STEAM R&E 연구 결과보고서
과제명 : RC 운동체 설계 및 제작을 통한 공 학과 예술의 융합교육 방안 개발
지도 교사 : 황보태권
참여 학생 : 조한성, 안가영, 김인호, 김정우
대구과학고등학교
Ⅰ. 서론 1. 연구 목적
무선 송수신을 통한 조종이 가능한 저소음 Flying object를 설계, 개발, 제작하는 과정을 통하여 과학과 기 술에 대한 흥미, 이해도 제고하고자 한다. 또한 Flying object의 동체 디자인과 외장 디자인 작업을 통하여 예술적인 감각을 바탕으로 과학적 문제해결력을 갖춘 융합인재를 육성하고자 한다.
2. 이론적 배경 및 선행 연구
그간 많은 과학자 및 기술자들은 자동차와 비행기의 특성을 결합한 탈 것을 제작하려고 시도해왔다. 2009 년 네덜란드는 ‘하늘을 나는 자동차’ 모형을 선보였는데, 당시에는 연구 제작 및 테스트 단계였다. 이후 몇 차례의 개선 과정을 거쳐 ‘하늘을 나는 자동차’는 시험 비행에 성공했고, 기술적으로도 날이 갈수록 진보했 다. 그리고 최근 최초의 비행에 성공했다. 그동안 이루어진 비행체 제작 기술과 재료 공학의 발달로 인해서 비행과 주행이 모두 가능한 운동체의 상용화 시대가 성큼 다가오고 있다. 공상영화에서나 나오는 장면들이 우리 눈 앞에서 일상적으로 펼쳐지는 시간이 멀지 않은 것이다. 본 연구 활동을 통하여 무선 송수신을 통한 조종이 가능한 Flying object를 설계, 개발, 제작하는 과정을 통하여 과학과 기술에 대한 흥미, 이해도 제고 하고자 한다. 또한, Flying object의 동체 디자인과 외장 디자인 작업을 통하여 예술적인 감각을 바탕으로 과 학적 문제해결력을 갖춘 융합인재를 육성하는데 기여하고자 한다.
우주항공분야에 대한 우리 정부의 의지와 각종 무인 비행체 산업의 급속한 발전을 고려할 때 대구과학고 에도 항공연구 동아리가 필요하며 아울러 초소형 비행체(MAV)는 다음과 같은 의의가 있다.
초소형 항공기는 기존의 항공기와는 달리 개인이 휴대할 수 있고, 고급의 정보를 저렴한 비용으로 획득 할 수 있는 획기적인 특성을 가지고 있다. 따라서 정보통신 기술과 결합되어 군사 및 민간 부분의 광범위한 분야에서 저 비용으로 고부가 가치를 지닌 정보 획득, 고급 고부가가치의 정보 전송, 정보 선택성 및 정밀도 등을 혁신적으로 향상시킬 수 있다. 특히 초소형이면서 초경량의 비행체가 스스로의 동력원으로 중량을 공중 에 유지하며 비행하고 강인한 무선통신 기술을 통한 제어, 운행 및 고속정보 전송의 임무를 수행하려는 목표 는 운행 및 통신의 목적에 에너지 사용이 극히 효율적이며 초소형, 경량의 동력원과 전력원, 통신 시스템과 최적화된 비행체 구조 및 소재 등을 요구함으로써 관련 기술분야 전반에 걸쳐서 혁신적인 사고가 필요하다.
이처럼 초소형 비행체 개발기술은 공력설계기술, 동력계통기술, 제어계통기술, 원격탐사기술, 시스템 통합기 술 등이 종합적으로 병진 개발되어 그 결과가 조화와 완성도를 이룰 때에만 성공할 수 있는 종합기술 분야 이다. 초소형 항공기를 개발하기 위해서는 동력계통, 구조 재료, 센서 및 작동기, 무선 정보통신기술, 자율제 어 항법 알고리듬 및 system구현을 초경량화, 초소형화, 초소화하는 극한 기술이 필요하다. 그 결과 관련된 기계/항공/재료/전자통신/화공 분야의 기존 기술을 한 단계 진보시킴으로써 지금 국가적으로 중점 사업으로 시행코저 하는 NT, BT, IT사업의 구체적인 활용분야를 제공함으로써 국가기술경쟁력 향상에 크게 기여할 수 있다. 항공과학은 로봇·기계·프로그래밍 등 다양한 과학이 복합된 분야이다. 따라서 학생들도 전기회로의 기초, 로봇 기초, Lab VIEW 프로그래밍 등 여러 가지 연구 테크닉을 익혀야 하며, 구입한 측정 장치, 로봇 제작 도구 등의 각 회사 소속 엔지니어들이 나와 관련 강의와 지원을 하여야한다. 그리고 전문 분야에 대한 실질적인 설명도 들을 수 있어야 한다. 미래 인재를 길러내는 일에 카이스트(KAIST)도 여름방학을 이용한 1박 2일의 연수 프로그램을 통하여 학생들이 카이스트 인공위성 연구센터에서 교수·대학생·대학원생들과 우 주·항공 분야를 탐색하도록 배려하고 있다. 보잉사는 동아리 회원들이 해외 이공계 체험을 갈 때 공장견학 프로그램에 초청하여 한정된 장소에서 멀찍이 관람하는 일반 관광객과 달리 공정을 가까이서 관찰할 수 있 도록 배려하고 있으며, 인턴 모집에서도 동아리 경력을 참고하기로 했다. 대구과학고등학교에도 항공과학 동 아리를 활성화하여 차세대 산업으로 떠오르는 항공 산업의 핵심 인재를 기르고 저변 인구를 확대하여야 한 다.
rolling 운동
pitching운동
yawing 운동
선회시 보조익
Ⅱ. 본론 1. 비행역학 연구
1-1. 비행기 조종 1. 비행기의 축
가. 세로축(longitudinal axis) 또는 종축(앞뒤축)
기수(nose)부터 꼬리(tail)까지 동체를 관통하여 이어진 전후방향의 가상의 축을 세로축 이라고 한다. 세 로축 주변의 운동은 횡요(roll:좌우의 경사)라고 하며 이것은 좌우의 날개
(wing:주익)뒷전(trailing edge:후연)에 부착된 도움날개(ailieron:보조익)의 작동으로 행해진다. 그림은 종축을 중심으로 한 항공기의 운동을 보여주고
있다. 우측보조익이 올라가면서 풍판에 흐르는 공기의 기류를 변형시켜 영각이 감소하고 이에 따라 양력이 감소되며 그 결과 우측 날개는 내려가게 된다. 좌측 보조익은 내려가면서 더 큰 만곡부를 형성, 영각을 증가 시켜 양력이 증가되고 좌측 날개는 위로 작용하게 된다. 따라서 항공기는 우로 횡요하는 힘이 발생한다.
나. 가로축(lateral axis) 또는 횡축(좌우축)
날개 양익단(edge)을 좌우 방향으로 연결한 가상의 축을 가로축이라고 한 다. 좌우측 주변의 운동은 종요(pitch:기수의 상하)라고 하며 수평꼬리날개의 후반부를 점하는 승강키(elevator)의 작동으로 행해진다. 그림은 승강타에 의 한 항공기의 운동을 보여주고 있다. 조종사가 조종간을 당기게 되면 미부 승 강타는 위로 작용하여 승강타 상부에 흐르는 공기의 흐름을 변형시켜 미부
전체를 아래로 밀어 내리는 힘이 발생하게 된다. 이에 따라 기수는 상향운동을 하여 항공기는 상승자세를 형 성하게 된다. 반대로 조종간을 앞으로 밀었을 경우 승강타는 아래로 작용하게 되고 항공기 미부는 상향운동 을 하게 되므로 기수는 하향이 되어 강하자세를 이루게 한다.
다. 수직축(vertical axis) 또는 상하축
중심을 통하여 상하방향으로 이어진 가상의 축을 수직축이라 한다. 수직축 주변의 운동은 편요(yaw:좌우 방향의 흔들림)라 하며 수직꼬리날개 후반부가 되는 방향키(rudder)의 작동 으로 행해진다. 그림은 방향타에 의한 항공기 운동을 보여주고 있다. 방향타 는 조종실 내의 러더(rudder)페달에 의해서 작동하며 방향타가 좌로 움직이면 미부는 우로 이동하면서 항공 기의 기수는 좌로 편요하게 되고, 방향타가 우로 이동 하게 되면 미부는 좌로 힘을 받게 되 어 항공기 기수 는 우편요가 된다.
