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드론열풍 가운데 냉정한 의견
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드론열풍 가운데 냉정한 의견
  • 이원학 월드콥터코리아 대표
  • 승인 2020.08.05 11:45
  • 댓글 0
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에어택시 개발에는 연료 동력원 사용 고려해야
탑재능력과 비행시간 증가를 위해 전자공학과 헬리콥터공학의 융합 필요

전 세계가 드론열풍에 빠져있습니다. 평생 항공기개발에 일생을 바쳐온 저도 많은 사람들이 비행체에 관심을 가져주니 참 반갑게 생각합니다. 오늘날과 같은 놀라운 드론 발전을 이끌어낸 전자공학의 열정과 노고에 감탄과 큰 박수를 먼저 보내드립니다.

하지만 좀 우려되는 경향이 있어, 참고로 몇 가지 말씀드리고 싶습니다.

현재의 드론은 탑재중량과 비행시간의 한계점에 머물고 있습니다. 기종에 따라 차이가 있습니다만, 통상 30kg의 탑재중량으로 20분정도 비행하거나 화물없이 40분정도 비행하면 최상급 드론에 해당합니다. 좀더 큰 용량을 원하지만 어려운 상황입니다.

특히, 최근 관심이 높은 에어택시나 수송용 중형드론을 실현하기 위해선 2가지 사항에 대해 재고할 것을 권면 드립니다.

본론에 들어가기 전에 과거 모형비행기의 발전사를 간단히 말씀드리고 싶습니다.

라이트 형제가 1903년 비행기를 처음 날리고 난 이후, 많은 사람들이 비행기를 무척 좋아 했습니다. 그래서 비행기모형을 만들어 간직했습니다. 처음에는 단순한 모형이었지만 실제로 날 수 있는 모형 비행기가 나오기 시작 했는데 그것이 처음에 글라이더였습니다.

모형비행기가 발전해온 시대적 순서는 다음과 같습니다.

(1) 단순한 비행기모형 : 장난감이나 장식용으로 던질 수는 있어도 날수는 없음.

(2) 날릴 수 있는 글라이더 : 비행기에 대한 이해와 인내심으로 만들면 잘 날았음.

(3) 고무동력 글라이더 : 고무줄을 꼬아 감아 프로펠러를 돌리며 스스로 이륙도 했음.

(4) 엔진 유선조종 비행기(UC) : 초소형 엔진과 유선 조종 와이어로 맴돌이 비행을 함.

(5) 엔진 무선조종 비행기(RC) : 전자통신 기술이 접목되어 무선조종기로 자유 비행가능.

(6) 엔진 무선조종 헬리콥터 : 자이로센서를 헬기조종에 응용하여 전자제어 자동기술 접목.

(7) 전기모터 무선조종 : 비싸고 조종이 까다로운 소형엔진 대신 전기모터 사용하여 비행. 초기의 전기모터가 작은 출력의 무선 글라이더부터 시작했으나 점차 모터의 발전으로 비행기와 나중에는 헬리콥터까지도 전기모터로 비싼 소형 연료엔진을 대체하게 됨.

(8) 복잡한 헬기 로터 대신 다수의 전기모터 프로펠러를 수직으로 설치한 멀티콥터 등장.

(7) 간단한 모터제어와 자세센서, GPS연계 항법기술로 자율비행 멀티콥터(드론) 대중화.

손으로 날리는 글라이더와 고무동력 비행기 / 항공학 입문용으로도 훌륭했다.
유선조종 비행기(소형 피스톤 엔진을 사용)와 모델비행기용 엔진(1.7마력)

 

유선조종 모형비행기 동영상 https://www.youtube.com/watch?v=B-kdv4nHqN0

과거 무선조종(RC) 비행기나 헬리콥터는 비싸고 전문적인 고급 취미활동에 속했으나, 이제는 저렴하고 간편하면서도 쉽게 조종할 수 있는 전기드론이 대세가 되었습니다. 그리고 무선조종이 시작되면서 전자공학의 영역이 확대되었고 주 동력을 손쉽게 제어되는 전기모터를 사용함으로 배터리는 당연하고 자연스런 필수선택이 되었습니다. 드론은 전자공학의 영역이 되었습니다. 이렇게 장황한 서론을 말씀드리는 것은 숨가쁘게 달려가는 걸음을 잠시 멈추고 한번 돌아보는 유연성을 갖고 생각하길 원해서입니다.

