로 요구된다. 드론의 센서장치는 자이로센서, 짐벌, 지자기 센서, 가속도 센서, 기압 센서, 항법을 위한 센서 등이 있다.

 

첫째, 자이로센서는 지표면을 중심으로 기울기, 가속도 등을 측정할 수 있는 센서이다. 대부분의 드론에 탑재되는 자이로 센서는 3축 가속도, 3축 각속도를 파악해 현재 위치를 파악하도록 한다. 자이로 센서는 기체의 수평을 유지해주는 핵심적인 부품으로 기체가 기울어지는 것을 막아준다.

 

둘째, 짐벌은 물체의 기본 틀이 기울어져도 균형을 유지해 주는 장치를 말한다. 하나의 축을 중심으로 물체가 회전할 수 있는 구조물이다. 짐벌은 가로축(Pitching), 세로축(Rolling), 수직축(Yawing) 등 3축으로 구성된다. 드론은 3가지 축의 움직임에도 불구하고 항상 균형을 잡아야 한다. 자이로스코프를 사용해 짐벌은 카메라나 센서가 로터와 별개로 안정되도록 한다. 사용자가 사진을 찍거나 비디오를 촬영할 때 유용하다.

 

짐벌은 드론 몸체의 균형을 유지해 주기 때문에 부착된 카메라가 떨림 현상 없이 영상을 촬영하도록 만드는 핵심 장치이다. 촬영의 경우 드론의 수평상태 이러한 기능을 수행한다고 볼 수 있다.

 

셋째, 지자기 센서는 비행기나 선박이 진행 방향을 인식할 수 있도록 지자기를 측정한다. 지자기는 지구 상에 존재하는 자기장으로 나침반의 바늘이 항상 북쪽을 가리키는 것도 지구자기장 때문이다. 비행기나 선박이 진행방향을 인식할 수 있는 것도 지자기를 측정하는 센서가 내장돼 있기 때문이다. 지자기 센서를 활용해 자신의 방향과 위치를 정확하게 파악할 수 있다.

 

넷째, 가속도 센서는 중력 가속도를 측정하는 장치이다.

 

다섯째, 기압 센서는 고도를 측정하는 장치이다.

 

여섯째, 항법을 위한 센서는 GPS(Global Positioning System), INS(inertial Navigation System), ADS(Automatic Dependent Survellance) 등이 있다.

 

오늘은 회전익 비행체와 무인 멀티콥터의 구성에 관하여 얼마나 비슷한지, 그리고 조종사로서 필요한 기본 소양에 대해서 알아보는 시간을 가졌습니다. 위 5가지 항목은 초경량 비행장치 조종사가 아니라도 항공분야에 다니시는 분들이라면 알아야 하는 기본적인 지식입니다. 

 

오늘도 긴 글 읽어주셔서 감사합니다. 다음에는 2탄인 "드론에 적용되는 기술"에 대해서 알아보도록 하겠습니다.