2. 조종익면 가. 도움날개
좌우 날개의 외측 뒷전에 있는 2개의 도움 날개에는 조종익면의 하나로서 기체의 전후축 주위의 운동을 컨트롤 한다. 도움날개에 의해 행해지는 운동은 횡요(좌우경사)이다. 한편 날개의 도움날개가 내려가면 반대 편은 날개의 도움날개는 올라간다. 내려간 도움날개 측의 날개에는 양력을 증가시키기 위해 위로 올라가고 올라간 도움날개는 양력을 감소시키기 위해 아래로 내려간다. 그리하여 동시에
또는 상호 반대방향으로 작동함으로써 도움날개는 상기와 같은 2가지 효과를 이용하고 있다. 양측의 도움날개는 롯토 또는 조종색으로 결합되어 동시에 조
종석 내의 조종간에 결합되어 있다. 조종간을 우로 뉘여 경사를 주면 좌측 도움날개가 내려가며 우측 도움날 개가 올라가 기체는 우로 횡요를 일으킨다. 이것은 좌측 도움날개가 내려감에 따라 좌측 날개의 캠버 (camber)가 증가하여 동시에 받음각(angle of attack:영각)을 증가시키며 우측도움날개는 올라가 캠버를 감 소시키므로 받음각은 감소하게 된다. 그리하여 우측 날개의 양력은 감소하고 좌측날개의 양력은 증가하므로 우측으로 발생하여 우로 경사(bank)지게 되는 것이다.
나. 트림탭
트림탭은 도움날개 방향타 또는 승강타와 같은 조종면의 뒷전에 힌지로 부착된 작은 조절 가능한 익면이
하중배수
다. 트림탭은 조종사가 조종 장치에 항상 힘을 가하지 않아도 되게끔 부착되어 있는 장치이다. 방향타 도움 날개의 트림 탭도 승강타의 트림 탭과 같은 원리에 의해 각기 방향타 페달에 가해지는 힘 또는 조종간을 옆 으로 밀고 있는 힘을 없게 하도록 작동한다.
3. 하중 및 하중배수
비행기의 강도는 기본적으로 날개가 영구적으로 파손됨이 없이 견딜 수 있는 전체 하중의 크기에 의해 측 정된다. 날개에 부과되는 하중은 비행기의 종류에 따라 크게 좌우된다. 날개는 비행기의 중량뿐 아니라 비행 중 운동에 가해지는 부가적인 하중도 지탱해야 한다. 수평직선 비행 시 날개는 비행기와 그 탑재물의 중량에 같은 하중을 지탱하고 있다. 비행기가 곧바로 일정한 대기속도로 비행하고 있는 한 날개에 부과되는 하중은 일정한 채로 있다. 비행기가 틀어진 비행경로, 즉 각종 방향전환 및 강하비행으로부터 기수를 들어 올리게 되면 곡선비행경로에 의해 발생하는 원심력에 의해 날개에 부과되는 실제 하중은 대단히 크게 된다. 이 부가 적인 하중은 날개의 구조에 의해 곧 응력을 발생케 한다.
가. 하중배수
하중배수는 날개에 걸리는 실제하중의 크기를 보통의 하중 또는 기 본하중(비행기의 중량)으로 나눈 치이다. 선회는 중력을 지탱하여 비행 기를 직진경로에서 휘어지려는 양력의 힘에 의해 행해진다. 그리하여 날개는 비행기의 중량과 선회에 의해 발생하는 원심력의 합력과 균등한 크기의 양력을 만들어 내야한다. 증가한 양력은 통상 받음각을 증가시 키는 (조종간을 당기는) 것으로써 얻어진다. (bank:경사)가 급경사가 될수록 조종간을 당기는 힘은 크게 되어 원심력이 증가한다.. 그러므로
비행기가 완곡 된 경로를 비행할 시에는 언제나 날개에 가해지는 하중은 비행기 자체 중량보다 커져 하중 배수가 증가하게 되는 것이다.
하중배수가 최대한으로 근접하는 상태를 잘 알고 있어 이를 내리지 않으면 안 된다. 만약 부주의로 인해 비행기가 비정상 상태에 들어갔을 경우 이러한 상태에서 탈출하는 적절한 기술을 알고 있어야 한다. 하중이 증가했다는 것을 가리키는 것으로는 조종사 자신, 자기의 체중이 증가한 듯한 감이 있다. 날개에 가해지는 하중이 증가했을 때에는 조종사가 느끼게 되는 체중도 증가해 있는 것이다.
나. 난기류가 하중에 미치는 영향
큰 하중배수가 걸리는 것 중 하나로써 강한 수직 돌풍이 있다. 이들 돌풍은 갑자기 날개의 받음각을 증가 시켜 비행기의 관성의 힘에 반하여 날개에 큰 하중이 걸리게 된다. 만약 이와 같은 난기류 속에 들어가면 즉 시 대기 속도를 악기류 비행속도 또는 그 이하로 내려야 한다. 이것은 이와 같은 악기류에 대하여 그대로 정 해진 속도로 비행할 경우 비행기는 그 하중에 견딜 수 있게 설계 제작되었기 때문이다.
다. 비행속도가 하중배수에 미치는 영향
날개에 가해질 수 있는 부가적인 하중의 크기는 비행기가 어떻게 보다 빨리 비행할 수 있는가를 좌우한다.
저속 시에 있어서는 날개로부터 발생하는 양력의 최대한도는 비행기 자체를 지지하는 크기보다 약간 클 정 도 인 것이다. 따라서 조종익면이 급히 움직이거나 강한 돌풍에 조우하거나 하는 경우에도 하중이 크게 되는 경우는 없다. 고속 시에 있어서 날개의 양력발생 능력은 대단히 크므로 조종익면의 급한 조작이나 강한 돌풍 을 만났을 경우에는 하중은 안전 한도를 훨씬 넘게 될지도 모른다. 이와 같은 속도와 안정성과의 관계에 의 해 정해진 최대속도라는 것이 정해져 있다. 각각의 비행기는 안전하게 운동하여 악기류 중을 비행할 수 있도 록 속도 제한을 표시하고 있다. 이들 속도에 대해서는 속도계를 설명할 때 하기로 한다.
1-2. 항공역학 연구 1. 항공 역학
가. 익형(Airfoil)
익형이란 그 표면을 흐르는 공기로부터 유효한 반작용을 받는 것과 같은 장치이다. 여기에서 말하는 익형 이란 그것이 공기 중에서 운동할 때 양력을 만들어 낼 수 있는 장치라고 생각해 두자. 주익, 수평미익, 수직 미익 및 프로펠러 등 모두가 익형의 예이다. 편의상 여기에서는 날개의 단면을 이용하여 설명하고자 한다.
일반적으로 경비행기의 주익은 그림과 같은 단면을 하고 있다. 익형의 앞부분은 둥글게 되어 있으며 이것을
익현선의 변형
비행기에 작용하는 힘 전연이라고 부른다. 뒷부분은 얇게 되어 있으며 이것을 후연 이라고 부른다. 익형을 말할 때 많이 사용되는 용어에 익현이라는 말이 있다. 익현선이란 것은 전연과 후연의 각기 최선단 부분을 연결하는 직선을 말한다.
익형에 따라 양력의 발생량이 달라지고 항력의 발생량 또한 달라지며 임계양각의 각도도(critical angle of attack) 달라진다.
나. 익현선(chord line)
익현선이란 풍판의 전연(leading edge)과 후연(trailing edge) 을 연결하는 직선을 말한다. 익현선은 플랩(flap)에 의해서 그림과 같이 변형시킬 수 있다.
다. 영각(Angle of Attack)
영각이란 익현선과 상대기류의 방향과의 사이에 각도를 말한다. 영각은 항공기를 부양시킬 수 있는 항공 역학적 각이며 양력을 발생시키는 요소가 된 다. 이 같은 영각은 달리는 차창 밖으로 손을 내밀
어 손의 각도에 따라 영각의 형태를 느낄 수 있다. 손바닥을 지면과 수평으로 유지했을 때는 손바닥과 상대 풍이 이루는 각이 거의 없기 때문에 손에 미치는 저항은 미미하나 손바닥과 지면이 각이 이루었을 때는 손 은 위로 또는 아래로 향하려는 힘을 받게 됨을 느낄 수 있다. 이때 손바닥과 상대풍이 이루는 각이 영각 이 다. 영각과 취부각을 혼돈해서는 안 된다. 취부각은 기체를 설계할 당시에 정해지며 그것은 양력과 항력의 비가 최대가 되는 영각의 각도와 같은 것이다. 예를 들면 만약 취부각이 2도이면 통상 주익은 동체에 즉 익 형의 익현선과 동체의 전후축 과의 각도가 2도가 되게 주익이 취부된 것이다. 취부각은 고정돼 있으나 영각 은 조종사가 변하게 할 수 있으며 이것은 비행방향과 관련되어 있음을 기억해 두어야 한다.
