무인항공기와 드론의 비행원리 2탄

무인항공기와 드론의 비행원리

안녕하세요~ IT_채포티지입니다.

오늘은 지난번 무인항공기와 드론의 비행원리 1탄에 이어 2탄을 이어나가도록 하겠습니다. 1탄에서는 무인항공기와 드론의 정의부터 시작하여 4. 헥사 / 옥토콥터형까지 설명드렸으며, 오늘은 특수형태 무인항공기부터 현재 군에서 운영하려고 시도하는 틸트로터 등 새로운 형태의 무인항공기 원리에 대해서 설명드리는 시간을 갖도록 하겠습니다.

1. 테일시터 형태의 드론

고정익 무인기는 좁은 공간에서 이착륙을 하거나 정점 체공이 요구되는 임무에는 적용이 곤란하여 회전익 무인기가 대신 사용되지만 최근에는 고정익과 회전익의 장점을 결합한 테일시터 방식의 무인기도 개발되고 있다.

 

테일시터 방식 무인기는 1950~60년대 미국에서 활발히 연구되었는데, 이착륙 시에는 프로펠러나 제트엔진으로 수직 이착륙을 하고 수직비행 중 수평방향으로 천이함으로써 일반 고정익기와 같이 고속, 고효율의 수평비행이 가능한 장점이 있다.

 

테일시터 방식의 유인기는 이미 개발되어 비행 실험까지 성공적으로 수행하였으나, 이착륙 간 수직방향 비행 모드가 불안정하고 시계가 제한되어 조종사의 작업량이 매우 높은 단점이 있어 실용화되지는 않았다. 하지만 이 같은 문제점은 무인항공기에서는 커다란 문제가 되지 않아 무인기로서의 테일시터는 전망이 매우 밝은 편이다. 하지만 기체가 수직 수평방향으로 천이할 때 발생하는 항법시스템의 문제, 특히 자세추정 및 GNSS 신호의 수신문제를 해결해야 하고 수평, 수직, 천이 모드의 전영역에서 안정적으로 동작하는 제어기의 설계에 주의가 따르며, 수직비행 시 측풍의 영향을 많이 받는다는 점은 앞으로 해결해야 할 사안이다.

2. 틸트로터 형태의 무인항공기

헬리콥터의 가장 큰 단점 중의 하나는 최고속도가 일반적으로 200 미만으로 고정익기에 비해 매우 느리다는 점이다. 그 이유는 헬리콥터의 전진 비행 시 전진하는 블레이드의 기속이 로터의 회전속도와 기체의 전진속도의 합이 되어 음속에 가까워질 경우 급속히 항력이 증가하여 로터의 추력이 크게 감소하는 문제 때문인데 이를 극복하기 위해 수직 이착륙 시에는 로터를 수직방향으로 향하여 상승력을 얻고 순항 시에는 로터를 수평방향으로 기울여 전진방향 추력을 얻는 틸트 윙, 틸트로터 방식의 항공기가 1950~60년대에 개발되었다.

 

이 같은 형태의 무인기로는 틸트로터 형태인 벨사의 이글아이와 우리나라 항공우주연구원의 스마트 무인기가 있다. 이들 무인기는 로터의 각도에 따라 비행 동역학적 특성이 변화하여 수평모드와 수직모드에서의 응답성은 전혀 다르므로 전 영역에서 기체를 안정적으로 제어할 수 있는 비행제어시스템의 설계가 매우 중요하다. 틸트로터기는 고정익 항공기의 고속 순항능력과 회전익 항공기의 수직이착륙 능력을 모두 갖추어 비행능력이 뛰어나다는 장점이 있으나 복잡한 구조로 인해 조종 및 운용이 다소 복잡하고 기체의 제작비가 높은 단점이 있다.

3. 덕티드팬 형태의 드론

회전익 무인기 중에는 덕티드팬 방식도 있는데, 로터가 덕트 안에 위치하여 회전하면서 날개 끝 와류 / 익단와류 손실이 줄어 추력 및 로터 효율이 증가하며 로터가 외부 환경에서 보호되므로 시가지와 같은 환경에서 운용이 가능하다. 로터를 감싸는 덕트가 익형으로 제작되면 전진 비행 시 부가적인 양력을 얻을 수 있다는 장점도 있다.

 

하지만 헬리콥터 로터에 비해 디스크 면적이 작아 동일한 추력을 얻으려면 훨씬 빠른 속도로 로터가 회전하여야 하므로 에너지 손실이 많고 소음이 매우 심하다는 단점이 있다. 덕티드팬 형태 기체는 로터의 다운 워시에 설치된 베인의 방향을 조절함으로써 롤, 피치, 요 방향의 자세제어가 가능하게 된다.

4. 초소형 무인비행체

초소형 무인기는 정의에 다소 차이가 있으나 30cm 미만의 날개를 갖는 무인기를 지칭한다. 최근에는 아직 실용성은 거의 없으나 수 센티미터 또는 그 이하의 초소형 무인항공기도 연구되고 있다.

