안녕하세요!! 드린이입니다 ::))
오늘은 드론 입문자 혹은 초심자를 위한 드론의 비행 원리 25탄입니다. 25탄에서는 지난 포스팅에 이어서 항공기 비행의 기본이론인 에어포일(Airfoil) 이론 4부에 대한 내용을 포스팅하겠습니다. 혹시나 에어포일(Airfoil)에 대한 기본용어와 기본에 대해서는 지난 포스팅을 참고 바랍니다.
1. 상대풍
상대풍은 비행경로와 크기는 같으나 방향이 반대로 작용하는 바람이며 자연풍은 굴뚝의 연기가 흩날리는 것과 같이 대기의 현상에 의해서 만들어진 바람을 의미합니다. 상대풍은 기체가 정지하고 있다면 발생하지 않습니다. 또, 상대풍은 에어포일(Airfoil)의 움직임에 따라서 상대적으로 변화하게 됩니다.
에어포일(Airfoil)의 각도 변화에 따른 상대풍과 양력의 변화 특성을 보면 아래와 같습니다.
가. 에어포일이 평행하게 이동 : 상대풍은 에어포일 방향으로 평행하게 이동하여 부딪칠 것
나. 에어포일을 아래로 이동 : 상대풍은 에어포일 상부면으로 와서 많이 부딪쳐서 받음각을 떨어뜨려 양력이 줄어들 것
다. 에어포일을 위로 움직임 : 상대풍은 에어포일의 아래로 와서 부딪치면서 받음각의 크기를 더 크게 하여 양력 발생이 증가
만약 기체가 이륙하면서 기수를 들어 올리면 상대풍과의 사이각이 더 커져서 양력 발생이 용이하게 된다.
2. 회전 상대풍 (Rotational Relative)
회전익 헬리콥터의 블레이드가 회전하면서 생기는 유도기류, 플래핑 현상 등으로 블레이드에 부딪치는 상대풍에 변화를 주어서 새로운 형태로 만들어지는 상대풍으로 기체가 움직이면서 발생하는 상대풍이나 회전에 의해서 발생하기 때문에 회전 상대풍이라 부릅니다. 또, 고정익 항공기 중에서 프로펠러가 있는 항공기, 회전익 헬리콥터, 드론이 비행할 때 발생하는 바람입니다.
회전익 기체에서의 받음각이란 회전상대풍과 시위선(익현선)과의 사이각을 지칭하며, 기체의 진행방향과 반대방향으로 작용하므로 취부각(붙임각)의 각도와 동일합니다. 이때, 회전 상대풍의 속도는 프로펠러가 회전하면서 발생하는 것이므로 프로펠러의 끝(익단)에서 가장 빠르고, 프로펠러 시작부분(익근)으로 갈수록 속도는 감소하며 회전축에서 속도는 ‘0’입니다.
3. 유도기류(Induced Flow)
유도기류는 양력 발생으로 인하여 형성되는 공기흐름으로, 하강풍(Downwash or Induced flow)으로도 불립니다. ‘induced’란 ‘유도에 의해서 만들어진’의 의미로, 양력이 유도해서 만들어졌다는 의미입니다. 또, 양력이 발생하지 않는다면 유도기류(하강풍)는 발생하지 않습니다. 이때 상부면과 하부면의 공기흐름의 속도 차이로 하강풍이 만들어지고, 기체는 하강풍이 불어야 에어포일의 하부면의 압력이 상부면의 압력보다 높아져서 양력이 발생하게 됩니다.
하강풍을 직접적으로 보고 느낄 수 있는 경우는 헬리콥터가 수면 위에서 제자리 비행을 하면서 수면의 물결을 강하게 일으키는 현상이 있으며 드론도 마찬가지로 유도기류(하강풍)가 발생하게 됩니다.
4. 합력상대풍과 총 항공역학적 힘(TAF : Total Aerodynamic Force)
합력상대풍
합력상대풍은 유도기류로 인한 바람의 영향까지 고려한 바람으로 ‘합력’의 의미가 두 방향에 대해서 합해지는 벡터 값으로, 합력상대풍은 기체가 앞으로 나아가면서 발생하는 상대풍과 유도기류의 두 벡터값을 계산, 기체가 실질적으로 영향을 받는 공기역학적 바람을 의미합니다. 또, 비행에 영향을 주는 받음각은 결국 합력상대풍과 시위선(익현선)이 이루는 각도를 의미합니다.
총 항공역학적 힘
총 항공역학적 힘은 에어포일의 양력과 항력이 결합하여 작용하는 힘으로 항공역학적인 바람인 합력상대풍의 영향을 받아서 양력과 항력에 대해서 기체가 실질적으로 발휘하는 힘을 의미합니다. 양력과 항력의 합력, 즉 ‘벡터량’입니다.
5. 공력중심
에어포일에 받음각이 변하더라도 피칭 모멘트의 값이 변하지 않는 중심점으로 무게중심은 기체 무게의 중심으로, 공력중심보다 앞에 있어야 기체가 안정적입니다.
고정익 항공기나 회전익 헬리콥터 모두 무게중심과 공력중심이 중요하며, 항공기의 경우 무게중심이 공력중심보다 앞에 있는 경우에는 항공기 머리 부분이 아래쪽으로 내려가는 현상이 생겨 계속 승강타를 올리면서 비행하는 현상 발생하며, 반대로 무게중심이 뒤에 있으면 기수가 계속 들려서 과도한 양력으로 실속 우려가 있습니다.
드론의 경우에는 전·후, 좌·우로 균형된 형상으로 제작하기에 기체의 정중앙에 무게중심과 압력중심이 있습니다. 각종 중요한 센서들이 내장되어 있는 드론의 심장이며 두뇌라고 할 수 있는 FC(비행제어기)도 이러한 이유로 미세한 영향도 최소화하기 위해서 기체의 중앙에 위치하는 게 일반적이며, 중앙에 위치하지 않으면 균형을 유지하기 위한 추가적인 힘이 소요되게 됩니다.
오늘의 포스팅을 마치도록 하겠습니다.
감사합니다::))