2. 비행기에 작용하는 힘
수평비행 중인 비행기에는 4가지 힘(force)이 작용한다. 즉 위로 향해 작용하 는 양력(lift), 아래로 향해 작용하는 중력(weight:중량), 앞으로 향해 작용하는 추력(thrust), 그리고 뒤로 향해 작용하는 항력(drag:관성이나 공기저항으로 전진 을 방해하는 힘) 네 가지가 있다. (양력의 대부분은 항공기의 날개(wing)에서 얻 어지며, 비행방향에 수직으로 작용한다. 항공기의 항력은 날개와 동체의 모든 부 분에서 생기며 비행 방향과 반대방향으로 작용한다). 양력과 중력은 작용하는 방
향이 정반대이며 또한 추력과 항력도 작용하는 방향이 서로 정반대이다. 속도가 일정한 수평직선 비행에서는 양력과 중력 그리고 추력과 항력은 서로 서로 그 크기가 같아서 항공기는 등속도 비행(unaccelerated flight) 을 하게 된다. 양력과 중력의 크기가 같지 않으면 비행기는 상승 또는 하강한다. 추력과 항력의 크기가 같지 않으면 이 2가지 힘이 동일해질 때까지 속도가 가속 또는 감속한다.
가. 양력(Lift)
우리들은 달리고 있는 자동차 밖으로 손바닥을 펼쳐 내놓으면 손바닥은 바람을 향하여 눕힘에 따라 손에 닿는 바람(공기)의 힘은 손을 위로 끌어 올리듯 하는 것을 느낄 수 있을 것이다. 익형(이 경우 사람의 손바 닥)은 바람(기류)의 방향을 변하게 하며 동시에 익형의 하면에 그 크기와 같은 반대 방향에 동압을 만들어 내 그 힘에 의해 익형은 후 상방을 향하여 힘을 받게 된다. 이 힘의 위로 향하려는 성질이 양력이며 뒤로 향 하려는 성질을 항력이라고 한다.비행기 날개에서 비행기의 무게를 감당하는 양력이 어떻게 발생되는 가를 알 아보기 위하여, 먼저 유체 속에 원통이 놓여 있는 경우를 생각해 보자. 유선의 모양은 완전히 대층이므로 원 통에는 아무런 힘도 작용하지 않는다. 이제 원통주위에 시계방향으로 순환하는 흐름을 겹쳐 놓으면 A점에서 는 원래의 흐름속도에 순환흐름으로 속도가 더해져 속도가 빨라지고, B점에서는 그 반대로 순환흐름이 원래 의 흐름을 방해하여 결국 속도가 줄어든다. 여기서 ‘베르누이의 정의’를 적용하면 순환흐름이 겹치기 전에는 A점과 B점의 압력이 같았으나 순환흐름이 겹치면 B점의 압력이 A점보다 높아지게 되고 이 압력 차이에 의 해 밑에서 위로 힘이 발생한다. 만일 시계반대방향으로 순환흐름을 겹치게 하면 반대로 아래 방향으로 힘이 발생한다. ‘베르누이의 정의’에서 설명되어 있는 것과 같이, 흐름이 빠른 곳에서는 압력이 낮고, 흐름이 느린 곳에서는 압력이 높아진다. 따라서 날개 윗면의 압력은 날개 밑면에 비해서 낮으므로 이 압력차에 의하여 날
각 영각에서의 익상면의 와류의 상태
개의 윗 방향으로 ‘공기력’이 발생한다. 이 공기력이 공기의 흐르는 방향(장대기류)에 대하여 수직성분을 ‘양 력(lift)’이라고 하고, 수평성분을 ‘항력(drag)'이라고 한다. 그리고 이 공기의 흐름방향과 날개의 중심선이 이 루는 각도를 받음각 또는 영각(Angle of attack) 이라고 한다.
유체의 흐름
공기의 흐름방향과 양력과 항력의 관계 1) 영각과 양력과의 관계
전술한 바와 같이 영각이란 상대기류와 주익의 익현선과의 사이에 이루어 지는 작은 각도를 말하는 것이다. 영각 0도의 상태에서는 주익하면의 압력 은 대기압과 같다. 이 경우 모든 양력을 주익 상면의 압력의 감소(대기압보 다 낮은)에 의해 발생한다. 영각이 적은 상태에서는 주익하면에 부딪히는 공기의 충격이나 압력(대기압보다 높은)의 영향은 거의 무시할 수 있으므로 양력의 대부분은 주익 상면의 압력 감소에 의해 발생한다. 영각이 증가함에 따라 주익하면의 공기의 충격이나 정(正)압이 증가한다. 또 주익 상면에서
도 공기가 주익의 커브를 따라 흐르고 있는 한 익형의 유효만곡도가 증가하여 익상면의 기류는 보다 긴 거 리를 흘러야 하므로 상면의 압력은 감소돼 간다. 이것은 베르누이 정의에 의해 보다 긴 거리를 흐르기 위해 서는 보다 빨리 흘러야 하므로 보다 큰 압력감소 현상이 발생하기 때문이다. 주익 하면의 압력증가와 주익 상면의 압력감소와의 두 가지 이유로 주익의 상면과 하면에서 큰 압력차이가 발생한다. 이와 같은 큰 압력 차이에 의해 커다란 위로 향하려는 힘 즉 양력이 발생하는 것이다.
2) 추력과 항력과의 관계
비행기가 가속이나 감속을 하지 않은 일정한 비행속도를 갖고 있는 상태에서는 추력과 항력의 크기가 같 다. 프로펠러의 추력이 증가하면 추력이 일시적으로 항력보다 크게 되어 비행기는 속도가 증가한다. 즉 가속 하게 되는 것이다. 그러나 비행속도의 증가는 동시에 항력의 증가를 일으킨다. 이러한 상태에서 추력과 항력 은 또다시 같게 되며 속도 또한 일정하게 된다. 어느 시점에서 추력의 크기가 최대로 되며 비행속도는 추력 과 항력이 같아지며 일정속도에 달할 때까지 증가한다. 즉 비행속도의 제곱에 비례하여 증가한다. 만약 비행 속도가 2배가 되면 항력은 4배가 된다.
3) 양력과 중력과의 관계
주익에서 상방향 으로 작용하는 힘 즉 양력은 상대기류와 수직방향으로 작용한다. 양력은 비행기의 중량과 상관관계를 가지고 있다. 양력이 비행기의 중량과 균형을 이루고 있을 때 비행기는 상승도 하강도 하지 않는 다. 만약 양력이 비행기의 중량보다 적으면 비행기는 강하하며 양력이 비행기의 중량보다 크면 비행기는 상 승한다.
4) 양력과 항력에 관계되는 요소
여러 가지 요소가 양력과 항력에 영향을 준다. 즉 주익면적 익형 영각 및 주익 위를 흐르는 공기의 속도 (대기속도) 및 주익면을 흐르는 공기의 밀도 등이 영향을 준다. 이들 중 어느 하나라도 변화를 일으키면 양 력과 항력의 크기나 양력과 항력의 관계에 영향을 준다. 양력을 증가시키는 요소는 또한 항력도 증가시킨다.
5) 주익면적이 양력과 항력에 미치는 영향
주익에 작용하는 양력과 항력의 크기는 대개 주익면적과 비례한다. 즉 주익면적을 2배로하고 다른 요소는 그대로 했을 때 주익에 의해 만들어지는 양력과 항력의 크기는 2배가 된다. 조종사가 익면적을 변하게 할 수 있는 유일한 방법은 어떤 종류의 플랩(flap), 예를 들면 파울러 플랩(fowler flap)을 사용하는 것이다. 이 플 랩은 아래로 내려감과 동시에 후방으로 빼어내며 연장시켜 익면적을 크게 해주는 것이다.
6) 영각이 양력과 항력에 미치는 영향
영각의 증가에 따라 양력과 항력은 증가한다.
토크 반작용
회전운동의 세차
나선후류 영각이 양력에 미치는 영향에 대해서는 이미 전술한 바있다. 영각이 증가함에
따라 양력과 항력은 어느 정도 증가한다.
나. 중력(Weight:무게)
무게는 항공기의 중량을 말하며 항공 역학적 벡터에서 양력에 반대로 작용하며 항공기 성능에 직접적인 영향을 미친다.