 

항공기가 작아질수록 휴대가 간편하고 은닉성도 좋아지지만 해결해야 할 문제점도 많다. 기체가 작아질수록 레이놀즈 수가 작아지면서 기체의 공기역학적 특성이 대형 항공기와는 많이 달라지고 날개 및 프로펠러의 효율이 감소하며 탑재할 수 있는 연료나 전원의 양도 감소하여 비행시간이 많아야 몇십 분 정도로 감소하게 된다.

 

또한 작아진 기체에 탑재 가능한 초소형 센서, 컴퓨터, 통신 및 임무장비도 같이 개발되어야 한다. 최근 비약적으로 발전하는 전자기술에 따라 컴퓨터나 센서는 소형화가 가능하나 모든 시스템이 성능의 저하 없이 다 작아질 수 있는 것은 아니다. 대형 단안렌즈를 장착한 카메라와 핸드폰 카메라의 성능에 확연한 차이가 있는 것처럼 광학장비나 안테나 같이 외부의 신호를 받아서 동작하는 장비의 경우 신호를 받는 부분, 즉 렌즈의 구경이나 안테나의 면적 등은 센서의 성능에 직결되는 부분이라서 작아질 경우 그 성능이 크게 저하된다. 항법센서의 경우에도 최근 우수한 성능의 MEMS 기반 센서들도 많이 개발되어 소형 무인기의 개발에 큰 도움이 되고 있으나 대형, 고가 항법센서보다는 정밀도가 떨어진다. 특히 항공기가 작아질수록 위치센서의 정밀도는 오히려 높아야 하는데 실제 얻을 수 있는 센서 정밀도는 오히려 떨어지므로 소형 무인기의 제어에는 많은 어려움이 따른다. 예컨대 대형 여객기에서 Im 위치 측정오차는 상대적으로 큰 문제가 되지 않으나 소형 무인기의 경우 1m의 오차는 자신의 날개폭보다도 더 큰 상황이 되어 정밀한 비행제어에 어려움이 생긴다.

5. 날개짓 무인비행체

위에서 언급한 고정익 방식의 초소형 무인기는 날개폭이 작아질수록 효율이 떨어지며, 이는 회전익 방식의 초소형 무인기도 마찬가지이다. 학자들은 이를 해결하고자 노력하던 중 자연계에서 좋은 실례를 찾았는데, 새나 벌레와 같이 작은 날개로도 충분한 양력 및 조종력을 얻는 방식에 주목하였다.

 

항공기 개발 초기에는 충분한 공기역학적 이해 없이 새처럼 날개를 퍼덕거림으로써 비행하려는, 모두 실패로 끝난 시도들이 많았는데 오늘날에는 날갯짓에 숨겨진 공기역학적 현상의 규명에 많은 연구가 진행되고 있다. 지금까지 알려진 바로는 날개가 작고 기속도 느린 경우에는 고정된 날개 주변에 흐르는 정상 유동에 의해 양력을 발생시키는 것보다 날갯짓하면서 생기는 와류를 이용하면 더 많은 양력을 얻을 수 있다고 한다.

 

이처럼 자연계의 동물 또는 식물의 형상이나 움직임을 흉내 내어 이를 공학적으로 구현하는 연구 분야를 생체모방학이라고 한다. 새의 경우 속이 빈 경량의 골격과 최첨단 기술로도 제작이 불가능한 깃털로 덮인 날개를 활용해 매우 높은 효율의 비행이 가능하다.

 

여기에는 미치지 못하지만 고성능 배터리와 모터를 이용해 양력 발생이 가능한 기구들이 개발되고 있으며, 최근에는 모터의 회전운동을 왕복운동으로 바꾸는 기구를 사용하는 대신 새의 날개근육과 같이 수축이 가능한 인공근육의 연구도 진행되고 있다. 지금까지 개발된 날갯짓 무인기는 고정익 항공기에 비해 효율이나 속도 등 모든 면에서 열세지만 멀리서 볼 경우 실제 새와 유사하게 보여 정찰기로서 사용될 경우 은닉성에 있어 상당히 우수한 점이 있다. 앞으로 실제 새와 같이 날개를 접고 나무 위에 앉아 장시간 감시활동을 수행할 수 있는 날갯짓 무인기가 상용화되면 근접 정찰에 새로운 장을 열게 될 것이다.

 

오늘은 지난번에 배웠던 무인항공기와 드론의 정의, 비행원리 1탄에 이어 2탄으로 마무리하게 되었습니다. 이 글로 인해 초경량비행장치 조종사분들께서 알고 가셨으면 좋겠다는 마인드로 작성하게 되었으며, 긴 글 읽어주셔서 감사합니다.

 

아래에는 지난번 무인항공기와 드론의 정의, 비행원리 1탄 URL을 남겨드리니 읽지 못하신 분들은 한번 방문하시길 바랍니다~

 

URL : https://it-support.tistory.com/41

무인항공기와 드론의 비행원리 1탄