안녕하세요!! 드린이입니다 ::))
오늘은 그동안 많이 이야기하고 제가 포스팅했던 수많은 드론 관련 뉴스나 신기술 개발에 관련한 내용이 아니라 원초적으로 돌아가 드론의 비행 원리와 그것들을 이해하기 위한 기초 지식에 대한 내용을 포스팅하겠습니다.
드론(항공기)에 작용하는 힘
우선 드론(항공기)에 작용하는 힘에 대해서 알아보면 비행 중인 드론에는 추력과 항력, 양력 및 중력이 작용하게 됩니다. 아래의 그림과 같이 비행기의 각 방향에 대해서 각각의 힘이 작용하게 되는데요, 4가지 모든 힘이 평행을 이루면 회전익 비행에서 흔히 이야기하는 제자리 비행(호버링, Hovering)이 가능해집니다. 중력과 양력은 동일하고 추력이 항력에 비해 강하다면 전진 비행을 하겠죠.
1. 양력(Lift) : 비행체 진행 방향의 위쪽, 수직 방향으로 작용하는 힘으로, 기체는 날개에서 생기는 양력에 의하여 공중을 날 수 있습니다.
2. 중력(Weight) : 지구가 물체를 끌어당기는 힘.
3. 추력(Thrust) : 비행체의 진행 방향으로 발생하는 힘으로 헬리콥터는 엔진에 의해 프로펠러가 회전하고 메인로터에 경사를 주어서 추력을 발생시키며, 드론은 모터의 회전과 프로펠러에 경사를 주어서 추력을 발생시킨다.
4. 항력(Drag) : 비행체 진행 방향의 반대 방향으로 발생하는 저항력.
뜨는 힘의 원천
공기와 같은 유체의 속도는 압력과 반비례 관계에 있습니다. 또, 유체는 압력이 높은 곳에서 압력이 낮은 곳으로 이동하려는 성질이 있습니다. 이것을 그 유명한 베르누이 정리라고 하며, 이러한 유체의 특성으로 비행기의 날개의 단면을 에어포일이라고 하는데 자세히 살펴보면 아래쪽은 평평하고 위쪽은 둥근 모양으로 만들어져 있습니다.
드론(항공기)이 하늘을 비행하는 원리를 이해하려면 베르누이 정리와 더불어 뉴턴의 법칙도 같이 알아볼 필요가 있습니다.
만약 공기가 왼쪽에서 오른쪽으로 흐르는 상황에 날개가 통과하게 되면 위에서 아래 방향으로 속도가 변화하며, 공기의 흐름이 아래쪽으로 바뀌면, ‘작용-반작용의 법칙’에 의해 날개는 위쪽으로 향하는 힘인 양력 받게 됩니다. 이것을 이해하기 쉬운 사례가 헬리콥터인데요, 헬리콥터의 몸체에 있는 프로펠러를 메인 로터(Main Rotor), 꼬리 쪽의 작은 프로펠러는 테일 로터(Tail Rotor)라고 합니다.
메인 로터의 회전에 의한 작용-반작용으로 헬리콥터 기체는 메인 로터의 반대 방향으로 회전을 하려는 힘이 발생합니다. 이때, 기체가 반대 방향으로 회전하려는 힘을 상쇄시키는 역할을 테일 로터가 하게 됩니다. 만약 테일 로터가 없거나 비행 중 고장 난다면 기체가 빙글빙글 돌기 때문에 어지러워서 조종사가 정상적인 조종이 불가능한 일이 생기게 됩니다.
이러한 작용-반작용의 원리는 드론(멀티콥터)에서도 적용이 되는데요, 드론(멀티콥터)의 프로펠러를 자세히 보면 시계방향으로 회전하는 프로펠러가 있고, 반시계 방향으로 회전하는 프로펠러가 있어서 회전에 따른 반작용을 상쇄하게 됩니다. 드론에는 모든 프로펠러 양력을 발생시키는 데 사용하므로 에너지 효율이 비교적 높다고 볼 수 있습니다.
방향 전환은 자유?
혹시 하늘을 나는 전투기나 여객기가 후진을 하는 모습을 본 적이 있나요? 사실상 불가능한 일이죠. 다른 항공기에 비교해서 드론(멀티콥터)은 자유로운 방향 전환이 가능한 장점이 있습니다. 드론(멀티콥터)은 각 프로펠러의 회전 속도를 달리해서 사용자 혹은 조종자가 원하는 방향으로 비행이 가능합니다.
오늘은 간단하게 드론(멀티콥터)이 하늘을 날 수 있는 원리와 방향 전환이 쉬운 이유에 대해서 알아보았는데요, 다음 포스팅에서는 초보자의 입장에서 조금 더 쉽게 드론의 원리와 구성에 대한 포스팅을 예고드리며 오늘의 포스팅을 마치도록 하겠습니다.
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