다. 추력(thrust)
추진력은 항공기의 엔진에서 발생되는 힘으로 프로펠러(propeller)와 같은 풍판을 이용하여 공기를 뒤로 밀어내면서 항공기를 앞으로 전진시키는 힘을 말한다. 대부분은 프로펠러의 에어포일이 가진 영각으로 인하 여 발생하는 압력차, 즉 양력이다.
토크 현상이란 엔진에서 발생한 회전력이 프로펠러에 전달되어 회전하게 되면 프로펠러에 연결되어 있는 물체는 회전하는 반대 방향으로 회전하려는 힘이 발생하게 된다. 이를 토크현상이라 하며 뉴톤의 운동법칙에 의해서 잘 설명된다. 뉴턴의 운동 제3법칙인 작용 반작용의 법칙은 운동하는 모든 물체는 그 방향의 반대방 향으로 같은 크기의 반작용을 한다는 것으로, 통상 고정익 항공기는 좌편요 하려는 경향이 있다. 조종사는 이 같은 좌 편요 현상이 왜 발생하는지와 이 좌편요 현상이 어떻게 수정되고 있는지를 이해하여야 한다.
(1) 토크반작용(torque reaction)
토크현상은 앞에서 설명한 것과 같이 물체에 작용하는 반작용을 말하며 회전하는 물체도 같은 현상이 발 생한다. 고정익 항공기의 프로펠러가 시계방향으로 회전할 때 동체는 이에 반작용을 일으켜 종축을 중심으로 시계반대방향으로 횡요(roll) 혹은 경사(bank)지는 경향이
있다. 그림은 프로펠러의 회전 방향에 따른 항공기 동체의 반작용을 보여주고 있다. 토크 반작용 현상은 단발 프로펠 러 항공기가 저속 및 고영각에서 엔진의고출력에서 심하게 나타난다.
반작용: 엔진의 회전력에 의하여 동체는 반대방향으로 작용: 엔진의 회전력 의하여 회전하려는 성질 프로펠러의
회전방향 동체의 회전력에 의해 동체의 회전력에 의해 수직 축으로부터 꼬리의 진행방향 우측 기수의 진행 방향 좌측
(2) 회전 운동의 세차(gyroscopic precession)
회전운동의 세차란 회전하고 있는 물체에 회전부의 힘을 가했을 때 그 힘이 나타나는 곳은 90°를 지나서 분명해 지는 현상을 말한다. 그 림은 항공기 미부에 힘이 가해졌을 때 프로펠러 상부에 힘이 전달되 어 그 힘이 회전 방향으로 90°를 지난 지점에서 힘이 분명하게 나타 나 좌편요한다. 특히 미륜식 항공기가 이륙을 위해 증속 후 기수를 중립위치로 down할 때 이 현상이 심하게 나타난다.
(3) 나선후류(spiraling slipstream)
항공기의 프로펠러 회전에 의해서 항공기 후방에 후류가 발생한다. 이 같은 후류는 시계방향으로 동체를 휘감는 나선형 후류가 된다. 발생되는 후류는 그림과 같이 동체를 휘감으면서 동체를 지나 후방부의 수직 안 정판(vertical pin)에 부딪히면서 항공기의 꼬리는 수직축을 중심으로 우로 편요 하게 되고 기수는 좌로 편요 하게 된다. 초경량 항공기 중 엔진이 뒤에있는 기종은 회전하는
프로펠러가 동체 축을 중심으로 회전하는 것이 아니라(회전하 는 후류가 동체를 감싸고 도는 것이 아니라) 동체축 위에서 회 전함으로서 후류는 수직 안정판의 우측을 치게되어 꼬리가 좌 로 편요하게 되고 기수는 반대로 우편요 하게 되는 것이다.
유입되기전의 기류는 프로펠러는 조종석에서 보면 회전력이 없음 시계방향으로 회전한다 유입된 이후의 기류는 프로펠러의 회전력에 의하여 동체를 감싸며 회전한다. 동체를 감싸고 도는
후류는 후미의 수직안정판에 힘을 가하여 꼬리날개가 우측으로 운동한다.
양력 불균형 발생 원리
2. 회전익 비행체 연구
회전익 비행체는 회전날개(rotor)를 기관으로 회전시켜 여기서 생기는 양력과 추진력으로 비행하는 항공 기이다. 즉, 기체의 전후축을 포함하는 평면에 거의 수직으로 놓인 하나 또는 그 이상의 축에 대하여 기관에 의해 구동되는 2～5장의 회전날개를 배치하고, 축둘레에 이 날개를 회전시켜 회전날개에 발생하는 양력을 가감하거나 회전날개가 그리는 평면(회전면 또는 원판면)을 경사시킴으로써 공중으로 떠오르고, 또 비행방향 으로의 추진력을 얻어 항행하는 항공기이다. 회전익 비행체는 회전날개를 회전시켜 양력을 얻기 때문에 보통 의 날개가 고정된 항공기처럼 이륙할 때 활주하여 양력을 발생시킬 필요가 없으므로 거의 수직으로 이착륙 할 수 있고, 또 회전날개를 경사시킴으로써 양력과 동시에 비행방향으로의 분력을 얻을 수 있기 때문에 전진 은 물론 후퇴나 좌우비행 또는 공중정지 등을 할 수 있는 점이 큰 특징이다.
2-1. 회전익 비행체의 비행원리
회전익 비행체의 주요 부분은 회전날개와 그것을 구동하는 기관, 이 사이에서 기관의 회전을 회전날개에 접속 또는 단절하는 클러치(기관이 고장났을 때 회전 날개도 동시에 정지하지 않게 하기 위한 것), 감속장치(기관의 회전을 회전날개가 가장 효율이 좋은 회전수까지 감속시키기 위한 것으로, 주로 유성기어식 감속장치 가 사용되며 기관의 회전을 약 1/10로 감속시킨다) 및 기관과 회전날개의 회전이 나 날개의 각도를 제어하는 제어장치로 구성되어 있다. 회전날개를 회전시켜서 상
승 하강하고, 회전날개를 경사시킴으로써 전진,후퇴,선회 등의 항행이 가능하지만 회전날개의 회전과 상대풍 (기체가 전진할 때 앞쪽에서 불어 오는 바람)과의 관계로 인해서 양력,항력의 변화가 생기기도 하고, 회전날 개의 회전에 따른 진동, 특히 지상 가까이 하강하였을 때 회전날개에 의해 내리부는 기류의 영향, 또 조종 때 상승 도중에 기관이 고장났을 때의 대책, 하강속도와 내리부는 기류의 관계 등 많은 어려운 문제가 있어 조종이 수월하지는 않다. 최근에는 자동안전장치 등을 갖추어 이와 같은 결점이 보완되었다.
회전익 비행체의 로터블레이드라는 날개로 인하여 하늘을 날 수 있다.
고정익은 날개를 고정해놓고 엔진으로 앞으로 전진하면서 날개에 양력을 얻게 한다. 회전익 비행체는 날 개를 좁고 길게 옆으로 놓고 돌린다. 이것을 블레이드라고 한다. 블레이드 모양은 날개모양과 동일하고 양력 이론도 동일하다. 회전익 비행체는 비행기 에어포일 형상과 같은 단면적을 가지는 로터블레이드(rotor blade)의 회전을 통하여 양력을 발생하여 비행을 하게 된다. 회전익 비행체 역시 비행기에서 작용하는 네 가지 힘 즉, 양력(lift), 무게(weight), 추력(thrust), 항력(drag)이 작용하며 양력은 무게를 지지하고 추력은 항력을 압도하여 요구하는 방향으로 비행하게 된다.
2-2. 회전익 비행체의 특징 1. 양력 불균형
'양력 불균형'이란, 로터 회전면에서 발생하는 양력이 균일하지 않고 불균형하게 발생하는 현상으로써 전,후,횡진 비행 시 상대풍에 대한 전진 하는 로터 블레이드(advancing rotor blade)와 후퇴하는 로터 블레이드
(retreating rotor blade)의 상대속도 차에 의해서 발생한다. 양력 불균형은 상대풍에 대한 로터블레이드의 상대속도 차에 의해서 발생하므로 회전익 비행체가 정지비행(hovering) 시에는 발생하지 않는다.
그림에서 보는 바와 같이 로터블레이드 끝 속도가 350 Knot으로 회전하면서 정지비행을 수행하고 있던 (그림 A) 회전익 비행체가 속도 100 Knot로 전진비행을 시작한다면, 상대속도는 뒤쪽에서 앞쪽으로 전진하 는 로터 블레이드에서는 100 Knot씩 증가하고 앞쪽에서 뒤쪽으로 후퇴하는 로터 블레이드에서는 100 Knot 씩 감소하게 된다. 따라서, 회전면내 블레이드의 받음각이 동일하다면 회전면 우측에서의 양력은 좌측에서 의 양력보다 훨씬 크게 되어 회전익 비행체가 좌측으로 기우는 양력 불균형의 원인이 된다.
