안녕하세요!! 드린이입니다 ::))
오늘은 드론 입문자 혹은 초심자를 위한 드론의 비행 원리 20탄입니다. 20탄에서는 드론에 작용하는 다양한 종류의 힘에 대한 내용을 포스팅하겠습니다.
1. 항공기의 4대 힘
양력(Lift)은 비행체 진행방향의 위쪽, 수직 방향으로 작용하는 힘으로 기체는 날개에서 생기는 양력에 의하여 공중을 날 수 있습니다. 중력(Weight)은 지구가 물체를 끌어당기는 힘입니다. 추력(Thrust)은 비행체의 진행방향으로 발생하는 힘으로 헬리콥터는 엔진에 의해 프로펠러가 회전하고 메인로터에 경사를 주어서 추력을 발생시키며, 드론은 모터의 회전과 프로펠러에 경사를 주어서 추력을 발생시키게 됩니다. 마지막 항력(Drag)은 비행체 진행방향의 반대 방향으로 발생하는 저항력입니다.
2. 양력
회전익 헬리콥터(드론)에서의 양력은 합력 상대풍에 수직으로 작용하는 항공역학적 힘으로 양력방정식은 아래와 같습니다.
양력(L) = 양력계수 ⅹ ½ ⅹ 공기밀도 ⅹ 속도의 제곱(V²) ⅹ 프로펠러의 면적
양력계수는 풍동실험을 통해서 풍파에 작용하는 힘에 의해 부양하는 정도를 수치화한 것입니다. 헬리콥터의 경우 조종사가 프로펠러의 피치에 변화(변동 피치)를 주어 양력계수를 증가시켜 양력을 발생시키게 됩니다. 드론은 프로펠러 제작 시부터 피치를 반영하여 제작하므로 고정된 피치(고정 피치)로 모터의 회전수에 의해 양력발생 크기를 조절하는 방식입니다.
3. 항력
항력은 항공기의 이동을 후방으로 잡아 끄는 힘, 추력의 반대 방향으로 작용하는 힘으로 기체의 날개, 동체, 기타요소(돌출부, 날개에 붙은 얼음 조각 등)에 의해서 공기의 흐름을 방해하는 힘입니다. 만약 비행의 속도를 올리거나 받음각을 크게 하면 항력도 같이 증가하게 됩니다. 회전익 헬리콥터(드론)에서의 항력은 합력 상대풍에 수평으로 작용하는 항공역학적 힘으로 항력방정식은 아래와 같습니다.
항력(D) = 항력계수 ⅹ ½ ⅹ 공기밀도 ⅹ 속도의 제곱(V²) ⅹ 블레이드 면적
항력의 종류로는 유도항력, 유해항력(형상항력, 마찰항력, 간섭항력), 조파항력 등이 있습니다.
4. 유도항력 (Induced Drag)
유도항력은 양력 발생 시 공기가 편향되어 발생하는 하강풍(down wash) 현상에 의해 발생하는 항력으로 만약 양력 발생이 없다면 유도항력도 발생하지 않습니다.
하강풍(down wash)은 날개 윗면과 아랫면의 압력 차이에 의해서 날개 끝에서 와류(Vortex)가 발생하여 날개 뒷전 부분에 공기의 흐름이 아래로 흐르는 현상으로 꼬리와류(Tip vortex)에 의한 하강풍이 발생하면 받음각(영각)이 작아지게 되면서 양력 감소로 이어지게 됩니다.
또, 유도항력은 양력이 발생하는 힘이 뒤로 밀리면서 발생하는 항력, 양력과 항력방향의 벡터 성분으로 유도항력의 크기는 공기속도 제곱에 반비례 관계에 있습니다.
이러한 유도항력을 줄이기 위한 장치로는 윙렛 (Wing let)이 있는데 윙렛은 날개 끝에서 발생하는 꼬리와류(Tip vortex)를 진정시켜 기체의 안전을 확보하기 위한 장치로, 날개 끝에 거의 수직으로 선 모양으로 제작하게 됩니다. 또, 항공기 설계 시부터 날개의 가로세로비율(가로길이/세로길이)을 조정하여 유도항력 조절하는 방법도 있습니다.
5. 유해항력(Parasite Drag)
유해항력은 다시 마찰항력(Friction Drag), 형상항력(Form Drag) 및 간섭항력(Interference Drag)으로 구분합니다.
마찰항력(Friction Drag)은 기체 표면의 거칠기에 따라서 변하는 저항. 기체 외부표면에서 발생하는 공기흐름에 대한 저항으로 감소시키기가 쉽지 않습니다. 또 마찰항력은 기체 표면에 의한 마찰도 있지만 먼지, 결빙 등으로 인한 마찰도 발생합니다.
형상항력(Form Drag)은 기체 구조의 크기나 모양에 의해서 발생하는 저항으로 블레이드(프로펠러) 표면을 지나가는 공기는 자체 점성에 의해서 프로펠러에 붙으려는 성질이 있는데 이러한 점성으로 마찰력을 받게 되고 이 마찰력이 항력으로 작용하게 되는 것입니다.
이러한 형상항력을 줄이기 위해서 에어포일의 모양을 유선형으로 하여 날개 앞의 면적을 작게 하거나 고속항공기의 착륙장치인 랜딩기어를 인입식 랜딩기어로 제작합니다.
간섭항력(Interference Drag)은 형상항력과 표면마찰이 조화되어 발생하는 저항으로 항공기 기체의 구성품과 구성품 사이의 틈이나 결합 부분이 항력 유발 요인으로 작용합니다.
간섭항력을 최소화시키기 위하여 항공기 동체와 날개가 접합된 부분이나 꼬리날개가 동체에 접합된 부분, 날개에 엔진이 붙는 부분, 각각의 구조가 접합되는 부분에는 ‘필렛’을 사용합니다.
6. 조파항력(Wave Drag)
조파항력(Wave Drag)은 초고속항기에만 해당하는 항력으로 공기의 고속흐름에서 발생하는 저항으로 초고속 공기의 흐름에서 에어포일(Airfoil)은 압축파와 팽창파에 의해서 결정됩니다. 마찰이나 날개의 형상에 의한 저항이 아니라 공기의 압축에 따른 충격파에 의한 저항 성분입니다.
오늘의 포스팅을 마치도록 하겠습니다.
감사합니다::))