이왕 서론이 길어진 김에 한 가지 더 말씀드리고 싶습니다.

다음은 우리가 흔히 접하는 3가지의 운송체인데, 필요한 추력에서 차별성이 있습니다.

(1) 자동차(1,000kg) : 출발에 필요한 추력 = 20 kg (타이어의 구름마찰력 0.02 )

  ※ 현대 액센트(1,105 kg) 기어중립에서, 22 kg의 힘으로 밀수 있음.

(2) 비행기(1,000kg) : 이륙에 필요한 추력 = 190 kg (비행기 날개 5배 이상 고효율 )

 ※ 세스나 172 경비행기 : 최대이륙 중량 1,111 kg, 최대추력 211 kg

(3) 헬리콥터(1,000kg) : 수직이륙에 필요한 추력 = 1,000 kg이상 (멀티콥터 드론도 같음)

 ※ 수직비행은 자중의 100% 추력이 있어야 함.

현대엑센트 (1,105kg)를 한 사람 힘으로 밀기는 쉽지만 번쩍 들어 올리는 것은 불가능 하다. 세스나 172 경비행기는 이륙중량(자중에 연료와 승객 모두 포함중량)의 1/5 추력이면 비행한다. 그러나 수직 비행하는 헬리콥터와 드론은 100%이상의 추력이 필요하다.
현대엑센트 (1,105kg)를 한 사람 힘으로 밀기는 쉽지만 번쩍 들어 올리는 것은 불가능 하다. 세스나 172 경비행기는 이륙중량(자중에 연료와 승객 모두 포함중량)의 1/5 추력이면 비행한다. 그러나 수직 비행하는 헬리콥터와 드론은 100%이상의 추력이 필요하다.

우리는 전기자동차가 다니는 것을 보고, 전기비행기랑 전기헬리콥터(멀티콥터 드론 포함)도 만들 수 있다고 단순히 인식하기 쉽습니다. 그러나 주차장에 더블 파킹된 자동차를 혼자 밀어서 옮기는 것과 혼자 자동차를 통째로 번쩍 들어 올리는 것은 다른 상황입니다.

헬리콥터는 비행기에 비해 5배 이상 비효율적입니다. 그래서 장거리 비행을 위해선 드론도 고정익이 당연한 선택이 됩니다. 하지만 헬리콥터는 활주로가 필요 없는 수직이착륙 특성이 있고 공중정지를 할 수 있습니다. 그러한 특별한 능력을 위해 5배 이상의 큰 에너지가 필요합니다. 현재의 드론 비행시간이 짧은 것에 대한 첫 번째 본론을 말씀드리겠습니다.

1. 전기 베터리 사용 : 전기 배터리의 성능이 부족하여 이를 개선하기 위한 많은 투자와 노력을 합니다. 많은 사람들이 인식하길 전기에너지는 스위치 하나로 다룰 수 있는 매우 편리하고, 깔끔한 에너지로 생각합니다. 하지만 전기에너지는 원초적인 약점이 있습니다.

다음은 중요한 동력원의 질량에너지(Massic Energy : Wh/kg)입니다. 이것은 1kg의 중량으로 한시간당 몇 와트의 동력을 낼 수 있는가 하는 물리학자들 이야기입니다(Wikipedia)

(1) 리튬이온 배터리 : 185 Wh/kg (우버 에어택시 2020년 개발목표)--- 1배

(2) 자동차 휘발유 : 12,889 Wh/kg (디젤은 12,667 Wh/kg)----------- 70배

(3) 액화수소 : 39,406 Wh/kg ( 고압기체수소 700바)------------ 213배

단순히 물리에너지량만으로는 휘발유가 리튬이온 배터리보다 70배 우수하지만, 실재 휘발유 GDI엔진효율(35%)은 전기모타(90%)보다 떨어집니다. 이점을 감안하여 실재 에너지는

< 휘발유 12,889 x 35% = 4,511 Wh/kg --- 배터리 185 x 90% = 167 Wh/kg >

즉, 휘발유 4511 ÷ 배터리 167 ≒ 27 배 차이가 납니다. 다시 말해 같은 무게에서 휘발유가 배터리 보다 27배 더 강력하다는 것을 말해 줍니다. 다르게 표현하자면 배터리가 너무 무겁다 하겠습니다. 이를 입증하는 실례가 비행시간을 연장하기 위해 휘발유엔진 발전기를 장착한 하이브리드 드론입니다. 가장 좋은 것은 중간부품(발전기와 배터리)없이 휘발유 엔진이 직접 로터를 돌리는 것입니다. 지금까지는 전기 모터제어에 익숙한 전자공학 기반으로 드론이 설계되어 왔기 때문에 무거운 전기배터리에 발목이 잡힌 상황이라고 저는 생각합니다.