이와 같은 로터 면에서의 양력분포의 불균형을 해결하는 방법은 상대속도의 차이를 상쇄시킬 수 있도록 전진하는 깃과 뒤로 돌아나가는 깃의 받음각을 바꿔주는 것이다. 즉 앞으로 돌아가는 순간에는 로트 블레이 드의 받음각을 감소시키고 뒤로 돌아 들어가는 순간에는 받음각을 증가시키는 방법이다.
2. 회전익 비행체가 비행기와 같이 고속비행이 불가능한 이유 로터 블레이드가 받는 상대속도는 다음 공식과 같다.
cos⋅sin cos⋅[Vψ: 블레이드의 상대속도, V: 상대풍 속도(전진속도), α: 받음각, β: 코닝각, Ψ: 방위각, Ω: 각속도(dΨ/dt)]
가. 후퇴하는 블레이드의 익단실속(Blade Tip Stall)
위의 블레이드 상대속도 방정식 에서, 후퇴하는 블레이드(Ψ=270° 일 때)의 상대속도는 sinΨ 값이 -1로 써 최소가 된다. 이 때 비행속도 V가 커지면 커질수록 첫 번째 항의 음(-)의 값은 더욱더 커지게 된다. 따 라서 후퇴하는 블레이드는 양력을 얻기 위하여 블레이드 받음각이 블레이드 끝에서 최대가 되고, 익단실속에 들어가게 된다. 이 후퇴하는 블레이드의 익단실속 현상에 의해 비행속도 V는 제한을 받게 된다.
나. 후퇴하는 블레이드 뿌리의 역류범위(Reverse Flow Region)
후퇴하는 블레이드(Ψ=270° 일 때)의 상대속도는 블레이드 상대속도 방정식의 첫 번째 항의 sinΨ 값이 -1로써 최소가 된다. 이 때 두 번째 항의 r 값이 작은 부분(블레이드 뿌리 즉, 허브부분)에서는 두 번째 항 의 크기가 첫 번째 항의 크기보다 작게 되어 전체 블레이드 상대속도가 음(-)의 값을 가지는 역류가 발생하 게 된다. 이 역류는 비행속도 V가 커질수록 더욱더 심하게 된다. 따라서 회전익 비행체는 이 후퇴하는 블레 이드의 뿌리부분에 발생하는 역류에 의해 비행속도 V는 제한을 받게 된다.
다. 전진하는 블레이드의 익단 충격파(Blade Tip Shock Wave)
위의 블레이드 상대속도 방정식 에서, 전진하는 블레이드(Ψ=90° 일 때)의 상대속도는 sinΨ 값이 1로써 최대가 된다. 이 때 비행속도 V가 커지면 커질수록 상대속도는 더욱더 커지게 된다. 비행속도가 음속에 가까 워지면, r 값이 큰 부분(블레이드 끝 부분)에서 먼저 음속에 도달하게 되고 충격파가 발생하여 항력이 급격 히 증가하게 되어 실속에 들어가게 된다. 따라서 회전익 비행체는 이 전진하는 블레이드 익단 충격파 발생에 의해 비행속도 V는 제한을 받게 된다.
3. 자전강하
회전익 비행체는 비행중 엔진이 고장났을 때 일정고도와 일정 전진비행속도가 있다면 자전강하 (autorotation)에 의해 안전하게 지상에 착륙할 수 있다. 회전익 비행체의 엔진이 고장났을 때 엔진은 자동적 으로 트랜스미션(transmission)과 연결되어 있는 프리휠 장치(free wheeling device)를 통하여 로터와 분리 되며, 로터블레이드는 엔진과의 연결없이 독립적으로 자유회전하며 강하비행을 하게된다. 이 것을 자전강하 (autorotation)이라 한다.
자전강하할 동안 공기 흐름은 더 이상 하향흐름하지 않고 오히려 주 로터를 통하여 상향하며 이 상향 공 기흐름은 정상작동 때와 같은 방향으로 로터를 회전시키는 원인이 되어 로터의 회전은 양력을 발생시키고 이 양력은 안전하게 착륙을 할 수 있게 하강할 동안 계속 비행조종을 가능하게 한다. 자전강하를 위한 조작 은, 엔진 고장시 조종사는 즉시 컬렉티브 피치 조종레버를 내려 로터블레이드의 피치를 감소시키고 조종간을 앞으로 밀어 사이클릭 피치조종면 즉, 로터 회전면(rotor disc)을 앞으로 경사시켜 자전강하를 위한 적절한 전진속도를 확보한다.
2-3. 미래형 회전익 비행체 1. 무인 회전익 비행체
무인회전익 비행체가 화제가 된 것은 10년이 채 안되는 일로 아프카니스탄이나 이라크에 투입된 UAV가 훌륭하게 임무를 완수했기 때문이다. 사람이 탑승하지 않기 때문에 전장이나 기타 위험지역에의 투입에 용이 할 것이라 생각한다.
2002년, 러시아의 헬기 제작사 “까모프”사는 최초의 소형 무인 회전익 비행체인 동체직경 1m 정도의 Ka-137기를 개발, 제작했다. 그 후 무인 회전익 비행체는 소규모 경량화를 거듭하며 비행선의 규모를 축소 하고 인명 손상을 방지하는 결과를 도모하고 있다. 오늘날 기계 기술은 조종 시스템과 항법 시스템에 있어서
“인공 지능”의 수준에 도달했으며 이러한 발전을 바탕으로 “auto-mode”로만 작동할 수 있는 소형 비행선이 제작될 수 있게 됐다. 이런 회전익 비행체는 전시의 정찰기의 역할뿐만 아니라 민간 부문에서는 환경 감시 활동이나 방사능 오염 지역의 관찰 등 각종 연구 활동에 사용될 수 있을 것이다.
2. 나노 회전익 비행체
V-22 오스프리 틸트로터기 기존의 회전익 비행체와는 약간 개념이 다른 회전익 비행체가 연구되고 있다.
나노 회전익 비행체가 그것이다. 미국 코넬대학의 칼로 몬테마그노 박사가 개발 한 이 의료용 초미니 회전익 비행체는크기가 바이러스의 분자정도로 사람의 몸속 필요한 곳에 약물을 수송해 투여하는 등 각종 의료활동을 할 수 있을 것이라고 한다. 이 초미니 회전익 비행체의 금속 회전날개를 움직이게 하는 동력원은 ATP 라고 불리는 체내의 천연연료에서 얻게 되어있다. 생화학연료인 ATP는 실험 결 과 최고 2시간30분까지 이 회전익 비행체의 프로펠러를 회전시킬 수 있는 것으 로 밝혀졌다.
가. 나노회전익 비행체의 원리
이 회전익 비행체는 회전날개, 생물학적 작업실, 금속기둥 등 3부분으로 구성되어 있으며 이 3부분이 모이 면 자동적으로 미니 회전익 비행체가 조립되도록 되어있다. 작업실에 있는 생물학적 물질은 체내의 생화학연 료 ATP를 에너지로 전환시키며 이 에너지는 회전익 비행체의 회전날개를 초당 8회전시키는데 이용된다. 몬 테마그노 박사는 이 초미니 회전익 비행체 개발을 통해 생명의 생리학을 이용하면 여러 부분으로 이루어진 나노(초소형)장치를 조립, 유지, 수리하는 것이 가능하다는 사실이 입증됐다고 말했다. 몬테마그노 박사는 이 나노기술은 아직 초기단계를 벗어나지 못하고 있으며 앞으로 나노장치가 세포안에서 활동할 수 있다는 것을 보여주어야 할 것이라고 말하고 그렇게 되기까지는 여러해가 걸릴 것이라고 한다.
