0. 들어가며

만들어보기/모노콥터 2023. 3. 7. 13:33

동기

이 프로젝트를 처음 생각한 건 대학교 4학년 종합설계 수업을 들으면서였다.

당시 주제가 '드론 아트쇼 INDOOR 시스템(HW/SW) 개발'이었는데, 세부 연구주제로 어떤 것을 할 지 정하기 위해서 드론에 관련된 온갖 자료를 검색하고, 정리하고 있었다.

보고서에 써낸 내용을 조금 옮기자면, 실내 드론 아트쇼, 즉 드론 군집 비행에 필요한 기술 요소는 다음과 같다.

결과적으로 당시 종합설계는 측위 기술에 집중해서 진행했고, 나름대로 괜찮은 성적을 받았다.

프로펠러가 하나인 드론, 즉 모노콥터(monocopter)에 대한 구상에 이르게 된 건, 실내 군집 비행에 적합한 드론 하드웨어의 구성에 대해 고려하던 도중이다.

기존의 쿼드콥터 형태에서 프로펠러에 충돌하여 발생하는 피해를 막기 위해서는 프롭 가드(prop guard)의 설치가 필수적인데, 실내 비행을 위한 소형 기체에서는 이 프롭 가드의 중량도 무시할 수 없는 중량 증가 요인이 된다.

이는 즉 비행에 더 높은 추력을 필요로 한다는 뜻이고, 비행 시간 감소로 이어진다.

충분한 비행 시간 확보도 필요한 요소였으므로, 조사를 계속했다.

그 때의 의식의 흐름을 정리해보면 아래와 같다.

드론의 비행 시간을 늘리기 위해서는 여러 가지 방법이 있지만, 간단하게 정리하면 다음과 같다.

그 외에도 같은 추력과 크기라면 프로펠러가 적은 쪽이 일반적으로 효율이 높다고 한다. 항공기로 비유하자면 쌍발기가 4발기보다 연료 효율이 높은 것과 비슷하겠지?

프로펠러의 수를 줄이는 데 가장 큰 걸림돌은 요(yaw) 제어이다. 프로펠러가 회전하게 되면 그 반동으로 기체도 회전하게 되는데, 이를 상쇄하거나 요 제어를 위한 구조를 추가하여 원하는 방향을 유지할 수 있게 하는 것이 멀티콥터의 기본이다.

다양한 멀티콥터의 구조에 대해서는 아래 글에 자세히 나와 있다.

어떤 종류의 드론이 있을까 | brunch.co.kr

그런데, 프로펠러가 하나라면 어떨까?

하나의 큰 로터(rotor)로 비행하는 헬리콥터조차도 요 제어를 위해 테일붐에 테일 로터나 팬, 혹은 압축 공기 노즐을 설치해 로터의 역토크를 상쇄한다.

뭐, 엄밀하게는 하나의 프로펠러로 비행하는 구조는 아닌 것이다. 테일 로터가 있으니까

또한 만약 요 제어 문제가 해결되더라도, 다른 비행 제어에 문제가 생긴다.

가령 헬리콥터의 경우 로터의 각 블레이드의 피치를 조절할 수 있다. 이를 세차 운동을 적당히 보정하며 조절하여 전후좌우 이동을 한다.

V-22와 같은 바이콥터(bicopter) 구조는 좌우 프로펠러의 추력 조절(스로틀이던 피치이던)과 함께 프로펠러의 각도 조절을 위한 구조가 필요하게 된다.

단일 프로펠러를 쓰는 것이 이론상 가장 효율이 높겠지만, 테일로터를 설치하게 되면 이 또한 에너지를 소비하니 뭔가 마음에 들지 않는다.

그렇다고 바이콥터 구조를 쓰자니 어차피 전후 움직임을 위한 구조가 따로 필요하다.

모노콥터 구조에서 TVC(Thrust Vector Control)를 쓰던 해서 띄울 수 있지 않을까...

위와 같은 생각을 하며 인터넷을 유람하다가, 내가 생각하는 모노콥터에 가장 가까운 프로젝트를 발견했다.

The Ball-Drone Project MK II | Hackaday.io

하나의 큰 프로펠러로 추력을 만들어내고, 이를 4개의 핀(fin)으로 토크 벡터링하여 요 모멘트를 상쇄함과 동시에 비행 제어까지 해내는 프로젝트이다.

YouTube를 검색하니 실제 기체가 비행하는 모습을 어렵지 않게 찾을 수 있었고, 관련 동영상 중 아래 동영상을 보게 되었다.

멋있으니까 하나 만들어 보자... 는게 이 프로젝트의 시작이다.

우선은 적당히 설계와 부품 선정부터.