현재 실용화 되어 있는 대형 군용드론은 모두가 연료를 사용합니다.(휘발유/디젤/제트유)

전기배터리로는 장시간 큰 하중을 감당할 수 없습니다. 굴러가는 전기차로 인해 수직비행 해야 하는 대형드론도 전기 배터리를 선택하는 것이 세련되어 보이는 것 같을지라도 그것은 바람직한 선택은 아니라고 생각합니다. 짧은 시간, 소형드론과는 다른 차원의 이야기입니다.

최근 많은 회사에서 전기배터리를 사용해 에어택시를 개발하는 것에 저는 안타깝습니다.

짧은 시간 비행장면을 찍어 홍보용으로는 할 수는 있지만, 가성비가 중요한 현실시장에서는 성공할 수 없다고 봅니다. 엔지니어는 과학자가 아닙니다. 궁극적으로는 시장에서 지속적으로 판매될 수 있는 좋은 물건을 저렴하게 만들어야 합니다. 또한 우리 회사 프린트처럼 기계는 싼데 잉크유지비가 많이 들게 만드는 것도 좋지 않습니다. 즉 에어택시회사가 저렴한 운영비로 사업을 유지할 수 있는 제품을 만들지 못하면, 결국 돈과 시간만 낭비하고 마는 것이 됩니다. 엔지니어들은 반드시 실사구시의 정신을 기억해야 합니다.

2. 헬리콥터공학 융합 : 앞서 이야기 했듯이 현재의 소형드론은 전기공학을 기반으로 훌륭한 발전을 이룩했습니다. 하지만 탑재능력과 비행시간을 높이는 것에 고전하는 상황입니다.

두 번째 문제 해결방법은 헬리콥터공학을 도입하는 것입니다. 아무리 작은 비행체라도 수직비행을 하는 헬리콥터입니다. 지금의 헬리콥터와 조종사가 비싸기 때문에 조종사 필요 없는 저렴한 드론택시를 찾는 것입니다. 표현만 다를 뿐 드론택시는 자율비행 헬리콥터입니다. 저희 회사에선 로봇헬기라고 부릅니다.

현재 멀티드론의 추력은 고정익 비행기의 전진용 프로펠러와 모터를 필요한 이륙중량 만큼 여러개를 사용하는 것입니다. 헬리콥터 추력공식 하나를 소개해 드립니다.

< 로터추력 = 공기밀도 x 로터 추력계수 x 로터 회전수 2제곱 x 로터 직경 4제곱 >

 공기밀도는 추운 날 높고, 덥거나 비가 오면 떨어집니다. 추력계수는 날개단면(Airfoil)이나 받음각과 날개폭(Cord), 비틀림, 날개 숫자에 따라 달라집니다. 최대 40% 정도까지 성능 차이가 납니다.

그렇지만 더 중요한 것은 로터(혹은 프로펠러)의 회전수가 큰 영향을 줍니다. 회전수가 2배 빨라지면 추력은 제곱비례해서 4배 증가합니다. 현재 드론은 전동모터 회전수로 추력을 조절합니다.

하지만 추력증가의 가장 큰 영향력은 로터 직경의 크기입니다. 직경이 2배 증가하면 추력은 4제곱 비례해서 16배로 증가합니다. 물론 이렇게 단순히 말씀드릴 수는 없습니다. 로터가 커지면 회전수가 떨어지고 감속장치가 무거워지고, 추력계수들도 떨어지는 복합적인 감소요인이 있지만 로터직경을 크게 하는 것은 헬리콥터공학의 핵심적인 출발점입니다.

현재의 드론은 프로펠러 직경이 너무 작습니다. 헬리콥터 공학에선 로터 직경에 의해 생기는 회전면적(Disc area)을 공력설계 단계에서 매우 중요하게 다룹니다.