3. 틸트로터기
V-22 오스프리 틸트로터기는 벨 회전익 비행체 텍스트론(Textron Inc)과 보잉(Te Boeing Company), 그 리고 미 해군이 공동으로 개발한 틸트로터식 수직이착륙 비행기이다. 틸트로
터기란 주날개의 양쪽 끝에 장착한 엔진과 대형 프로펠러(로터)를 위 방향으 로 돌려 회전익 비행체처럼 수직으로 이착륙하고 그 방향을 앞으로 돌려 프 로펠러 항공기처럼 비행하는 기종을 가리킨다. 수직이륙한 후 수평비행을 하 기 위해 로터가 장착된 날개부의 방향을 앞으로 기울이기[tilt] 때문에 '틸트 로터'라는 이름이 붙게 되었다. 미 해병대의 CH46E, CH53D 수송 회전익 비 행체의 후속기종으로 개발되었는데, 기본형 1호기는 1989년 5월에 완성되었 다. 그러나 4기의 기본형 가운데 2기가 추락하는 사고가 난 데다가 비싼 가 격 때문에 배치 계획이 늦추어졌다. 그러다가 1992년에 7억 9,000만 달러의
예산이 책정되어 개발이 속행되었다. 틸트로터기는 상황에 따라 수직이착륙뿐만 아니라 단거리 활주이착륙과 정상 활주 이착륙도 할 수 있다. 일반 회전익 비행체에 비하여 2배의 속도를 낼 수 있고 3배의 적재능력을 갖고 있다. 이와 같은 특성으로 틸트로터기를 사용함으로써 강습(降襲) 능력·기동성·전투 정찰·구조 능력·특 수임무 수행능력 등을 증대시킬 수 있다. 전투 장비를 갖춘 24명의 병력 또는 기내에 4.5톤의 화물을 싣거나 기체 밖에 6.5톤의 화물을 매달고 시속 500km의 고속으로 비행할 수 있다. 항속거리는 통상작전 수행시에는 2,040km, 강습작전시는 954km이다. 그러나 필요할 경우 최대 약 3,900km의 거리를 비행할 수 있다. 틸트 로터기에는 지대공미사일로부터 기체를 보호하기 위하여 미사일 경보 시스템, 레이더와 적외선 징후 경보 시 스템, 채프·플레어 디스펜서 등의 전자 장비가 장착되어 있다.
3. 무선 조종 첨단 장비 및 재료
3-1. Aurora9
◊ 2.4GHz이며 AFHSS (Advanced Frequency Hopping Spread Spectrum) 방식 ◊ 다른 두 종류 출력신호의 사용이 가능 : 72MHz FM / 72MHz QPCM ◊ 헬기, 비행기, 글라이더 등 세 종류의 비행 모델 선택 가능
◊ 양방향 통신 무선 원격조종 시스템 : 하이텍 SPECTRA 2.4와 OPTIMA 시리즈의 수신기는 전원이 켜지면 자동적 으로 수신기의 배터리 전압레벨을 감지하는 양방향 통신 사양이 기본적으로 내장
◊ 6셀의 NiMh 배터리 외에도 고용량의 2셀 Li-Po 배터리로 장시간 사용 가능
3-2. Multi Chargers QUATTRO B6
◊ 작동 전압 : DC 11~15V
◊ 파워 소스 : 12V DC (자동차용 PB베터리 사용이나 별도의 전원공급기가 필요) ◊ 유효충전 : 50 watts
◊ 충전 허용값 : 11.1V 4.5A / 22.2V 2.2A ◊ 유효 방전 : 5 Watts
◊ 충전 가능 셀수 : 전체 2~20V까지 가능 [Ni-xx(1~15 ) / Li-xx(1~6) / Lead acid cells(1-10)
3-3. Battery
◊ Rechargeable Lithium-Polymer Battery ◊ 3셀, 11.1V(리튬폴리머 배터리 1셀은 3.7V)
◊ 2,200mAh : 2.2A의 전류를 1시간 동안 방전할 수 있는 용량
◊ 30C : 2.2A의 30배인 66A가 최대 방전 전류이며 이 경우 2분간 사용 가능
4. 소형 실기체 탐색 : Hellcat
4-1. Hellcat의 특징
Hellcat의 모습 Hellcat의 모습
Plantraco Ltd.(Canada, www.microflight.com)에서 상업용으로 개발하여 시판중인 MAV이다.
Wingspan 240mm
Flying Weight 4g
Airframe Construction Durobatic Foam Cruising Airspeed approx .1.5-2m/s
Propeller 3222 objectbon Fiber Actuator HingeAct (rudder) R/C Channels Setup Throttle and Rudder
Recceiver 0.38g, 2CH
3.7V Lithium Cell Capacity 20mAh
Flying Time 6 - 10 min
Hellcat의 주요 특징
Durobatic Foam란 Expanded Styrene Material의 한 종류인데 매우 가벼우나 빳빳하고 딱딱하며 일반적 으로 사용되는 Balsa보다 MAV에 더 적합하다. Magnetic actuator은 기존의 Servo 대신 자석과 코일을 이용 한 전자기력으로 Rudder를 회전시키는 역할을 하며, 현재 상용화된 가장 가벼운 제어장치 중 하나이다. 이것 의 무게는 0.22g이나 러더를 움직이기에 는 충분한 힘을 가지고 있고 스스로 중심을 맞출 수 있다. 송신기 는 LP30 리튬폴리머 건진지를 사용하며 2개의 조종기로 2채널이다. 러더와 스로터를 조종하며 자동으로 균 형을 맞춰준다. 수신기는 0.38g이며 가장 가벼운 수신기이며 작은 전압만 있어도 가동이 가능하다. 베터리는 리튬 베터리를 사용하고 3.7V이며 무게는 0.95g이다. 크기는 가로 11mm 세로 17mm 두께3mm로 매우 작 다. 최대 방전 전류는 400mA이다. 프로펠러의 재질은 탄소 섬유로 만들어 졌고 두께가 4mm로 매우 얇으며 프로펠러 내부는 비워져 있어 매우 가볍다.
Receiver Transmitter 배터리 Hellcat propeller
5. STAND UP 2 기체 제작
5-1. 소요 재료 목록
비행기체 STAND-UP 2, YG-EPP, 필수기자재 포함
수신기 코로나 RP6D1 6CH 72MHz, 신디사이져 듀얼 컨버젼 HITEC/FUTABA/JR 호환
변속기 RS★, ESC 30A
모터 950KV, BL2215/25, Brushless 모터 서보 Tower Pro MG90
배터리 RS★, 11.1V 1000mah 20C
딘스잭 연결잭
골드 컨넥터 3.5mm 3쌍
연장선 32cm
기타 록타이트 401, 406, 경화제, 글라스 테이프 5-2. 제작 순서
1. 기체 조립 : 날개의 위치가 6방향 모두 대칭을 이루도록 조립
2. 기체 보강 : EPP 재질은 플라스틱이나 우드락과 달리 인장력이 좋으나 탄성이 있으므로 카본바 텐으로 탄성을 줄이고 강도를 높임
3. 서보 장착 : 서보혼과 강선을 이용하여 엘리베이터, 러더, 엘러론을 서보 모터에 연결
4. 모터 및 프로펠러 장착 : 프로펠러의 토크에 의한 반토크를 기체가 받지않도록 주의하여 장착 5. 랜딩 바퀴 장착
< 제작 완료 기체 >
수신기
변속
모
서보 모터
< STAND UP 2 비행 장면 >
6. 소형 비행체 제작
6-1. 고익기 방식
동체 위에 주날개를 장치한 비행기 저익기에 비해 양력 발생 면에서 유리하 며, 아랫면보다는 윗면의 공기흐름이 중요하다. 날개 윗부분이 약 2
3의 양력을 발생시키며, 날개의 아래에 동체가 부착되어 있어 양력의 손실이 적다. 고익기는 그 자체가 내재적으로 ‘상반각(Dihedral)의 효과’를 가지게 되어 안정성이 좋다.
또한 비행체의 무게중심이 날개의 양력 중심보다 아래쪽에 있어 안정하다.
6-2. 러더-엘리베이터방식
에일러론의 보조날개는 고정되어 움직이지 않고 오로지 러더와 엘리베이터만을 사용하여 비행하도록 설계 하였다. 그리하여 2채널의 조정만으로도 선회비행할 수 있는 장점이 있다. 하지만 프로펠러의 토크와 후류 (프로펠러에 의해 뒤로 밀리는 기류)에 의한 좌선회 경향이 커서 에일러론 없이 러더만으로 회전운동을 제 어하기는 어렵다.
6-3. 받음각
비행기의 날개를 절단한 면의 기준선(일반적으로 프로필의 전연과 후연을 연결한 직선. 시위선이라고도 한 다)과 기류가 이루는 각도로서 우리는 약 정도로 하였다.
6-4. 주요 부품 1. 배터리
Li-Po(리륨 폴리머) 배터리를 사용하였으며, 3.7V 2cell로 7.4V이고, 용량은 180mA이다. 무게는 13g이 다.
※리튬 폴리머 전지 - 외부 전원을 이용해 충전하는 고체전해질전지로 안정성이 높고 에너지 효율이 좋은 차세대 2차 전지이다. 고체 또는 젤 상태의 중합체(폴리머)를 전해질로 사용하여 전지가 파손되어도 발화하 거나 폭발할 위험이 거의 없다. 외장 역시 단단한 금속으로 만들 필요가 없어 3
㎜ 이하의 두께로도 만들 수가 있고, 무게도 기존 전지의 30％까지 줄일 수 있 다.
2. servo 모터
토크는 4.8V일 경우에 0.5kg/cm 이고, 각속도는 이다. 크기는 19.2×8.2×19.3 (
mm
) 이다. 무게는 전선을 포함하여 4.1g이다. 스스로 평균 을 맞출 수 있고 저 전력을 시용한다.※서보모터 : 서보기구의 조작부로서 제어신호에 의해 부하를 구동하는 장치.
3.
동력용 모터(brushless motor)가용 Voltage는 7.4V이며, 로드 speed는 22000rpm이다. pay 로드는 96g이다. 즉 이 모터는 7.4V전용이 며, 분당 회전수(프로펠러에 연결)는 22000회이며, 96g까지 비행시킬 수 있다.
동력용 모터
수신기
프로펠러
변속기
※brushless motor : 브러쉬가 없어 수명이 길며, 또한 이로 인한 마찰이 없어 발열이 적다. 효율이 높아 크기가 작고, 회전수 변동이 적으며 한 변속기로 여러 모드에 사용 할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 가격이 고가이고, 변속기 셋팅이 어렵다는 단점도 있다.
4. 수신기
통신 시스템에서 송신기가 보낸 정보를 받아 정보를 해석하는 장치이다. 우리가 사용한 것은 4channel R/C micro receiver로 40Mhz를 이용하고 수신용 크리스탈을 사용한다. 크 기는 × × 이다. 무게는 전선을 포함하여 9.6g이다. 1channel은 yaw, 2channel은 pitch, 3channel은 throttle을 연결한다.
5. 프로펠러
2∼4장의 깃을 회전축에 장치하고 기관으로 회전시켜 추력을 발생시키는 장치이다. 비행 중에 깃각을 바꿀 수 있는 것을 가변피치 프로펠러, 바꿀 수 없는 것을 고정피치 프로펠러 라고 한다.
길이는 5inch(12.7cm)이고 꼬임각은 4inch(10.16cm) 이다.
※ 깃갓 : 회전면에 대한 프로펠러 깃단면의 기울기를 피치각 또 는 깃각이라 한다.
6. 변속기
각종 엔진에서 발생하는 동력을 속도에 따라 필요한 회전력으로
바꾸어 전달하는 변속장치이다. 우리가 사용한 변속기는 7.4V 용에 최대 허용 전류가 6A이다. 크기는 25× 10 (
mm
) 이고 무게는 connecter를 포함하여 4.9g이다.Lenghth 390mm
Wingspan 450mm
Flying Weight 67g
Propeller Size 5×4 in
Main Motor pay 로드 69g, brushless battery 7.4V 180mAh Li-Po, 13g Receiver 4CH R/C, 16.5×25.5×9.5(mm) R/C Channels Setup Rudder, Elevator, Throttle
서보모터 4.1g, 19.2×8.2×19.2(mm) 주요 제원
7. 설계도
앞날개 설계도
동체 및 꼬리 설계도 8. 제작 과정
가. 발사를 이용하여 비행체의 동체를 만든다.
나. 동체 제작을 위하여 발사나무(절연성이 높고 가벼울 뿐만 아니라 목재 부력성이 크다. 또한 탄력이 좋 아서 충격흡수물질로도 사용된다.)를 사용하여 제작한다.
다. 동체는 동력용 모터를 장착하기 위한 모터 마운트와 수신기 및 동력용 배터리인 리튬폴리머 전지와 수 직, 수평꼬리 날개를 조종하기 위한 서보모터를 수납하기 위한 공간으로 기체의 무게와 크기를 감안하
프로펠러를 붙임 탄소막대를 만듦
탄수막대를 붙임
꼬리날개와 수직날개 장착 앞 날개 여 선정하였다.
라. 제작된 동체를 샌드페이퍼를 사용하여 다듬어 준다. 이는 샌드페 이퍼로 다듬어 줌으로서 불필요한 동체의 부분을 갈아줌으로 무게 감소의 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
마. 동체의 앞쪽 부분에 밑에서 7mm 위에 프로펠러를 붙인다. 전선을 동체 내부로 집어넣기 위한 구멍을 뚫어주고, 프로펠러는 나사못 을 사용해서 동체에 고정시킨다.
바. 동체에 받음각을 고려하여 탄소막대를 붙일 위치를 정한다. 받음 각이란 바닥에 놓은 날개를 옆에서 볼 때 가장 볼록 나온 부분과 날개 끝을 연결하였을 때의 선분과 바닥과의 각이다. 본 제작에서 는 풍동 실험 등을 통해 정확한 각도 등은 알 수 없었기 때문에, 보편적으로 알려진 데로 7°로 만들었다. 여기서 받음각을 넣어주 는 이유는 Side Slim 현상을 막아주고 양력을 키워주기 위해서이 다. Side Slim 현상이란 좌우로 조금만 기울어져도 기울어진 쪽으 로 떨어지는 현상이다. 그런데 이 받음각을 넣어 주면 양력이 생겨 Side Slim 현상을 막아준다.
사. 동체의 뒷부분 나무에 구멍을 뚫어서 수평, 수직 꼬리날개를 부착 할 재료인 탄소막대를 붙인다. 탄소막대는 무게를 줄이기 위해 단 단하지만 속이 빈 것을 사용하였다.
아. 0.7mm 탄소봉을 사용하여 수평, 수직 꼬리 날개의 뼈대를 만든다.
그리고 뼈대에 fly span을 사용해서 피복을 하였다. 수평날개를 만 들 때에는 상반각을 고려해 주어야 한다. 상반각이란 날개를 바닥 에 놓고 한쪽 날개를 바닥에 붙였을 때 반대편 날개와 바닥 사이의 각의 1/2이다. 이 상반각을 넣어 주는 이유는 본 제작에서 만드는 MAV는 날개가 짧기 때문에 날개 끝 와류현상 때문에 롤링현상이 심해 지는데 상반각을 넣어 주면 날개가 기울어 졌을 때 기울어진 쪽의 수평 면적이 넓어지면서 양력이 커져 수평을 유지하게 해주 기 때문이다. 대곽 1호의 상반각은 10°이다.(탄소봉-무게를 줄이 고 강도를 높여주기 위하여 사용함.)
자. 0.5mm 피아노선을 사용하여 랜딩 기어를 만들었다.(바퀴는 과학 사에서 구입하였다.) 서보모터와 방향판의 고리에 걸기 쉽게 하려 고 끝 부분을 구부리는데 피아노선이 구부리기에도 가장 쉽고 또 질겨서 잘 끊어지지 않기 때문이다.
차. 발사나무와 탄소막대를 사용하여 주 날개의 뼈대를 제작한다. 그 리고 뼈대 위에 풀을 묻힌 후 fly span을 사용해서 피복한다.
카. 배터리, 서보모터, 수신기, 변속기 등을 동체 안에 수납해서 무게 중심의 위치를 맞추어 준 후 주 날개를 부착한다. 무게 중심을 찾 는 방법은 날개를 바닥에 놓았을 때 가장 높은 점을 동체에 내렸
을 때 그 점으로부터 5mm 뒤쪽이다. 이 점을 중심으로 내부 부품을 배치하고 최종적으로 날개를 고정 시켜 두 날개 끝을 살짝 잡아 무게 중심을 맞춘다. 앞으로 기울면 부품을 뒤쪽에 무겁게 두고 뒤로 기울 면 부품을 앞쪽으로 옮긴다.
9. 제작 장면
10. 활동 효과
가. 비행 기체 제작 기술 습득하고 연습용 기체 제작 및 확보에 성공하였다.
나. MAV 기체 제작은 일반 기체 제작에 비해 난이도가 매우 높다는 사실을 인식하였다.
다. 비행 기술을 시뮬레이터를 이용하여 충분히 익히는데 수개월이라는 상당한 시간이 소요되며, 이는 기체 를 파손시키지 않는 최소한의 요건이 된다는 사실을 인식하였다.
7. VFO 제작 진행
7-1. 제작 과정
7-2. VFO 페인팅 작업
8. 재능 기부 활동 실시
8-1. 활동지
No. UFO를 잡아라!