몸체에 비해 거대한 프로펠러(헬기공학에서는 로터라 함)를 요구하는 헬리콥터,      로터크기는 탑재능력과 비행시간에 직접적인 영향을 미치므로 드론개발에 기억하면 좋다.
몸체에 비해 거대한 프로펠러(헬기공학에서는 로터라 함)를 요구하는 헬리콥터, 로터크기는 탑재능력과 비행시간에 직접적인 영향을 미치므로 드론개발에 기억하면 좋다.

앞서 말씀드린 내용 중 로터 회전수가 빠르면 제곱비례해서 추력을 발생 시킬 수 있다고 했습니다. 하지만 무한정 빠르게 돌릴 수 있는 것은 아니고, 실물 헬리콥터공학에서는 과도한 소음 발생을 고려하여 로터 선단속도(Tip speed)를 750ft/sec(M0.67)이하로 권장합니다.

통상 700-725 ft/sec로 설계합니다. 성능만을 위해 고속으로 돌리면 날개단면(Airfoil)마다 다르지만 M0.75까지도 돌릴 수 있습니다. 하지만 현재의 추세는 로터 회전속도를 M0.5-0.6 정도까지 낮춰 소음을 줄이는데 노력합니다. 현재 드론은 기종마다 차이가 많겠지만 로터 선단속도가 M0.2 정도 밖에 안 되었습니다. 헬리콥터의 소음은 로터의 선단속도로 인한 것이고 일반적으로 생각하는 엔진소음은 이차적인 문제입니다.

현재 전기드론이 조용한 것은 엔진소음이 없다는 전기자동차의 경험으로 유추하는 것이고 성능개선을 위해 로터를 빠르게 돌리면 전기드론도 소음이 심해지는 것은 자연스런 귀결이 될 것입니다. 그리고 로터회전을 빨리 해야만 전진속도를 높일 수 있습니다. 이것은 비행속도에 따라 로터의 앞으로 회전하는 전진익과 돌아서 뒤로 가는 후퇴익의 속도차이로 인해 후퇴익에 실속현상(Retreating Blade Stall)이 발생합니다.

또한 전진비행에 따른 로터 전진익과 후퇴익의 양력 불균형에 대해서도 거의 고려가 없는데 소형드론에선 큰 문제가 없지만 에어택시급으로 대형화 될 때는 로터허브에 심각한 피로균열이 발생해 치명적인 사고로 이어질 수 있습니다. 이러한 문제를 헬리콥터 공학에선 80년 전에 경험하고 해결한 문제입니다. 헬리콥터 로터허브가 복잡한 것은 이런 근원적인 문제해결을 위해서입니다. 처음에 이를 잘 몰랐다가 많은 사고 후 해결한 것입니다.

헬리콥터 공학이 도입되면 훨씬 효율적인 드론이 될 수 있습니다.

드론의 핵심기술은 전자제어 자율비행과 통신보안입니다. 이 분야는 헬리콥터 공학자들에겐 근접할 수 없는 영역입니다. 주동력장치는 휘발유 엔진을 사용한다 해도, 엔진제어와 로터 조종장치는 모두 자세센서와 전동 엑츄레이터로 전자화 돼야 합니다. 외부 재밍이나 해킹방지를 위해서는 통신보안업체의 도움도 필요합니다. 조종사가 필요 없는 자율비행 헬기가 되려면 전자공학과 헬리콥터 공학이 융합돼야 함을 재차 강조드리고 싶습니다.

결론으로 정리하자면, 무거운 배터리 사용의 집착에서 벗어나는 것과 헬리콥터공학을 도입하는 것을 권면 드립니다. 단지 홍보용으로 사진 찍는 정도의 제품이 아니라 전 세계 시장을 상대로 저렴하고, 운영이 쉽고, 유지비가 적게 드는 상품을 만들어야 사업화에 성공할 수 있습니다. 경쟁사를 이기고 운영고객에게 수익을 보장하는 산업용 드론이 개발 돼야 합니다. 시장에서 이길 수 없는 제품개발은 투자가의 돈과 회사의 시간만 낭비하는 기회손실이 됩니다. 아무쪼록 모두가 만족한 결실이 있길 기대합니다. 감사합니다.

 



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