MAV
장소 : 궁리관 4층 물리실험실 1
지도교사 황보 태권 선생님
학 생: 조한성 안가영 김정우 김인호
◊ 준비물: Real Flight, RC 조종기, MAV, 스페이스 셔틀. VFO, 전자변속기, UFO
♣ 활동 목적
무선 송수신을 통한 조종이 가능한 저소음 무인비행체를 설계, 개발, 제작하는 과정을 통하여 과학과 기술에 대한 흥미, 이해도 제고하며 UFO를 직접 만들어 비행체의 원리를 탐구한다.
♣ 이렇게 하세요
북미 항공자동차 제조업체 테라푸기어는 뉴욕 국제 오토쇼에서 하늘을 나는 2인승 자동차 ‘트랜지션 (Transition)’을 선보였다. 이 자동차의 기본형 모델 가격은 불과 279,000달러(한화 약 3억1,500만 원). 물 론 에어컨이나 자동조종장치(auto pilot) 등의 옵션을 추가하면 비용이 다소 증가할 수는 있다. 하늘을 날 아다니는 자동차의 구조를 조사해보자.
♣ 한 번 생각해 보세요
그동안 이루어진 비행체 제작 기술과 재료 공학의 발달로 인해서 비행과 주행이 모두 가능한 운동체의 상용화 시대가 성큼 다가오고 있다. 공상영화에서나 나오는 장면들이 우리 눈 앞에서 일상적으로 펼쳐지는 시간이 멀지 않은 것이다. 과연 미래에는 어떤 일이 일어날지 상상해보자.
♣ 왜 그럴까요?
비행기는 이륙하려면 최소한의 활주로가 필요하다. 꽉 막힌 도로 가운데서 헬리콥터처럼 이륙할 수 있는 자동차가 아닌 이상, 한국에서 비행자동차를 운전할 일은 아마 없다고 봐도 무방하다. 그리고 기존의 항공 기에서는 매우 심한 소음이 발생하며 이는 개인 소유가 늘어날 때 심각한 문제가 될 수 있으며 이러한 문 제점 때문에 생각만큼 편리하지만은 않을 것이다. 머리 위에 수십 대의 자동차가 100km/h로 지나다닌다니 생각만 해도 간담이 서늘하다. 공중에서 일어나는 자동차 사고는 절대로 뒷목을 잡고 인상을 쓰는 수준에 서 끝나지는 않을 것이다. 이러한 문제점을 해결하는 방법을 알아보자.
♣ 주의사항
비행체의 조작은 반드시 운영자의 안내를 따르고 허가되지 않은 조작은 하지 않는다.
8-2. 사용 물품
순 품 명 규격
1 호버UFO
직경 125mm, 높이 60mm 벡셀 알칼라인 전지 2개 포함
프로펠러, 모터, 전지끼우개, 본체로 구성 전선, 테이프 등 부가재료 포함
2 Tornado 배터리
11.1V 1500mA 25C LiPo battery, 가로:74mm, 세로:34mm, 폭:21mm 무게:104.5g(딘스잭 포함)
3 YG-EPP VFO 키트
크기
1. 날개 길이 : 520mm 2. 동체 길이 : 580mm 3. 순수기체 무게 : 72g 4. 타면 및 서보자리 작업 완료 필수기자재
* 링케이지 4조 ,서보 어저스트 4조
* 카본봉 2mm 25cm4개, 벨크로테이프,모터마운트
* 강선20cm 4개(실외용)
* 나일론실 1미터(실내 호버링용) 파워소스
* 모터 PowerTec A2204/14 1400KV
* 변속기 6A~12A 추천
* 프롭 70*6.0 이나 80*3.8 추천
* 서보 5g~9g 4개 추천
* 베터리 7,4v 500m
9. 야외 비행 실습
9-1. 실습 일자 : 11월 16일, 12월 7일, 12월 12일 9-2. 실습 장소 : 대구 금호 모형 비행장
서울의 광나루 모형 비행장과 같이 대구에는 F-15가 주둔하는 공군의 K2 비행단 때문에 국가나 지방자 치단체로부터 정식으로 허가를 받은 모형 비행장이 없으나, 금호강변의 고수부지에 100m 길이의 모형 비행 장이 조성되어 있다.
9-3. 실습 참가 : R&E 팀원 이외에도 무선 조종 비행체에 흥미가 있는 학생들에게도 참여 기회를 제 공하였다.
9-4. 실습 지도 방법
1. 장비 수송 : 지도교사 황보태권 자신의 차량을 이용하여 비행체와 각종 장비를 수송 2. 학생 수송 : 박한얼 교사가 승합차량 스타렉스를 이용하여 참가 학생들을 수송 3. 활용 차량 : 지도교사의 개인 차량과 렌트한 스타렉스 승합차량을 활용
9-5. 실습 비행체 : PC-9, 아크로 마스터, 스탠드 업
9-6. 기타 : 대구과학고에서 모형 비행장까지 이동은 버스와 같은 대중 교통 수간으로는 불가능하다.
이유는 이동 시간만 왕복 3시간 가까이 걸리기 때문이다. 모형 비행체는 추락 또는 조종 불능 상태에 빠지면 인명 살상 가능성이 매우 높기 때문에 대구에서도 매우 인적이 드문 장소에 위 치하고 있다. 택시를 이용하더라도 강변 둑을 따라 도보로 30여분간 이동하여야 하고, 비행체 와 조종기, 공구함, 배터리 등의 장비를 날라야 하므로 비행 준비 및 마무리에만 2시간 이상이 소모된다.
Ⅲ. 결론
제작한 스탠드 업, VFO 등의 비행체는 학생들이 조종하기에는 난이도가 부적합하다. 대형 기체이어야 바 람이나 온도 등의 영향을 적게 받기 때문이다. 또한 배터리를 계속 연결해 두면 방전되기 때문에, 이것을 해 결하기 위해 주 날개를 탈부착식으로 만들어 비행시마다 부착해야 하는 불편함도 있다. 크기가 너무 작으면 내부 전선 연결 및 제작에 어려움이 많고, 비행시 잘 보이지 않아 조정도 어려우므로, 초보자인 학생 수준에 는 맞지 않다. 그러므로 크기가 부적합하더라도 연구 목적에는 알맞은 것을 만들었으나 또한 동체 내부의 제 원들은 대형 기체와 별 차이가 없고, 이러한 경험을 통해 비행체를 만들 때 고려해야 할 점이나 비행체를 만 들며 생기는 문제점 등을 파악 할 수 있었으며 학생 손으로 직접 설계 및 제작을 했다는 점에서 큰 의의가 있다. 또한 비행체를 만들면서 공구의 사용법, 부품의 특징 및 종류, 재료의 쓰임 등을 숙지하였으며, 관련 연구의 진행 상황과 개발 수준을 알아 볼 수 있었다. 또한 배터리, 서보모터, 수신기, 변속기 등을 동체 안에 수납해서 무게 중심의 위치를 양력 중심보다 아래에 오게 하거나, 받음각을 정도로 하고, 과학사에서 구 입한 0.5mm 피아노선을 사용하여 랜딩 기어의 연결선을 만드는 등 여러 가지 방법이나 주의점 또한 배울 수 있었다.
앞으로 이를 바탕으로 기체 재료, 날개 형상, 비행 역학, 유체 역학 등을 공부하고, 엔진 비행체 제작 기술 을 습득 및 응용이 필요하다. 또한 이번에는 풍동 실험 등을 할 수 없어 그저 널리 알려진 이론이나 보편적 지식만을 가지고 비행체를 만들었기에 다른 비행체보다 훨씬 잘 비행하는 것을 기대하기 힘들었다. 하지만 다음에 만들 비행체에서는 무게 중심 실험 및 와류 측정 등을 하여 여러 가지 모양과 크기의 날개로 실험하 여 가장 효율성 좋은 날개를 만들 수 있을 것이다. 뿐만 아니라 발사나무나 탄소막대처럼 보편적으로 쓰이는 재료가 아닌 여러 가지 재료로 비행기의 동체를 다양하게 만들어 볼 수도 있다. 본 연구원들은 그것을 이용 하여 가장 효율적이고 가벼우며 잘 나는 무선 조정 비행체를 만들어 보고, 2015년에 실시하는 각종 항공 관 련 대회에 참가 할 계획이다.
이를 위해서 이번 방학 중에는 꾸준히 Real Flight4.5를 통해 비행 시뮬레이션을 연습하고 일주일에 한두 번 정도 연습용 비행기인 대형 기체를 실제로 야외에서 날려봄으로서 비행 감각을 익히고 비행술을 충분히 마스터할 것이다. 그리고 다양한 재료로 만든 동체와 여러 가지 모양과 크기의 날개로 제작한 비행체를 날려 보고 분석하여 비행체의 최적화 방안을 모색할 것이다.
